當前物聯網 (IoT) 的大多數設備彼此之間，以及這些設備和與云端的應用之間的通信通常采用傳統的機對機（M2M）無線通信技術。然而要求全球性覆蓋率及移動性的某些應用，將會采用蜂窩技術。當前，主要采用2G和3G網絡，但未來屬于例如增強機型通信 (eMTC) 和窄帶 IoT (NB-IoT)等新技術。借助這些技術，移動運營商可以覆蓋更大的無線 IoT 市場份額。

例如省電模式(PSM)、擴展 不連續接收周期 (eDRX) 和增強覆蓋 (CE) 等功能，可根據 IoT 應用的不同需求，對無線接口進行調整。為了滿足性能和可用性方面的全部要求，所有通信層（物理層、信令層、IP 層和應用層）必須相互協同地工作。因此，必須增強端到端的應用測試功能，以優化電源消耗和反應時間等指標。

圖 1 M2M 蜂窩連接的增長趨勢圖片來源：Cisco.1

高移動性和廣覆蓋的 IoT 應用利用了衛星技術或蜂窩移動無線電技術。目前，約 86% 的蜂窩 IoT 設備采用了第二或第三代移動網絡1。典型應用包括船隊管理、集裝箱跟蹤、咖啡自動售賣機、ATM 銀行業務和個人健康監控等。這些應用中的絕大多數應用產生的數據流量很小，通常只需要 SMS短信 服務來傳輸這些數據即可。圖 1 給出了 M2M 蜂窩連接的年預期增長率。

第四代移動通信目前尚未在物聯網領域成為主流。由于 LTE 的優先主要針對移動帶寬市場，因此，IoT 對 4G 技術的需求很小。此外，相較于 GSM 數據卡，典型的 LTE 數據卡的成本仍偏高，且 2G/3G 網絡的全球覆蓋率仍遙遙領先。然而，LTE 的某些方面正在不斷地增強該技術的吸引力。其中之一即全球覆蓋：根據 GSMA預測，4G LTE 網絡將在 2015 年末覆蓋超過三分之一的全球人口；至2020年，發達國家預期達到“完全”覆蓋。

在頻譜利用率、延遲和數據吞吐量等方面，LTE 具備額外的技術優勢。LTE 的長期可用性則是另一個考慮因素。第二代網絡已經運營了25年以上，即使其技術規范中引入了某些未來發展可能性，運營商還是有可能關閉這些網絡。因此，該領域正在尋找在成本、功耗和性能等方面比目前的 2G 解決方案更具競爭實力的 LTE 解決方案。

3GPP 組織在IoT方面的進展

3GPP 標準化委員會同樣認識到 IoT 市場對優化解決方案的需求，并對機器類通信做了特定的強化處理。例如，該委員會在 Rel. 10/11 中定義了相關功能，以防止移動網絡過載。

網絡運營商必須應對數千個設備試圖同時接入網絡的可能性。出現例如電網斷電后電力恢復等突發性事件時，可能出現這種情況。過載機制和信令流量減小等技術的引入正是為了處理這類事件的發生。許多 IoT 應用（例如傳感器網絡）很少發送數據，且更新速率無需精確到秒。這些設備可能通知網絡它們可以接受連接建立期間的較長延遲（延遲容忍接入）。

Rel.10 包含有一個流程。該流程允許網絡先拒絕這些設備的連接請求，并延遲到稍后的某個時間再處理這些設備（延長等待時間）。隨著 Rel.11 的推出，可以采用接入等級機制，對蜂窩網絡的接入進行控制。采用這種技術時，當且僅當網絡為某個設備分配了當前容許的某個等級，該設備才可以建立（至該網絡的）連接。網絡會發送一種位圖，即擴展訪問限制 (eab) 位圖，并通過該位圖識別允許接入的等級。

對于用來解決低數據流量、低功耗和低成本等需求的 IoT 設備來說，目前仍缺乏優化解決方案。該委員會在 Rel.12 中開始關注這些問題。人們很快會明白，對于各種應用，這類問題的解決不存在單一的簡單解決方案。

Rel. 10 和 11 中引入的這些流程可以確保 IoT 應用的運行可靠性和穩定性，以及蜂窩網絡中當前和今后的設備不會對移動寬帶服務產生危害性影響。

低成本、低功耗設備

例如集裝箱跟蹤、垃圾箱管理、智能電表、農用傳感器以及運動和人身健康跟蹤器等應用的需求呈現出極大的差異性。

因此，Rel.12 集中關注功耗更小的經濟型調制解調器。定義了省電模式(PSM，對于采用電池供電的設備來說，尤其重要)和新的 LTE 設備等級 0 - 其復雜性只有 LTE 1類 調制解調器的一半。其原則是犧牲某些功能，以減小硬件復雜性，從而實現低成本設計和高能效運行。

該 PSM 流程在數據鏈路中斷后或周期跟蹤區更新 (TAU) 過程結束后啟動（見圖 2）。設備會先進入空閑模式；此后，周期性地切換到接收模式，以接收消息（不連續接收）。因此，通過尋呼操作仍然可以訪問該設備。定時器 T3324 超時后，將進入省電模式。進入該模式后，設備應該保持在網絡注冊狀態而始終處于消息發送就緒狀態。

圖 2 PSM 和擴展 eDRX.

但是，接收器實際上被關機，故通過尋呼操作不能訪問到該設備。因此，PSM 適用于僅向網絡發送少量數據的傳感器網絡。該模式不適用于要求傳感器給出快速響應或者實時性高的應用。

使用了 PSM 的應用，必須容許這種行為特性，且其設計過程必須考慮空閑模式和節電模式最優定時器值的選擇。

LTE 等級 0 的引入，其最初意圖是顯著減小 IoT 市場中 LTE 調制解調器的成本。為此，通過將所支持的數據傳輸率下調至 1 Mbps 減小調制解調器的復雜性。這將處理器和存儲器容量等方面的需求降低至最小程度。制造商還可以棄用全雙式模式（即，同時接收和發送）和多天線設計。其結果是，這類設備不需要雙工濾波器。LTE 等級 0 是 Rel.13 中引入的 LTE M1等級 的一個過渡性階段。 Release 13.借助M1等級，推出了其它更多成本消減措施，尤其是減小上行和下行鏈路的帶寬、減小數據傳輸率和發射功率等。

與 LTE M1等級 同步推出了名為 NB-IoT 的新標準。該標準的需求模式包括極低功耗、極低成本、樓宇內增強型接收效果和利用極小數據流量支持大量設備。NB-IoT 的帶寬僅 180 kHz，可采用未用 LTE 帶內資源塊、 相鄰 LTE 載波（保護頻帶）之間的空閑頻譜或獨立頻譜（例如，未用 GSM 載波中的獨立頻譜）進行部署。

借助 NB-IoT，3GPP 創建了一種全新的蜂窩空中接口。該接口完全符合典型機器型通信的要求。表 1 簡要列出了符合不同 IoT 應用需求的不同 LTE 終端等級。

其它特點，例如，降低功耗等，也已經實現。借助 eDRX 擴展了連接模式或空閑模式中的時隙；

調制解調器可以進入接收模式以接收呼叫信息和系統狀態信息。DRX 定時器決定該操作的出現頻率。目前，空閑 DRX 定時器的最短時間間隔為 2.56 秒。對于預期每 15 分鐘才接收一次數據且延時要求較寬松的設備來說，該頻度已經高了。

PSM 和 eDRX 間的主要差別在于允許設備駐留在某種掉電模式的時間長度和至接收模式的切換流程。采用 PSM 模式的設備，必須先進入 Active 模式，以接收（數據），再在空閑模式駐留一段特定長度的時間。采用 eDRX 的設備可以駐留在空閑模式；無需任何信令，即可快速進入接收模式。

例如，某個設備可能期望收到來自服務器的、頻度極小的自發性消息（例如，每天一條），但應用要求在不超過 10 分鐘的時間內給出應答。如果該設備采用 PSM，則它必須至少以 10 分鐘的間隔時間執行離開 PSM 模式、完成一次 TAU，在空閑模式駐留一段短時間等操作。然而，若使用 eDRX，該設備僅需每 10 分鐘進入接收模式一次：這種方式的功耗更小；產生的信令開銷更低。對于每天僅發送一次數據、且在除此之外的其它時段無需進行通信的傳感器設備，PSM 的節電功能可能是最合適的。某些情況下，在連接模式、空閑模式和節電模式中組合運用例如 eDRX 等的多種節電功能可能更為明智。

值得指出的是，在 eMTC 和 NB-IoT 中引入了某些覆蓋增強功能，以覆蓋例如安裝在地窖中的智能電表等應用。其中的一個原理是冗余傳輸，例如，根據實際覆蓋條件在一段時間里重復發送同樣的數據。但是，多次發送相同數據顯然會占用更長時間，且最終影響總功耗。如圖 3 所示，設計所定義的一組參數會影響設備電池的使用壽命 - 某些場合下，這些參數取決于網絡配置或實際網絡條件。

圖 3 設備電池工作壽命的影響參數

端至端應用測試

基于應用的通信行為和參數的相關假設，從理論上計算電池的使用壽命是一個良好的起點。

但實際中的應用行為可能差異極大且其行為特性還可能隨著實際情況的改變而改變。例如，某個傳感器當且僅當達到某個閾值時才會報告其實際值。但是，只要傳感器的值大于該閾值，傳感器會不斷地給出周期性報告。一般情況下，端至端應用的整體性通信行為特性，包括通信觸發器（客戶端發起、服務器發起、周期性的）、延時要求、網絡配置、數據吞吐率或移動性要求等，都必須予以考慮（見圖 4）

圖 4 需要考慮的端至端因素。

PSM 和 eDRX 的特性呈現稍許差異，但可以幫助實現電池使用壽命方面的要求。設備和應用開發人員面臨的問題是：如何最高效地利用這些工具。這要求深入地理解功耗的全部影響因素并對其進行分析。首先要考慮設備上和服務器側運行的應用，且包括移動網絡的行為特性和IP 網絡的特性。

上述因素對諸如 RF性能、電池功耗、協議行為和應用性能等參數進行評估提供了參考。總體上，該工作首先要基于通信模型選擇不同功能和不同參數進行詳盡分析；且在良好受控的、仿真及實際的網絡條件下進行結果的驗證，驗證結果對指導該工作非常有用。它不僅檢測模型假設，而且還揭示非理想網絡條件的影響作用。還可對網絡不支持某個功能情形或使用不同定時器的情形進行檢驗。歸根到底，可以更好地理解整個應用的行為特性。

獨特的測試解決方案

對于端至端的應用，測試、檢驗和優化等方面的需求越來越多；且這些需求正在不斷超出純粹的 RF 測試和協議測試范疇。測試和測量設備制造商正在解決這類要求。例如，羅德和施瓦茨基于R&S CMW500/290 綜合無線測試平臺和 R&S CMWrun 遠程控制軟件工具提供了一種解決方案。

它允許在一個平臺上實現與不同參數相關的詳細測試結果；這些參數有例如移動信令流量、IP 數據流量或功耗。在實際網絡中，很難可靠地重現和測試端至端的應用需求。但是，該測試平臺可對無線通信系統和IP 數據吞吐量同時進行仿真、參數設置和分析。

采用程控工具CMWrun可以直接配置測試腳本，且使用者不需要儀表遠程控制方面的任何特定編程知識。對于參數配置和測試容限等工作，它還提供了全方位的靈活性。該解決方案的一個關鍵優勢在于： 用戶可直觀地對應用和來自信令或 IP 活動的通用事件標記進行組合和使用。

例如，在端至端應用測試中，同步的多條曲線可以顯示當前流量和 IP 數據吞吐量。分析期間，用來指示信令事件或 IP 狀態更新信息的同步事件標記會顯示在兩個圖上。這確保可以達到更高測試級別，以便用戶查看信令或 IP 事件對當前數據流和 IP 吞吐量的影響作用。這有助于理解應用參數之間的依賴關系以及如何優化這些參數。

首先用戶可以僅僅查看綜合通信行為，例如IP 連接數量、發送的消息，或者，通信和信令事件。下一步，它還可讓用戶查看不同活動狀態、eDRX 或 PSM 狀態下的功耗水平。進而，它還可用來幫助調節eDRX 或 PSM 的相關參數，甚至于調節應用特性。最后指出的是，它可以幫助完成同實際情況的不同場景進行分析。綜上，為了滿足例如電池使用壽命長達 10 年的苛刻型應用需求，端到（E2E）端應用測試技術正變得越來越重要。