蜂窩物聯網標準中（比如LTE-M和NB-IoT）提供了一系列節能特性，比如PSM（Power Saving Mode，省電模式）和eDRX（extended Discontinuous Reception，擴展不連續接收），專為降低電池供電設備的電流消耗而設計。通過合理配置，這些機制可極大延長野外物聯網設備的使用壽命。

但是也需要權衡：省電設置過于激進的話或可導致延遲增加，降低對下行信息的響應性。因此，理解這些模式的行為和對時序的影響對于產品開發極為關鍵。

LTE節能模式

為了評估并優化以上參數，開發人員必須能夠控制且實時觀察調制解調器（Modem）的行為。如Otii Arc和 Otii Ace等測量工具，允許用戶通過UART接口發送AT指令直接控制蜂窩調制解調器，同時測量電流消耗。這使得分析不同配置對能耗的影響并識別應用的最優設置變得更加簡單。在本文案例中，我們演示了具體操作過程。

測試設備選用了Nordic nRF9151-DK開發板，連接到Telia通信商在瑞典隆德市的蜂窩網絡。注意，省電功能的可用性和實際表現，會受到網絡運營商和本地基礎設施（如本地基站配置）等因素的影響。這可能會限制支持的選項或影響實際性能。

LTE-M和NB-IoT的低功耗模式

對于LTE的節能模式，簡述如下：

eDRX（擴展不連續接收）是LTE-M和NB-IoT的一種省電功能，首次由3GPP Release 13（2015年）引入。它允許設備長時間休眠、僅短時間內喚醒以檢查信息，從而降低能耗。原理就是使用預設“打盹”的方式進入待機狀態，因此，設備會關閉接收器不再持續監聽，同時通過增加延遲來保持一定的可觸達性。

PSM（電源節省模式，也稱省電模式）由3GPP Release 12 （2015年）引進，允許LTE物聯網設備在不完全斷開網絡連接的情況下進入深度睡眠。設備不需頻繁喚醒以檢查網絡頁面，可協商更久睡眠間隔。在此期間，射頻會完全關閉，僅在需要發送數據或預設時間后才會喚醒。同時，網絡會緩沖接收到的數據。

測量設置

如圖所示是如何連接Otii Ace 和 nRF9151-DK板（下圖中備注文字，是Otii Ace儀器的引腳名稱）：

移除連接 Ace+/- 的跳線。 在該設置中，Otii Ace的主通道會給nRF9151-DK板的VDD供電并測量，0-15V的引腳會給板子上其他部分供電。開發板也可通過USB電源供電，但如有需要，使用0-15V引腳可以實現對開發板的斷電重啟。

注意，如果選擇USB供電，切勿連接0-15V電源到5V引腳。

開始測量

我們使用Nordic的 AT Commands應用程序，具體操作步驟如下：

在電腦上下載nRF Connect桌面應用程序

點擊“Quick Start（快速開始）“

設置開發板名稱

挑選AT指令應用，并點擊”Program（編程）“

其他步驟對于此次測試不重要，可以跳過

斷開開發板上的USB數據線，本案例中只使用Otii Ace供電

注意： AT Commands僅將開發板作為一個調制解調器使用，且板載上已實現了最低功耗節能特性。本次案例僅聚焦在不同網絡節能特性的影響，所以被測設備不會進入深睡眠狀態，也就無需關注開發板的功耗。

nRF9151-DK開發板同時支持LTE-M和NB-IoT兩種模式。

使用Otii Ace Pro開始測量

在Otii桌面應用程序中，設置以下內容： 主電壓，3.0V和5.5V之間 過電流 1A 數字電壓1.8V 0-15V，設為5V（不要超過5.5V） 如果使用了0-15V引腳連接，切記不要使用USB連接。 啟用”主電流“、”主電壓“、”UART日志“ 等通道 設置波特率為115200

在nRF9151-DK開發板上測量PSM和eDRX模式

設置省電模式，并遵循以下步驟開始測量：

在Otii桌面應用程序里點擊開始錄制

在Otii桌面應用程序里打開電源

Nordic的nRF9151-DK開發板開始啟動。當它開始運行的時候，UART 日志窗口會顯示“Ready”表示已啟動完成。接著，開發板進入AT指令的模式，用戶可以通過Otii軟件上發送AT指令控制開發板。成功執行命令后，設備會響應“OK”。所有的AT指令詳見該頁面。

默認開發板開啟的時候，無線電處在關閉狀態。用戶可在Otii界面的UART日志上方TX data選項卡處，輸入AT指令并發送。下方日志窗口會實時顯示設備響應。

以下為使用 AT 命令配置 LTE-M的 eDRX 節能模式 時，在 Otii 應用中記錄的 AT 命令執行過程及對應功耗曲線示例。

測試可以手動進行，也可實現自動控制。由于本測試會涉及到很多配置操作，且自動測試會使得測試過程更加簡單，因此我們選擇自動測試。我們使用了Otii自動化工具箱以及在Qoitech Github網頁上下載的Python腳本。

配置操作包括如下內容：

• LTE-M，無省電模式
• LTE-M，開啟eDRX
• NB-IoT，無省電模式
• NB-IoT，開啟eDRX
• LTE-M， 開啟PSM
• NB-IoT， 開啟PSM
• LTE-M， 同時開啟eDRX和PSM
• NB-IoT，同時開啟eDRX和PSM

每種配置的測試時長達4小時，累計錄制32小時的數據。測試時長可根據對比的數據量需求進行調整，但本設置在測試深度和整體測試時間取得了良好的平衡。

測試PSM模式更具有挑戰性，因為它依賴于網絡運營商支持的參數。此次使用的網絡來自瑞典隆德本地運營商Telia，支持的最小PSM間隔為1小時。部分網絡也會同時支持PSM和eDRX，Telia網絡正是如此。

測試結果

目標是演示如何快速分析不同節能配置的能耗影響，以及確定最佳設置。以下是基于本次測試數據的結果：請注意：某些客觀條件獲客影響測試結果。

測試均在實際網絡環境（Telia 瑞典隆德）下進行，網絡行為存在不可控因素。

測試過程中未進行數據傳輸，nRF9151-DK 僅作為蜂窩調制解調器使用。實際電流消耗將根據數據量與傳輸頻率不同而變化。

省電模式會影響調制解調器的行為。如果需要持續接收消息，長睡眠周期可能不合適，需要在功耗、響應速度與可達性間取得平衡。

測試期間未將 nRF9151-DK 配置為最低功耗模式，使用時處于出廠狀態，導致休眠期電流略高于實際產品部署時的水平。本次測試最低休眠電流約為 590 μA。

LTE-M模式的功耗表現

在錄制曲線的右上角，可看到不同LTE-M配置（無論是否開啟省電模式）下的一小時內平均電流消耗數據。

啟用 eDRX 后，平均電流由約1.15mA降至約710μA。

開啟 PSM 后，電流進一步降至約630μA。

eDRX 與 PSM 同時啟用后，最低測得電流約623μA。可能由于固件并未完全針對超低功耗優化，因此對比單獨 PSM 的提升幅度有限。

NB-IoT模式的功耗表現

為觀察啟用省電模式的逐步影響，我們對NB-IoT的不同配置也進行了類似的對比。

開啟 eDRX 后，平均電流從約1.36mA降至950μA。

開啟 PSM 后，電流進一步降低至約640μA。

eDRX 與 PSM 同時啟用后，反而略有升高至約660μA。放大觀察第二次與第三次的調制解調器的喚醒周期，可明顯看到該變化。

本案例并未深入分析此現象原因，而是繼續原定方向研究。同時開啟 PSM 與 eDRX 模式時，設備會先進入 eDRX 模式，周期性喚醒檢查下行消息（見下圖）。待 T3324 活動定時器 超時后，設備轉入 PSM 深度睡眠狀態。在該狀態下設備不可被網絡訪問，但保持注冊。該狀態會一直保持到T3412 周期性TAU 定時器超時或設備需要主動發起數據傳輸。

這種組合模式可在下行可達性與實現最低功耗之間取得平衡。但并非所有網絡都支持兩者同時使用。且配置不當（如 eDRX 周期過頻繁）會導致功耗升高，因此必須在具體的網絡環境中反復測試與驗證。

結語：測試并平衡LTE-M和NB-IOT的低功耗模式

選擇合適的省電模式完全取決于應用場景。像表計或追蹤器等低頻數據傳輸、且無需下行鏈路訪問的設備，最適合PSM模式，因為可設置最低功耗。像報警器或者可穿戴設備需要時不時接收下行信息的設備，更適合eDRX。兩者結合時，eDRX能夠保證設備在進入深度PSM睡眠前保持可觸達性，但如果調優不當，反而可能增加功耗。所以，測試應保證在真實網絡條件下進行，以實現電池壽命和響應性之間的平衡。

為精細調整PSM 和 eDRX 等省電功能，開發人員必須實時監控調制解調器的行為。為實現這一點，Otii Arc 和 Otii Ace能夠通過在UART上啟用AT指令控制并同時測量電流消耗。當自動化此類測試時，該設置可輕松分析不同配置的能耗影響，并識別出適用于特定應用的最佳設置。

審核編輯 黃宇