Comment activer les modes d'économie d'énergie associés aux technologies NB-IoT et Cat-M, et consommation d'énergie attendue

L'augmentation de la durée de vie des batteries dans les dispositifs Internet des objets (IoT) est l'un des principaux objectifs des technologies de réseau étendu basse consommation (LPWAN). C'est pourquoi les fonctions d'économie d'énergie constituent une partie essentielle des technologies cellulaires LPWAN, NB-IoT (Cat-NB1 et Cat-NB2) et Cat-M (LTE-M ou Cat M1). Mais comment sont-elles utilisées et quel effet peut-on observer sur la consommation ?

L'objectif de cet article est de répondre à ces questions, en étudiant les définitions des fonctionnalités d'économie d'énergie, les temporisateurs et leur calcul, et les commandes qui les activent. Cette étude s'accompagne de la visualisation du profil de consommation actuel pour comprendre l'impact sur la consommation d'énergie.

Modes d'économie d'énergie de NB-IoT et Cat-M

Les technologies NB-IoT et Cat-M présentent deux caractéristiques essentielles d'économie d'énergie : le mode d'économie d'énergie (Power Saving Mode, PSM) et la réception discontinue étendue (Extended Discontinuous Reception, eDRX).

Le mode PSM permet au dispositif de définir des temporisateurs de veille et actifs qui sont transmis au réseau : mise à jour de zone de suivi (TAU) périodique (T3412) et temps actif (T3324) (Figure 1). S'il est accepté par le réseau, le réseau conservera le dispositif enregistré dans le système pendant le temps défini et si le dispositif s'active durant cette période, aucune procédure de rattachement n'est requise (la procédure de détachement et de rattachement peut consommer beaucoup d'énergie). Pendant l'intervalle de veille, le dispositif n'est pas joignable mais le réseau connaît, grâce aux temporisateurs, l'heure de la prochaine activation du dispositif et la durée de la période d'activité pour recevoir des messages de paging. Il est possible de mettre un dispositif en mode de veille profonde pendant jusqu'à 14 jours.

L'eDRX étend la durée de réception discontinue (DRX) standard qui existe déjà aujourd'hui dans les réseaux LTE. Elle permet au dispositif de ne pas écouter le réseau pendant la phase de temps actif. Pour de nombreux dispositifs IoT, il est acceptable d'être inaccessible pendant plusieurs secondes ou plus. La consommation électrique est réduite, mais le dispositif reste accessible par rapport à l'utilisation du mode PSM. Le compromis est que la réduction de la consommation d'énergie n'est pas aussi importante que pour le mode PSM. La réception eDRX peut être configurée avec des temporisateurs Paging Cycle Length (PCL) et Page Time Window (PTW) (Figure 1).

Les commandes permettant de configurer les temporisateurs PSM et eDRX sur un module cellulaire sont définies dans la spécification technique 3GPP TS 27.007, comme suit :

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

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

PTW est l'exception. Cet article présente une commande pour PTW créée par Thales et spécifique aux modules Cinterion® de Thales utilisés comme dispositifs sous test (DUT) :

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

De plus, le mode de suspension (Suspend) sera introduit, une autre fonction d'économie d'énergie spécifique à Thales pour les modules Cinterion, afin de pousser le module dans son état de consommation énergétique le plus bas. Cette commande ne doit être définie qu'une seule fois.

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

Figure 1 : Fonctions d'économie d'énergie, temporisateurs PSM (TAU périodique et temps actif) et temporisateurs eDRX (PCL et PTW). (Source de l'image : Thales)

Configuration

Afin de visualiser les modes basse consommation, deux ensembles différents de modules Cinterion de Thales ont été utilisés ainsi que l'analyseur de puissance Otii de Qoitech.

Pour les temporisateurs PSM, le DevKit ENS22-E de Thales a été utilisé, déjà soudé à un module NB-IoT uniquement. Les mesures ont été effectuées sur le réseau en direct (roaming) dans NB-IoT avec une carte SIM MNO globale.

Pour les temporisateurs eDRX, le module Cinterion® EMS31, Cat-M uniquement, sur un DevKit LGA a été utilisé. En l'absence de réseau Cat-M en Allemagne, où les tests ont été effectués, ce module a été connecté via une antenne (non câblée) à un simulateur réseau Amarisoft Cat-M.

L'Otii de Qoitech est un analyseur de puissance multi-facettes utilisé, dans ce cas, à trois fins :

• Pour la visualisation et l'analyse du profil de puissance
• Pour la commande des modules radio (via les broches GPIO)
• Pour la mesure de puissance et la synchronisation des journaux UART (via les broches RX/TX et le secteur)

Le câblage était conforme au Tableau 1.

Figure 2 : Le dispositif de mesure : kit de développement LGA avec module cellulaire de Thales et Otii de Qoitech. (Source de l'image : Thales)

Tableau 1 : Connexions des broches pour la configuration de la Figure 2.

Pour la mesure PSM, le module Cinterion ENS22-E NB-IoT (plage de 2,8 V - 4,2 V) a été alimenté avec 3,6 V (Figure 3) pour rendre le résultat comparable aux valeurs de consommation de courant indiquées dans la description de l'interface matérielle du module. Le niveau de tension numérique pour les GPO doit être fixé à 3 V (Figure 3).

Figure 3 : Configuration SUPPLY du projet Otii. (Source de l'image : Thales)

VUSB => +5 V - Cette alimentation est requise pour alimenter le DevKit LGA. Attention ! N'alimentez pas le DevKit en plus via USB.

En conséquence, les commutateurs DevKit en bas à gauche de la carte sont définis sur PWR – EXT à gauche et sur ASC0 – RS232 à gauche (Figure 4).

Figure 4 : Configuration des commutateurs DevKit. (Source de l'image : Thales)

Conformément à la configuration de mesure, la ligne de commande UART dans l'application Otii a été utilisée. Elle doit être activée dans les paramètres du projet Otii dans la section LOGS.

L'interface série ASC0 (câblage RX0/TX0) fonctionne par défaut avec un débit de 115 200 bauds (Figure 5).

Figure 5 : Configuration LOGS du projet Otii. (Source de l'image : Thales)

Comment calculer les temporisateurs PSM ?

Pour le mode PSM, la commande AT+CPSMS a été utilisée pour définir le cycle TAU périodique (T3412) requis et le temps actif demandé (T3324). La valeur doit être saisie dans un format binaire 8 bits où les 3 premiers bits représentent le multiplicateur de base d'un nombre binaire 5 bits. Cela est tel que spécifié par le 3GPP et peut être trouvé dans la spécification : TS 24.008 (Figure 6).

Figure 6 : Calcul de la valeur TAU périodique et du temps actif du 3GPP TS 24.008. (Source de l'image : Thales)

À titre d'exemple d'application, le module sera configuré pour envoyer au réseau un message de mise à jour de la zone de suivi toutes les 7 minutes. Cela signifie que la valeur TAU périodique sera définie sur 7 minutes ou 420 secondes.

Pendant 7 minutes, on peut utiliser un multiplicateur de 1 minute (101) avec une valeur de 7 (00111) ou un multiplicateur de 30 secondes (100) et la valeur binaire 14 (01110) (Figure 6).

Le temps actif fonctionne en conséquence, mais avec des valeurs de base différentes. Par exemple, un temps actif de 10 secondes aurait les valeurs de 000 comme multiplicateur de base de 2 secondes et de 00101, qui est égal à 5, ce qui donne la commande :

at+cpsms=1,,,10001110,00000101

Comment définir les temporisateurs PSM ?

Après avoir activé l'alimentation du DevKit (5 V, voir Figure 7) et l'alimentation du module (3,6 V, voir Figure 7), le démarrage est initié en allumant GPO2 (Figure 7) pendant environ 2 secondes et en l'éteignant à nouveau.

Figure 7 : Commutateurs Otii. (Source de l'image : Thales)

Le module démarrera et l'indiquera avec le code URC (Unsolicited Result Code) suivant dans le journal UART :

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

^SYSSTART

Il est maintenant possible de passer des commandes at au module pour 1) activer le mode de suspension, 2) activer l'affichage de l'état d'enregistrement et 3) vérifier et définir les temporisateurs PSM :

1. Comme mentionné précédemment, la fonction d'économie d'énergie spécifique de Thales doit être activée en envoyant une commande de configuration une seule fois. Ce paramètre est non volatil et restera en vigueur jusqu'à ce qu'il soit modifié.

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

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

   OK

   +CIEV: suspendAvailable,1

   Le module annoncera avec un code URC +CIEV que la fonctionnalité de suspension est maintenant disponible. Dans le cas où la suspension est déjà activée, il n'y aura pas de code URC suspendAvailable.

2. Après avoir envoyé "at+cereg=5", le module informera l'utilisateur des changements de statut d'enregistrement du module avec des codes URC. Ce paramètre est volatil et doit être renouvelé après les redémarrages. Si le module est déjà enregistré, il se peut qu'il ne réponde qu'avec OK. Dans ce cas, le statut peut être demandé en envoyant "at+cereg?".

   Copier
   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
   

   Dans l'exemple ci-dessus, le module est enregistré en mode roaming et affiche les valeurs PSM actuellement configurées du réseau (TAU toutes les 10 minutes avec un temps actif de 30 secondes).

3. Maintenant, les valeurs demandées peuvent être définies avec la commande "at+cpsms". Cette commande déclenchera l'envoi par le module d'un message TAU (Tracking Area Update) au réseau. Dans le message de réponse (Tracking Area Update Accept) du réseau, le module recevra les valeurs qui doivent être mises en action. En d'autres termes, le réseau décide des valeurs à adopter. Il faut espérer que les valeurs sont les mêmes que celles demandées, mais ce n'est pas garanti. Cela dépend de l'opérateur du réseau mobile et de s'il autorise les valeurs demandées ou s'il les remplace par ses valeurs, parfois fixes.

Copierat+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

Le module indiquera, avec le code URC suspendReady, quand il pourra passer en mode de suspension. Dès que "suspendReady,1" est indiqué, il est possible de mettre le module en mode de suspension en définissant RTS0, qui est GPO1 (Figure 7), sur 5 secondes (5 secondes est la valeur par défaut et peut être modifiée, voir le document sur les spécifications at des modules).

Quel est l'effet des temporisateurs PSM sur la consommation d'énergie ?

Comme mesure de référence, la Figure 8 montre le profil actuel du Cinterion ENS22-E NB-IoT en mode par défaut, c'est-à-dire qu'aucun mode PSM, aucune réception eDRX et aucun mode de suspension ne sont activés.

Figure 8 : Profil de consommation de courant pour la mesure de référence sans activation des modes d'économie d'énergie. (Source de l'image : Thales)

La consommation moyenne de courant prévue dans la zone marquée est d'environ 16 mA.

Une fois que les temporisateurs PSM sont activés, dans ce cas TAU périodique de 7 minutes et 10 secondes de temps actif, et que le réseau les a acceptés, la consommation de courant diminue pour atteindre une moyenne de 13 mA (Figure 9).

Notez que le réseau aurait pu ignorer la demande de temporisateurs PSM et en proposer d'autres. Les différents opérateurs de réseaux mobiles et les différents réseaux ont en général des ensembles de temporisateurs très différents qu'ils autorisent, il faut donc le comprendre avant de déployer des dispositifs IoT.

Figure 9 : Profil de la consommation de courant lorsque le mode PSM est activé. (Source de l'image : Thales)

Si le mode de suspension est activé, le module indiquera qu'il est prêt pour la suspension avec un code URC (Unsolicited Result Code). Après avoir basculé le signal RTS, dans ce cas défini sur GPO1 (Figure 7) dans l'Otii, le module passe en mode de suspension avec une consommation moyenne d'environ 3 µA (Figure 10).

Figure 10 : Profil de la consommation de courant lorsque le mode de suspension est activé. (Source de l'image : Thales)

Comment calculer les temporisateurs eDRX ?

Les valeurs des temporisateurs pour définir l'eDRX sont calculées selon une approche simple. Il existe des temporisateurs pour chaque technologie d'accès radio, comme le montre le tableau de la Figure 11.

Figure 11 : Définition des temporisateurs eDRX du 3GPP TS 24.008. (Source de l'image : Thales)

Comment définir les temporisateurs eDRX ?

L'effet de l'utilisation de l'eDRX peut être démontré avec le module Cinterion EMS31 uniquement Cat-M sur un DevKit LGA. Ce module LTE-M a une plage d'alimentation de 3,2 V à 5,5 V. L'Otii l'alimentera avec 3,8 V. La tension principale doit être ajustée dans les paramètres du projet de l'application Otii (Figure 3).

Après le démarrage du module, indiqué par le code URC ^SYSSTART, les temporisateurs PSM doivent être augmentés pour avoir une phase active plus longue (5 min.) afin de mieux voir l'effet eDRX [(définir at+cpsms=1,,,00000110,00100101), désactiver eDRX (at+cedrxs=0) et activer l'affichage du statut d'enregistrement avec at+cereg=4].

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

Pour vérifier si eDRX a été désactivée comme demandé, utilisez la commande at+cedrxrdp qui lit les paramètres eDRX dynamiques actuels.

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at+cedrxrdp
 
+CEDRXRDP: 0

Dès que le module est enregistré sur le réseau, le code URC correspondant doit être reçu, indiquant le statut d'enregistrement avec un temps actif de 5 minutes.

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

En mesurant avec l'application Otii, des pics d'écoute radio en continu peuvent être constatés toutes les 1,25 ms pendant le temps actif, comme illustré à la Figure 10, dans la zone d'horodatage de 1 minute.

Maintenant, la commande d'activation eDRX est envoyée soit en utilisant la commande 3GPP at+cedrxs, soit en utilisant la commande Thales spécifique at^sedrxs. L'inconvénient de la commande 3GPP est qu'il n'est pas possible de définir la fenêtre PTW (Paging Time Window), ce qui est possible avec la commande AT dédiée implémentée sur le module Cinterion de Thales.

Selon le tableau de la Figure 10, la valeur eDRX dans Cat-M a été définie sur 20,48 secondes ("0010") avec une fenêtre PTW de 5,12 secondes ("0011").

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

Le module informera l'utilisateur du changement de valeur eDRX avec le code URC +CEDRXP montrant la valeur eDRX (PCL) demandée de "0010", celle qui a été définie par le réseau et qui doit également être utilisée par le module (2^e "0010") et la fenêtre PTW ("0011").

Le module a besoin d'un certain temps pour s'adapter aux cycles modifiés et montrera finalement le comportement eDRX comme illustré à la Figure 12.

Quel est l'effet des temporisateurs eDRX sur la consommation d'énergie ?

Les temporisateurs eDRX n'ont un effet que dans la phase active. Plus une phase active est courte, plus l'effet eDRX est faible.

L'eDRX convient aux dispositifs qui doivent être accessibles depuis le réseau pendant un long intervalle de temps ou même en permanence. Durant cette période, la partie réceptrice du dispositif ne sera activée que pendant un intervalle de temps spécifique (PTW) qui est répété à chaque cycle eDRX (PCL). Grâce aux temporisateurs définis, le réseau mobile sait dans quel intervalle de temps le dispositif écoutera les pagings et il n'enverra un paging pour ce dispositif que pendant cet intervalle de temps. Cela permettra également d'économiser des ressources côté réseau (eNodeB).

La valeur par défaut est PTW, définie sur 5 secondes sans activation eDRX (Figure 12). Une fois l'eDRX activée, la consommation moyenne de courant passe de 3 mA à 2 mA.

Figure 12 : Fenêtre PTW, définie sur 5 secondes comme référence sans eDRX activée, et la même fenêtre PTW mais avec eDRX activée à droite, marquée. (Source de l'image : Thales)

Résumé

En fonction du cas d'utilisation du dispositif IoT et de la technologie réseau disponible, différentes fonctions d'économie d'énergie peuvent être utilisées pour étendre la durée de vie des batteries d'un dispositif.

Avec l'utilisation du mode PSM, il est possible de mettre un dispositif en mode de veille profonde pendant 14 jours.

Le dispositif, selon l'intervalle défini, s'activera périodiquement, se connectera au réseau et aura la possibilité d'envoyer des données. Peu de temps après l'état connecté, le dispositif sera activé mais inactif et écoutera les données entrantes pendant le temps actif. Pendant cette période d'activation, les créneaux pendant lesquels le dispositif active son récepteur peuvent être configurées à l'aide de l'eDRX.

Tous les réglages sont effectués en coopération avec le réseau. Le réseau sait toujours quand et pendant combien de temps un dispositif est capable de recevoir des données.

Un dispositif fonctionnant en Cat-M aura besoin de plus de puissance qu'un dispositif NB-IoT. Plus un dispositif est inactif longtemps, plus il est possible d'économiser de l'énergie. Plus les créneaux d'écoute d'un dispositif sont courts et peu nombreux, plus sa consommation est optimisée.

Par conséquent, dans le meilleur des cas, un dispositif NB-IoT, avec un mode PSM maximum et un temps actif minimum avec un seul pic d'écoute (fenêtre PTW minimale), constitue l'approche la plus optimisée en termes de puissance.