Cómo habilitar los modos de ahorro de energía de NB-IoT y Cat-M y el consumo de energía esperado

El aumento de la duración de la batería de los dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) es uno de los objetivos clave de las tecnologías de Red de Área Amplia de Baja Potencia (LPWAN). Por esa razón, las características de ahorro de energía son una parte esencial de las tecnologías celulares LPWAN, NB-IoT (Cat-NB1 & Cat-NB2) y Cat-M (LTE-M alias Cat M1). Pero, ¿cómo se utilizan y qué efecto sobre el consumo actual se puede observar?

En este artículo, el objetivo es responder a estas preguntas, examinando las definiciones de las características de ahorro de energía, los temporizadores y cómo se calculan, y los comandos que los habilitan. Todo esto va acompañado de la visualización del perfil de consumo actual para comprender el impacto en el consumo de energía.

Los modos de ahorro de energía de NB-IoT y Cat-M

Hay dos características esenciales de ahorro de energía para las tecnologías NB-IoT y Cat-M: Modo de ahorro de energía (PSM) y Recepción discontinua extendida (eDRX).

El PSM permite que el dispositivo establezca temporizadores de apagado y de activación que se reenvían a la red: Actualización periódica del área de seguimiento (TAU) (T3412) y Tiempo activo (T3324) (Figura 1). Si es aceptado por la red, ésta mantendrá el dispositivo registrado en el sistema durante el tiempo establecido y si el dispositivo se despierta durante este tiempo, no se necesita un procedimiento de reconexión (el procedimiento de desconexión y reconexión puede consumir mucha energía). Durante el intervalo de reposo, el dispositivo no está localizable pero la red sabe, gracias a los temporizadores, la próxima hora de activación del dispositivo y cuánto tiempo estará activo para recibir los mensajes de búsqueda. Es posible poner un dispositivo en modo de sueño profundo hasta 14 días.

eDRX está extendiendo el tiempo de la DRX regular que ya existe en las redes de LTE hoy en día. Permite un tiempo más prolongado para que el dispositivo no escuche la red durante la fase de tiempo activo. Para muchos dispositivos de IoT, ser inalcanzable durante varios segundos o más es aceptable. El consumo de energía se reduce, pero el dispositivo sigue siendo accesible en comparación con cuando se aplica el PSM. La contrapartida es que la disminución del consumo de energía no es tan grande como en el caso del PSM. eDRX puede ser configurado con temporizadores de duración del ciclo de paginación (PCL) y la ventana de tiempo de paginación (PTW) (Figura 1).

Los comandos para configurar los temporizadores PSM y eDRX en un módulo celular están definidos en la especificación técnica TS 27.007 del 3GPP, como sigue:

AT+CPSMS=[<mode>,,[, <RequestedPeriodicTAU>[, <RequestedActiveTime>]]]

AT+CEDRXS=[<mode>[, <AcT-type>[, <Requested_eDRX_value>]]]

PTW es la excepción. Este artículo introduce un comando para PTW creado por Thales y específico para los Módulos Cinterion® de Thales utilizados como dispositivos bajo prueba (DUT):

AT^SEDRXS=[<mode>[, <AcT-type>[, <Requested_eDRX_value>][, <Requested_Paging_time_window>]]]

Además, se introducirá el llamado Modo suspendido, otra característica de ahorro de energía específica de Thales para los módulos de Cinterion, para empujar aún más al módulo al estado de menor consumo de energía. Este comando solo se debe establecer una vez.

AT^SCFG="MEopMode/PowerMgmt/Suspend",1

Figura 1: Características de ahorro de energía, temporizadores PSM (Periodic TAU y Active Time) y temporizadores eDRX (PCL y PTW). (Fuente de la imagen: Thales)

El ajuste

Con el fin de visualizar los modos de baja potencia, se utilizaron dos conjuntos diferentes de módulos de Cinterion de Thales y el analizador de potencia Otii de Qoitech.

Para los temporizadores PSM se usó el DevKit ENS22-E de Thales, que viene ya soldado a un módulo solo de NB-IoT. Las mediciones se han hecho en red en vivo (roaming) en NB-IoT con una tarjeta SIM de MNO global.

Para los temporizadores eDRX, se usó el Cinterion® EMS31, módulo Cat-M solo en un LGA DevKit. Debido a la falta de red Cat-M en Alemania, donde se realizaron las pruebas, este módulo se conectó mediante una antena (no cableada) a un simulador de red Cat-M de Amarisoft.

El Otii de Qoitech es un analizador de potencia multifacético usado, en este caso, para tres propósitos:

• Para la visualización y el análisis del perfil de potencia
• Para el control de los módulos de radio (a través de los pines GPIO)
• Para la medición de la potencia y las sincronizaciones de registro UART (a través de los pines RX/TX y la red eléctrica)

El cableado se realizó conforme a la Tabla 1.

Figura 2: La configuración de la medición: Kit de desarrollo LGA Dev con módulo celular de Thales y Otii de Qoitech. (Fuente de la imagen: Thales)

Tabla 1: Conexiones de los pines para la configuración de la Figura 2.

Para la medición del PSM, el módulo Cinterion ENS22-E NB-IoT (rango 2.8 - 4.2 V) fue alimentado con 3.6 V (Figura 3) para que el resultado fuera comparable con los índices de consumo de corriente de la descripción de la interfaz de hardware del módulo. El nivel de voltaje digital para los GPOs necesita ser ajustado a 3 V (Figura 3).

Figura 3: Configuración del proyecto SUPPLY de Otii. (Fuente de la imagen: Thales)

VUSB = ...; +5 V - Este suministro es necesario para abastecer el LGA DevKit. ¡Anótese! No suministre alimentación adicional al DevKit vía USB.

Por consiguiente, los interruptores del DevKit en la parte inferior izquierda de la placa se ajustan a la izquierda PWR - EXT y a la izquierda ASC0 - RS232 (Figura 4).

Figura 4: Configuración de los interruptores DevKit. (Fuente de la imagen: Thales)

Según la configuración de la medición, se utilizó la línea de comando UART dentro de la aplicación Otii. Es necesario habilitarlo en los ajustes del proyecto Otii en la sección LOGS.

La interfaz en serie ASC0 (cableado RX0/TX0) por defecto funciona con una velocidad de 115200 baudios (Figura 5).

Figura 5: Configuración de LOGS del proyecto de Otii. (Fuente de la imagen: Thales)

¿Cómo se calculan los temporizadores PSM?

Para el PSM, el comando AT+CPSMS se utilizó para establecer el ciclo periódico solicitado TAU (T3412) y el tiempo activo solicitado (T3324). El valor debe introducirse en un formato binario de 8 bits, en el que los primeros 3 bits representan el multiplicador base de un número binario de 5 bits. Esto es como se especifica en el 3GPP y se puede encontrar en las especificaciones: TS 24.008 (Figura 6).

Figura 6: Cálculo del TAU periódico y del tiempo activo a partir de 3GPP TS 24.008. (Fuente de la imagen: Thales)

Como ejemplo de aplicación, el módulo estará configurado para enviar un mensaje de actualización del Área de seguimiento a la red cada 7 minutos. Esto significa que la TAU periódica se fijará en 7 min. o 420 segundos.

Durante 7 minutos se puede utilizar un multiplicador de 1 minuto (101) con un valor de 7 (00111) o un multiplicador de 30 segundos (100) y el valor binario 14 (01110) (Figura 6).

El Tiempo activo funciona en consecuencia, pero con diferentes valores base. Por ejemplo, un tiempo activo de 10 segundos tendría los valores de 000 como multiplicador de base de 2 segundos y 00101, que es igual a 5, resultando el comando ser:

at+cpsms=1,,,10001110,00000101

¿Cómo configurar los temporizadores PSM?

Después de habilitar la alimentación del Devkit (5 V, ver Figura 7) y la alimentación del módulo (3,6 V, ver Figura 7), el arranque se inicia encendiendo el GPO2 (Figura 7) durante unos 2 segundos y volviéndolo a apagar.

Figura 7: Interruptores de energía Otii. (Fuente de la imagen: Thales)

El módulo se pondrá en marcha y lo indicará con el siguiente URC (código de resultado no solicitado) en el registro de UART:

\sHI2115-ssb-codeloaderl\e\sHI2115-codeloader&\e

^SYSSTART

Ahora se pueden pasar los comandos al módulo para 1) habilitar el modo de suspensión, 2) habilitar la visualización del estado de registro, y 3) comprobar y configurar los temporizadores PSM:

1. Como se ha mencionado anteriormente, la función de ahorro de energía específica de Thales debe ser activada enviando un comando de configuración solo una vez. Este ajuste no es volátil y se mantendrá hasta que se cambie.

   at^scfg="MEOpMode/PowerMgmt/Suspend","1"

   ^SCFG: "MEOpMode/PowerMgmt/Suspend","1"

   OK

   +CIEV: suspendAvailable,1

   El módulo anunciará con un +CIEV URC que la funcionalidad de suspensión ya está disponible. En caso de que la suspensión ya estuviera activada, no habrá un URC disponible para la suspensión.

2. Después de enviar "at+cereg=5", el módulo informará al usuario con URC sobre los cambios de estado de registro del módulo. Este ajuste es volátil y tiene que ser repetido después de reiniciar. En caso de que el módulo ya esté registrado, podría responder solo con OK. En ese caso, el estado puede ser solicitado enviando "at+cereg?".

   Copia
   at+cereg=5
   OK
    
   at+cereg?
   +CEREG: 5,5,C9F9,00323333,9,,,00001111,10100111
             |   |    |      |      |        |_Periodic-TAU(T3412): 10m
             |   |    |      |      |__________Active-Time (T3324): 30s
             |   |    |      |_________________Act:E-UTRAN(NB-S1 mode)
             |   |    |________________________CI - cell ID
             |   |_____________________________TAC - Tracking Area Code
             |_________________________________stat:5 registered roaming
   

   En el ejemplo anterior, el módulo está registrado en modo itinerante y muestra los valores PSM actualmente configurados de la red (TAU cada 10 minutos con un tiempo activo de 30 segundos).

3. Ahora, los valores solicitados se pueden establecer con el comando "at+cpsms". Este comando hará que el módulo envíe un mensaje TAU (actualización del área de rastreo) a la red. En el mensaje de respuesta (aceptar la actualización del área de rastreo) de la red, el módulo recibirá los valores que deben ponerse en acción. En otras palabras, la red decide qué valores tomar. Esperemos que los valores sean los mismos que los solicitados, pero esto no está asegurado. Depende del proveedor de la red móvil y de si permite los valores solicitados o los anula con sus valores, a veces fijos.

Copiaat+cpsms=1,,,10001110,00000101
OK
 
at+cereg?
+CEREG: 5,5,C9F9,00323333,9,,,00001111,10010100
          |   |    |      |      |        |_Periodic-TAU(T3412):  7m
          |   |    |      |      |__________Active-Time (T3324): 30s
          |   |    |      |_________________Act:E-UTRAN(NB-S1 mode)
          |   |    |________________________CI - cell ID
          |   |_____________________________TAC - Tracking Area Code
          |_________________________________stat:5 registered roaming
 
+CIEV: suspendReady,0
 
+CIEV: suspendReady,1

El módulo indicará, con el URC suspendReady, cuando podrá entrar en el modo de suspensión. Tan pronto como se indique "suspendReady,1", es posible poner el módulo en modo de suspensión configurando RTS0, que es GPO1 (Figura 7), durante 5 segundos (5 segundos es el valor predeterminado y también se puede cambiar, véase el documento de especificaciones de los módulos).

¿Qué efecto tienen los temporizadores PSM en el consumo de energía?

Como medida de referencia, la figura 8 muestra el perfil actual del Cinterion ENS22-E NB-IoT en el modo por defecto, por lo que no se habilita ningún PSM, ningún eDRX ni el modo de suspensión.

Figura 8: Perfil de consumo de corriente para la medición de referencia sin modos de ahorro de energía habilitados. (Fuente de la imagen: Thales)

El consumo medio de corriente previsto en la zona marcada es de aproximadamente 16 mA.

Una vez que se activan los temporizadores PSM, en este caso el TAU periódico de 7 minutos y 10 segundos de tiempo activo, y la red los ha aceptado, el consumo de corriente disminuye a un promedio de 13 mA (Figura 9).

Tenga en cuenta que la red podría haber desestimado la solicitud de los temporizadores PSM y sugerido otros. Los diferentes OMR y las diferentes redes en general tienen conjuntos de temporizadores muy diferentes que permiten, por lo tanto esto debe ser entendido antes de desplegar los dispositivos de IoT.

Figura 9: Perfil de consumo de corriente cuando el PSM está activado. (Fuente de la imagen: Thales)

Si se establece el modo de suspensión, el módulo indicará que está listo para ir a suspender con un URC (Código de resultado no solicitado). Después de conmutar la señal RTS, en este caso ajustada a GPO1 (Figura 7) en el Otii, el módulo entra en modo de suspensión con un consumo medio de energía de aproximadamente 3 µA (Figura 10).

Figura 10: Perfil de consumo actual cuando el modo de suspensión está activado. (Fuente de la imagen: Thales)

¿Cómo se calculan los temporizadores eDRX?

Los valores de los temporizadores para configurar el eDRX se calculan en un enfoque directo. Hay temporizadores para cada tecnología de acceso a la radio, como se muestra en la tabla de la figura 11.

Figura 11: Definición de los temporizadores eDRX de 3GPP TS 24.008. (Fuente de la imagen: Thales)

¿Cómo configurar los temporizadores eDRX?

El efecto del uso de eDRX puede demostrarse con el módulo Cat-M del Cinterion EMS31 en un LGA DevKit. Este módulo LTE-M tiene un rango de alimentación de 3.2 - 5.5 V. El Otii lo alimentará con 3.8 V. El voltaje principal tiene que ser adaptado en la configuración del proyecto de la aplicación Otii (Figura 3).

Después del arranque del módulo, indicado por el ^SYSSTART URC, es necesario aumentar los temporizadores PSM para tener una fase activa más larga (5 min) para ver mejor el efecto eDRX [(set at+cpsms=1,,,00000110,00100101), disable eDRX (at+cedrxs=0) and enable the registration status display with at+cereg=4].

Copia
^SYSSTART
 
+CIEV: prov,1,sbmjp
 
at+cedrxs=0
OK
 
at+cpsms=1,,,00000110,00100101
OK
 
at+cereg=4
OK 

Para comprobar si eDRX fue desactivado como se solicitó, use el comando at+cedrxrdp que lee los parámetros dinámicos actuales de eDRX.

Copia
at+cedrxrdp
 
+CEDRXRDP: 0

Tan pronto como el módulo se registre en la red, se recibirá el URC correspondiente mostrando el estado de registro con un tiempo activo de 5 minutos.

Copia
+CEREG: 1,"0001","01A2D004",7,,,"00100101","00000110"
      |         |_TAU(T3412):  60min
                                   |_____Active-Time(T3324): 5min

Midiendo con la aplicación Otii, los picos continuos de oyentes de radio pueden verse cada 1,25 ms durante el tiempo activo, como se muestra en la figura 10, en el área alrededor del sello de tiempo de 1 min.

Ahora el comando para habilitar eDRX se envía ya sea usando el comando 3GPP at+cedrxs o usando el comando específico at^sedrxs de Thales. La desventaja del comando 3GPP es que no hay posibilidad de establecer la ventana de tiempo de paginación (PTW) que es posible con el comando AT dedicado implementado en el módulo Cinterion de Thales.

Según la tabla de la figura 10, el valor de eDRX en Cat-M se fijó en 20,48 segundos ("0010") con una ventana de tiempo de búsqueda de 5,12 segundos ("0011").

Copia
at^sedrxs=2,4,0010,0011
 
OK
 
+CEDRXP: 4,"0010","0010","0011"

El módulo informará al usuario sobre el cambio de valor de eDRX con +CEDRXP URC que muestra el valor de eDRX (PCL) solicitado de "0010", el que se fijó desde la red y tiene que ser utilizado también desde el módulo (2^nd "0010"), y el PTW ("0011").

El módulo necesita algún tiempo para adaptarse a los ciclos cambiados y finalmente mostrará el comportamiento del eDRX como se ve en la figura 12.

¿Qué efecto tienen los temporizadores eDRX en el consumo de energía?

Los temporizadores eDRX solo tienen efecto en la fase activa. Cuanto más corta es la fase activa configurada, más bajo es el efecto eDRX.

El eDRX es bueno para los dispositivos que necesitan ser accesibles desde la red durante un largo intervalo de tiempo o incluso todo el tiempo. Dentro de este tiempo, la parte receptora del dispositivo se habilitará solo para un intervalo de tiempo específico (PTW) que se repite cada ciclo de eDRX (PCL). Debido a los temporizadores establecidos, la red móvil sabe en qué plazos el dispositivo escuchará los mensajes de búsqueda y enviará un mensaje de búsqueda para este dispositivo sólo durante este plazo. Esto también ahorrará recursos en el lado de la red (eNodeB).

El valor predeterminado es PTW, configurado a 5 segundos sin eDRX habilitado (Figura 12). Una vez que se activa el eDRX, el consumo medio de corriente pasa de 3 a 2 mA.

Figura 12: Ventana de tiempo de búsqueda, ajustada a 5 seg. como referencia sin eDRX habilitado, y el mismo PWT pero con eDRX habilitado a la derecha, marcado. (Fuente de la imagen: Thales)

Resumen

Dependiendo del caso de uso del dispositivo IoT y de la tecnología de red disponible, se pueden utilizar diferentes características de ahorro de energía para prolongar la vida útil de la batería de un dispositivo.

Con el uso del PSM, es posible poner un dispositivo en un modo de sueño profundo hasta 14 días.

El dispositivo, según el intervalo establecido, se despertará periódicamente, se conectará a la red y tendrá la opción de enviar datos. Poco después del estado de conexión, el dispositivo estará activo pero inactivo y escuchará los datos entrantes durante el tiempo activo. Dentro de este tiempo activo, las ranuras donde el dispositivo habilita su receptor pueden ser configuradas usando eDRX.

Todos los ajustes se hacen en cooperación con la red. La red siempre sabe cuándo y cuánto tiempo un dispositivo es capaz de recibir datos.

Un dispositivo que funciona en Cat-M necesitará más energía que un dispositivo NB-IoT. Cuanto más tiempo duerma un dispositivo, más energía se puede ahorrar. Cuanto más corto y menos tiempo esté un dispositivo escuchando los datos entrantes, más optimizado será su consumo.

Por lo tanto, en el mejor de los casos, un dispositivo NB-IoT con un PSM máximo y un tiempo activo mínimo con un solo pico de escucha (PTW mínimo) es el enfoque más optimizado en cuanto a potencia.