NB-IoT 网络对功耗的真实影响：Otii实测 Thales 模组的注册与连接行为全解析

蜂窝式LPWAN（低功耗广域网）技术用于诸多优势，尤其是功耗方面表现突出。但和很多其他连接技术一样，从生态系统整体的角度来看，用户必须熟知物联网设备电池寿命的影响因素，并认识到潜在的权衡关系。本文将深入研究网络注册和覆盖（或缺失）及其对NB-IoT/ CatM设备能耗的影响。

明确应用场景

首先，请记住网络注册和覆盖的影响主要取决于两个方面：物联网设备的应用场景，以及设备运行的网络。

应当充分了解自己的应用。比如，如果是移动场景，是否有网络覆盖差或者使用漫游的可能性？这类情况会直接影响设备的活跃度及休眠频次。网络条件可能随时间动态变化，因此必须理解设备可能面临的最差网络状态。其次，基于设备选择的安全级别、通信协议和网络连接方式，功耗均表现不同。

不同的网络运营商使用不同的网络设置，这会导致设备可能难以充分发挥性能潜力。在某些场景下，设备甚至完全无法使用部分节能功能。

网络注册

通常，为了注册不同的网络，LPWAN模组提供很多不同的频段。因此，扫描所有可用网络会较为耗时。这为固定式物联网设备来说，情况非常理想，因为该类设备总是倾向使用同一频段，连接到同一网络的同一基站。但对于移动物联网设备，网络注册过程变得极为复杂且能耗很高。

本文使用Thales（泰雷兹）的NB-IoT Cinterion EXS82 模组来演示网络注册对能耗的影响。

在自动模式下，设备总是尝试首先注册到SIM卡中写入的”归属网络——HomePLMN（Public Land Mobile Network 公共移动网络）”。一旦扫描到的PLMN ID与HomePLMN匹配，扫描就会停止。然而，很多移动网络运营商提供有漫游功能的SIM卡，即便用户在国内（或者买卡的同一国家）也可以使用漫游功能。在该状态下，模组必须扫描所有频段和网络，并与 SIM 卡中列出的等效 PLMN 进行比对。当然，这会显著延迟首次连接网络的速度。在这种场景下，请看图表1，设备耗时1分23秒，期间电流消耗60mA。

为了解决这个问题，特别是对静态设备来说，可手动设置设备要注册的网络。图表2显示仅使用了9秒就首次成功连接网络，电流消耗减少超50%。而且，如果该设备尝试再次连接到已知基站时，比如从深度睡眠中唤醒后，重新附着时间更短，仅需4秒。请见图表3。

图表1：在漫游状态下PLMN扫描网络时，NB-IoT连接网络时的电流消耗

图表2：手动设置网络时，NB-IoT设备连接网络的电流消耗

图表3：当网络基站为已知时，NB-IoT连接网络时的电流消耗

除去手动选择网络之外，如果能尽量减少扫描频率带宽数量的话，还有其他优势。图表4中显示了两个移动网络下，连接不同数量的频段所需要的时间和能耗。

图表4

固定式物联网设备无疑将从中受益，但部分移动物联网设备同样适用。假设我们正在追踪阿姆斯特丹的共享单车。为了实现这一目标，需要每周开启一次设备以确认单车仍留在城市内。用户可以选择采用每周一次的PSM（省电模式）循环，或手动每周开启并关闭模组一次。两种方案均需扫描网络，因为最后连接的基站很可能已不再是当前基站。然而，由于设备移动性仍受限（与集装箱追踪器等相比），手动网络选择和频段限制仍可应用且具有优势。

覆盖范围

因此，频段限制和手动网络选择可加快网络连接速度并减少能耗。但若其中一辆自行车超出覆盖范围会怎样？

NB-IoT和Cat-M提供扩展覆盖范围，即设备在信号较弱的场景下会重复传输。当然，每次重复都会消耗能量。并且根据所用协议，设备可能需要请求更多数据包，导致额外重复。然而，如果上述方法均失败，许多模组供应商提供2G回退功能——例如Cinterion EXS82。要做到这一点，需要在应用程序中创建一个状态机。因此，如果设备无法从网络收到响应，它将启动2G回退。之后，一旦重新进入覆盖范围，它将切换回NB-IoT或Cat-M，并利用其中的节能模式。

需注意，如图5所示（Otii应用界面右上角的统计数据），切换至2G的功耗更高。2G的连接过程消耗2mWh，而NB-IoT仅消耗700uWh。因此，建议尽早切回NB-IoT或Cat-M。

图5

结语

综上所述，NB-IoT 或 Cat-M 网络中的网络注册和覆盖范围会对功耗产生重大影响。深入了解您的设备和使用场景是选择最低电流消耗路径的关键。请利用网络支持的节能模式。如果使用场景允许，可以手动选择网络并限制扫描的频段数量。如果设备处于无覆盖区域，网络可提供扩展覆盖功能。但需注意，这可能带来更高的能耗、需要备用技术或额外网络成本。