NB-IoT 및 Cat-M이 절전 모드를 사용하는 방법과 예상 에너지 소비

사물 인터넷(IoT) 장치의 배터리 수명 증가는 저전력 광역 네트워크(LPWAN) 기술의 주요 목표 중 하나입니다. 따라서 절전 기능은 셀룰러 LPWAN 기술, NB-IoT(Cat-NB1 및 Cat-NB2) 및 Cat-M(LTE-M(Cat M1이라고도 함))의 필수 요소입니다. 하지만 절전 기능이 어떻게 사용되고 전류 소비에 어떤 영향을 미칠 수 있다고 생각하십니까?

이 기사의 목적은 절전 기능의 정의, 타이머, 절전 기능을 계산하는 방법, 절전 기능을 사용하는 명령 등을 조사하여 이러한 질문에 답변하는 것입니다. 모든 과정은 전류 소비 프로파일을 시각화하여 에너지 소비에 미치는 영향을 파악하는 방식으로 수행됩니다.

NB-IoT 및 Cat-M의 절전 모드

NB-IoT 및 Cat-M 기술에 필수적인 두 가지 절전 기능은 절전 모드(PSM)와 확장된 불연속 수신(eDRX)입니다.

PSM을 활성화하면 장치에서 네트워크에 전달되는 절전 및 활성 타이머, 즉 주기적 추적 영역 업데이트(TAU)(T3412)와 활성 시간(T3324)을 설정할 수 있습니다(그림 1). 네트워크에서 허용되는 경우 시스템에 등록된 장치가 설정된 시간 동안 유지되고 이 시간 동안 장치가 절전 해제될 경우 재연결 절차가 필요하지 않습니다. 분리 후 다시 연결하는 과정에서 많은 에너지를 소비할 수 있습니다. 절전 간격 중에는 장치에 다시 연결할 수 없습니다. 그러나 타이머로 인해 장치의 다음 절전 해제 시간과 페이징 메시지를 수신하기 위해 어느 정도의 시간 동안 활성화되는지 네트워크에서는 알 수 있습니다. 장치는 최대 14일 동안 중간 절전 모드로 설정할 수 있습니다.

eDRX는 현재 LTE 네트워크에 이미 있는 정규 DRX의 시간을 연장합니다. 연장된 시간 동안 장치에서는 활성 단계에서 네트워크를 수신하지 않도록 허용합니다. 많은 IoT 장치에서 연결 불가 상태가 몇 초 정도 이어져도 문제가 없습니다. PSM이 적용되는 경우에 비해 전력 소비는 감소하지만 여전히 장치에 연결할 수 있습니다. 전력 소비 감소가 PSM 만큼 크지 않다는 트레이드 오프가 있습니다. PCL(Paging Cycle Length) 및 PTW(Page Time Window) 타이머를 사용하여 eDRX를 구성할 수 있습니다(그림 1).

셀룰러 모듈에서 PSM 타이머와 eDRX 타이머를 모두 설정하는 명령은 3GPP 기술 사양 TS 27.007에 다음과 같이 정의되어 있습니다.

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

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

PTW는 예외입니다. 본 기사에서는 Thales에서 생성되고 테스트 중인 장치(DUT)로 사용되는 Thales Cinterion® 모듈에 특정한 PTW용 명령을 소개합니다.

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

또한 Cinterion 모듈을 위한 다른 Thales 특정 절전 기능으로, 모듈을 최소 에너지 소비 상태로 전환하기 위한 일시 정지 모드를 소개합니다. 이 명령은 한 번만 설정해야 합니다.

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

그림 1: 절전 기능, PSM 타이머(주기적 TAU 및 활성 시간) 및 eDRX 타이머(PCL 및 PTW) (이미지 출처: Thales)

설정

저전력 모드를 시각화하기 위해 Thales의 두 Cinterion 모듈을 Qoitech의 Otii 전력 분석기와 함께 사용했습니다.

PSM 타이머의 경우 NB-IoT 전용 모듈에 미리 납땜되어 있는 Thales DevKit ENS22-E를 사용했습니다. 글로벌 MNO SIM 카드가 탑재된 NB-IoT에서 라이브 네트워크(로밍)를 통해 측정을 수행했습니다.

eDRX 타이머의 경우, LGA DevKit의 Cat-M 전용 모듈인 Cinterion® EMS31을 사용했습니다. 테스트를 수행한 독일에서 Cat-M 네트워크가 부족하여 안테나(유선 아님)를 통해 이 모듈을 Amarisoft Cat-M 네트워크 시뮬레이터에 연결했습니다.

Qoitech의 Otii는 다면적 전력 분석기이며, 이 경우 다음과 같은 세 가지 목적으로 사용되었습니다.

• 시각화 및 전력 프로파일 분석
• GPIO 핀을 통해 무선 통신 모듈 제어
• RX/TX 핀과 주 전원을 통해 전력 측정 및 UART 로그 동기화

표 1에 따라 케이블을 연결했습니다.

그림 2: 측정 설정: Thales의 셀룰러 모듈과 Qoitech의 Otii를 포함하는 LGA 개발 키트 (이미지 출처: Thales)

표 1: 그림 2 설정에 대한 핀 연결

PSM 측정에서는 모듈 하드웨어 인터페이스 설명의 전류 소비 등급과 결과를 비교할 수 있도록 Cinterion ENS22-E NB-IoT 모듈(범위 2.8V ~ 4.2V)을 3.6V(그림 3)로 구동했습니다. GPO에 대한 디지털 전압 레벨을 3V로 설정해야 합니다(그림 3).

그림 3: Otii의 프로젝트 SUPPLY 설정 (이미지 출처: Thales)

VUSB => +5V - 이 공급 장치는 LGA DevKit를 공급하는 데 필요합니다. 유의하십시오! USB를 통해 DevKit를 추가로 구동하지 마십시오.

따라서 기판의 왼쪽 하단에 있는 DevKit 스위치를 왼쪽 PWR – EXT 및 왼쪽 ASC0 – RS232로 설정합니다(그림 4).

그림 4: DevKit 스위치 설정 (이미지 출처: Thales)

측정 설정에 따라 Otii 응용 제품 내 UART 명령줄을 사용했습니다. LOGS 섹션의 Otii 프로젝트 설정에서 명령줄을 사용해야 합니다.

기본적으로 직렬 인터페이스 ASC0(RX0/TX0 배선)은 115200 보드 속도로 작동합니다(그림 5).

그림 5: Otii의 프로젝트 LOGS 설정 (이미지 출처: Thales)

PSM 타이머를 계산하는 방법

PSM의 경우 AT+CPSMS 명령을 사용하여 요청된 주기적 TAU(T3412) 주기와 요청된 활성 시간(T3324)을 설정했습니다. 값을 8비트 이진 형식으로 입력해야 합니다. 여기서 처음 3비트는 5비트 이진수의 기본 배율기를 나타냅니다. 이 값은 3GPP에서 지정되며 사양(TS 24.008)에서 확인할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 3GPP TS 24.008에서 주기적 TAU 및 활성 시간 계산 (이미지 출처: Thales)

응용 분야에서 예를 들어 7분마다 추적 영역 업데이트 메시지를 네트워크에 전송하도록 모듈을 구성합니다. 그러면 주기적 TAU가 7분 또는 420초로 설정됩니다.

7분의 경우 배율기 1분(101)과 값 7(00111)을 사용하거나 배율기 30초(100)와 이진 값 14(01110)를 사용할 수 있습니다(그림 6).

활성 시간은 그에 따라 작동하지만 기본값은 다릅니다. 예를 들어 10초 활성 시간의 경우 값 000은 2초 기본 배율기를 나타내고 00101은 5를 나타냅니다. 따라서 명령은 다음과 같습니다.

at+cpsms=1,,,10001110,00000101

PSM 타이머를 설정하는 방법

Devkit에 대한 전력(5V, 그림 7 참조)과 모듈 전력(3.6V, 그림 7 참조)을 활성화한 후 GPO2(그림 7)를 약 2초 동안 켰다가 끄면 시작됩니다.

그림 7: Otii 전력 스위치 (이미지 출처: Thales)

모듈이 시작되고 이 값이 UART 로그에 다음 URC(Unsolicited Result Code)로 표시됩니다.

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

^SYSSTART

이제 AT 명령을 모듈에 전달하여 1) 일시 정지 모드를 활성화하고, 2) 등록 상태 표시를 활성화하고, 3) PSM 타이머를 확인한 후 설정합니다.

1. 앞서 언급한 대로 구성 명령을 한 번만 전송하여 Thales 특정 절전 기능을 활성화해야 합니다. 이 설정은 비휘발성이므로 변경할 때까지 유지됩니다.

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

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

   OK

   +CIEV: suspendAvailable,1

   모듈은 +CIEV URC로 발표되며 일시 정지 기능은 현재 사용 가능합니다. 일시 정지를 이미 활성화한 경우 suspendAvailable URC가 없습니다.

2. "at+cereg=5"를 전송한 후 모듈에서 URC를 사용하여 사용자에게 모듈의 등록 상태 변경 사항을 알립니다. 이 설정은 휘발성이므로 다시 시작한 후 반복해야 합니다. 모듈을 이미 등록한 경우 확인으로만 답변할 수 있습니다. 이 경우 "at+cereg?"를 전송하여 상태를 요청할 수 있습니다.

   복사
   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
   

   위의 예에서 모듈은 로밍 모드로 등록되고 네트워크의 현재 구성된 PSM 값을 표시합니다(30초 활성 시간에 10분마다 TAU).

3. 이제 "at+cpsms" 명령을 사용하여 요청된 값을 설정할 수 있습니다. 이 명령은 TAU(Tracking Area Update) 메시지를 네트워크에 보내도록 모듈을 트리거합니다. 네트워크의 회신 메시지(추적 영역 업데이트 수락)에서 모듈은 작업 중에 입력해야 하는 값을 수신합니다. 다시 말해서 네트워크에서 사용할 값을 결정합니다. 값이 요청된 것과 동일하면 좋지만 보장할 수 없습니다. 값은 모바일 네트워크 제공업체에 따라 다르며 제공업체에서 요청된 값을 허용하는지 고정된 값으로 재정의하는지 여부에 따라 달라집니다.

복사at+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

모듈에서는 일시 정지 모드로 전환할 수 없는 경우 suspendReady URC를 사용하여 나타냅니다. "suspendReady,1"이 표시되는 경우 RTS0을 GPO1(그림 7)로 설정하여 모듈을 5초 동안 일시 정지 모드로 전환할 수 있습니다. 여기서 5초는 기본값이며 변경할 수 있습니다(모듈의 AT 사양 문서 참조).

PSM 타이머가 에너지 소비에 미치는 영향

레퍼런스 측정으로 그림 8은 PSM, eDRX 및 일시 정지 모드가 활성화되지 않은 기본 모드에서 Cinterion ENS22-E NB-IoT의 전류 프로파일을 보여줍니다.

그림 8: 절전 모드가 활성화되지 않은 참조 측정에 대한 전류 소비 프로파일 (이미지 출처: Thales)

표시된 영역의 예상 평균 전류 소비는 약 16mA입니다.

PSM 타이머가 활성화되고(이 경우 주기적 TAU: 7분, 활성 시간: 10초) 네트워크에서 PSM 타이머를 수락한 경우 전류 소비가 평균 13mA로 감소합니다(그림 9).

네트워크에서 PSM 타이머에 대한 요청을 무시하고 다른 타이머를 제안할 수 있습니다. 일반적으로 MNO와 네트워크가 다르면 허용되는 타이머 집합도 다르므로 IoT 장치를 배포하기 전에 미리 확인해야 합니다.

그림 9: PSM을 활성화한 경우의 전류 소비 프로파일 (이미지 출처: Thales)

일시 정지 모드를 설정한 경우 URC(Unsolicited Result Code)를 사용하여 일시 정지 모드로 전환할 준비가 되었다는 메시지가 표시됩니다. Otii에서 RTS 신호를 토글한 후(이 경우 GPO1(그림 7)으로 설정됨) 모듈은 평균 전력 소비가 약 3µA인 일시 정지 모드로 전환됩니다(그림 10).

그림 10: 일시 정지 모드를 활성화한 경우의 전류 소비 프로파일 (이미지 출처: Thales)

eDRX 타이머를 계산하는 방법

eDRX를 설정하기 위한 타이머 값은 간단하게 계산됩니다. 그림 11의 표와 같이 각 무선 통신 액세스 기술에 대한 타이머가 있습니다.

그림 11: 3GPP TS 24.008의 eDRX 타이머 정의 (이미지 출처: Thales)

eDRX 타이머를 설정하는 방법

Cinterion EMS31 Cat-M 전용 모듈을 사용하여 eDRX 사용이 LGA DevKit에 미치는 영향을 검증할 수 있습니다. 이 LTE-M 모듈의 전력 공급 범위는 3.2V ~ 5.5V입니다. Otii에서는 이 모듈에 3.8V 전력을 공급합니다. Otii 응용 제품의 프로젝트 설정에서 기본 전압을 조정해야 합니다(그림 3).

모듈을 시작한 후 ^SYSSTART URC에 의해 표시되는 eDRX 효과를 보다 쉽게 확인하려면 PSM 타이머의 활성 단계를 더 길게(5분) 늘려야 합니다[(set at+cpsms=1,,,00000110,00100101), eDRX 비활성화(at+cedrxs=0), at+cereg=4를 통해 등록 상태 표시 활성화].

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

eDRX가 요청한 대로 비활성화되었는지 확인하려면 현재 동적 eDRX 파라미터를 읽는 at+cedrxrdp 명령을 사용합니다.

복사
at+cedrxrdp
 
+CEDRXRDP: 0

모듈이 네트워크에 등록되면 활성 시간이 5분인 등록 상태를 보여주는 관련 URC가 수신됩니다.

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

Otii 응용 제품으로 측정할 경우 그림 10에 표시된 대로 활성 시간 동안 지속 무선 통신 수신기 피크가 1분 시간 스탬프 주위 영역에 1.25ms마다 표시될 수 있습니다.

이제 3GPP 명령 at+cedrxs를 활성화하거나 Thales 특정 명령 at^sedrxs를 사용하여 eDRX 활성화 명령이 전송됩니다. 3GPP 명령의 단점은 Thales Cinterion 모듈에서 구현되는 전용 AT 명령에서는 가능한 페이징 기간(PTW) 설정이 불가능하다는 것입니다.

그림 10의 표에 따라 Cat-M의 eDRX 값은 20.48초("0010")로 설정되고 페이징 기간은 5.12초("0011")로 설정되었습니다.

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

모듈에서는 요청된 eDRX(PCL) 값 "0010"(네트워크에서 설정되고 모듈에서 사용되어야 함, 두 번째 "0010")과 PTW(“0011”)를 보여주는 +CEDRXP URC를 사용하여 eDRX 값 변경을 사용자에게 알립니다.

모듈에서 변경된 주기에 맞게 조정한 후 그림 12에 표시된 대로 eDRX 동작을 보여줍니다.

eDRX 타이머가 에너지 소비에 미치는 영향

eDRX 타이머는 활성 단계에만 영향을 줍니다. 활성 단계가 짧을수록 eDRX 효과가 작습니다.

eDRX는 네트워크에서 긴 시간 간격 동안 또는 전체 기간 동안 연결할 수 있어야 하는 장치에 적합합니다. 이 시간 내에 장치의 수신기 부품은 eDRX(PCL) 주기마다 반복되는 특정 시간 간격(PTW) 동안만 활성화됩니다. 타이머 설정으로 인해 모바일 네트워크는 장치에서 페이징을 수신하는 기간을 파악하고 이 기간 동안만 이 장치에 대한 페이징을 전송합니다. 따라서 네트워크(eNodeB) 측에서 리소스가 절약됩니다.

기본값은 PTW이며 eDRX를 활성화하지 않은 상태에서 5초로 설정됩니다(그림 12). eDRX가 활성화되면 평균 전류 소비가 3mA에서 2mA로 감소합니다.

그림 12: eDRX를 활성화하지 않은 상태에서 5초(참조용)로 설정된 페이징 기간: 오른쪽에는 eDRX가 활성화된 상태의 동일한 PWT가 표시됩니다. (이미지 출처: Thales)

요약

IoT 장치의 사용 사례와 사용 가능한 네트워크 기술에 따라 다른 절전 기능을 사용하여 장치의 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.

PSM을 사용하면 최대 14일 동안 장치를 중간 절전 모드로 설정할 수 있습니다.

설정된 간격에 따라 장치가 주기적으로 절전 해제되어 네트워크에 연결하고 데이터를 전송할 수 있습니다. 연결된 상태로 전환된 직후에 장치가 활성화되지만 유휴 상태로 유지되다가 활성 시간 동안 들어오는 데이터를 수신합니다. 이 활성 시간 내에 eDRX를 사용하여 장치에서 수신기를 활성화하는 슬롯을 구성할 수 있습니다.

모든 설정은 네트워크와 협력하여 수행됩니다. 네트워크에서는 장치에서 데이터를 수신할 수 있는 시간 및 기간을 항상 알고 있습니다.

Cat-M에서 작동하는 장치는 NB-IoT 장치보다 더 많은 전력이 필요합니다. 장치가 절전 상태로 유지되는 시간이 길수록 더 많은 에너지를 절약할 수 있습니다. 장치가 들어오는 데이터를 수신하는 시간이 짧고 시간 슬롯이 적을수록 에너지 소비가 더 최적화됩니다.

따라서 NB-IoT 장치에서 수신 피크가 하나만 있고(최소 PTW) 최대 PSM과 최소 활성 시간을 적용하는 것이 전력에 가장 최적화된 방식입니다.