NB-IoTおよびCat-Mの省電力モードを有効にする方法と予想されるエネルギー消費

著者 Markus Pihl, Vanja Samuelsson

2020-09-08

モノのインターネット（IoT）デバイスの電池寿命の向上は、低電力広域ネットワーク（LPWAN）技術の主な目標の1つです。そのため、省電力機能は、セルラーLPWAN技術であるNB-IoT（Cat-NB1/Cat-NB2）およびCat-M（LTE-M、別名Cat M1）の根幹となっています。しかし、それらの技術はどのように使用され、消費電流へのどんな効果が観察できるでしょうか？

この記事では、これらの疑問に答え、省電力機能の定義、タイマとその計算方法、およびそれらを有効にするコマンドについて説明します。また、このすべてについて、エネルギー消費への影響を理解するために消費電流プロファイルの可視化が伴います。

NB-IoTおよびCat-Mの省電力モード

NB-IoTおよびCat-M技術には、省電力モード（PSM）と間欠受信間隔の拡張（eDRX）の2つの重要な省電力機能があります。

PSMにより、デバイスはネットワークに転送されるスリープタイマおよびアクティブタイマを設定できるようになります。図1に、周期的トラッキングエリア更新（TAU）（T3412）とアクティブ時間（T3324）を示してあります。ネットワークに受け入れられると、ネットワークはシステムに登録されたデバイスを所定の時間保持します。この時間内にデバイスがウェイクアップする場合、再取り付け手順は必要ありません（取り外しおよび再取り付け手順は、非常に多くのエネルギーを消費する可能性があります）。スリープ間隔中、デバイスは到達不能ですが、タイマによって、デバイスの次のウェイクアップ時間、およびページングメッセージを受信するためにデバイスがアクティブ状態になる時間の長さをネットワークは知っています。最大14日間、デバイスをディープスリープモードに設定することができます。

現在、eDRXはLTEネットワークに既に存在する通常のDRXの時間を拡張しています。アクティブ時間位相中にデバイスがネットワークをリッスンしないように、より多くの時間が許容されます。多くのIoTデバイスにとって、数秒間以上の到達不能状態は許容範囲内です。消費電力は減少しますが、PSMを適用する場合と比較するとデバイスはまだ到達可能なほうです。トレードオフは、消費電力の減少がPSMほど大きくないことです。eDRXは、ページングサイクル長（PCL）およびページ時間ウィンドウ（PTW）タイマを使用して構成できます（図1）。

セルラーモジュールでPSMおよびeDRXタイマの両方を設定するコマンドは、3GPP Technical Specification TS 27.007で以下のように定義されています。

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

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

PTWは例外です。この記事では、Thalesにより作成されたPTW用のコマンド、および被試験デバイス（DUT）として使用されるThalesのCinterion®モジュールの仕様を紹介します。

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

さらに、もう一つのThales固有のCinterionモジュール用省電力機能であるサスペンドモードを紹介します。これにより、モジュールのエネルギー消費状態は最低水準に引き下げられます。このコマンドは、1度だけ設定する必要があります。

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

図1：省電力機能、PSMタイマ（周期的TAUおよびアクティブ時間）、およびeDRXタイマ（PCLおよびPTW）。（画像提供：Thales）

セットアップ

低電力モードを可視化する目的で、Thalesが提供するCinterionモジュールの2種類のセットが、QoitechのOtiiパワーアナライザとともに使用されます。

PSMタイマには、NB-IoT専用モジュールにはんだ付けされたThalesのDevKit ENS22-Eが使用されました。グローバルMNO SIMカードを備えたNB-IoTのライブネットワーク（ローミング）で測定が実行されました。

eDRXタイマには、Cinterion® EMS31という、LGA DevKit上のCat-M専用モジュールが使用されました。テストが実施されたドイツではCat-Mネットワークが不足していたため、このモジュールはアンテナ（無線）を介してAmarisoft Cat-Mネットワークシミュレータに接続されました。

QoitechのOtiiは多面的なパワーアナライザで、この場合には次の3つの目的で使用されます。

可視化とパワープロファイル分析のため
無線モジュールの制御のため（GPIOピン経由）
電力測定およびUARTログ同期のため（RX/TXピンおよび主電源経由）

配線は、表1に従って行われました。

図2：測定のセットアップ： ThalesのセルラーモジュールおよびQoitechのOtiiを備えたLGA DevKit（画像提供：Thales）

LGA DevKitのピン	Otiiのピン
オン	GP02
RTS0	GP01
TXD0	TX
RXD0	RX
GND	DGND
VUSB	+5V
PWR（A）	+
GND	-

表1：図2のセットアップのピン接続。

PSM測定では、Cinterion ENS22-E NB-IoTモジュール（範囲2.8～4.2V）を3.6Vで給電することにより（図3）、モジュールのハードウェアインターフェース説明の消費電流定格に結果を合うようにしました。GPOのデジタル電圧レベルを3Vに設定する必要があります（図3）。

OtiiプロジェクトのSUPPLYのセットアップを示す画像 図3：OtiiプロジェクトのSUPPLYのセットアップ。（画像提供：Thales）

VUSB => +5 V - この電源は、LGA DevKitに給電するために必要です。注意！DevKitをUSB経由で給電しないでください。

したがって、ボードの左下側のDevKitスイッチは、左PWR – EXTおよび左ASC0 – RS232に設定されます（図4）。

DevKitスイッチのセットアップを示す画像 図4：DevKitスイッチのセットアップ。（画像提供：Thales）

測定のセットアップによると、Otiiアプリケーション内のUARTコマンドラインが使用されました。これは、LOGSセクションのOtiiプロジェクト設定で有効にする必要があります。

デフォルトでは、シリアルインターフェースASC0（RX0/TX0配線）は115200のボー速度で動作します（図5）。

OtiiプロジェクトのLOGSのセットアップを示す画像 図5：OtiiプロジェクトのLOGSのセットアップ。（画像提供：Thales）

PSMタイマの計算方法

PSMの場合、AT+CPSMSコマンドを使用して、要求された周期的TAU（T3412）サイクルおよび要求されたアクティブ時間（T3324）を設定しました。この値は、8ビットのバイナリ形式で入力する必要があります。このうち最初の3ビットは、5ビットの2進数ベース乗数を表しています。これは、3GPPで指定されており、TS 24.008の仕様内で確認できます（図6）。

図6：3GPP TS 24.008の周期的TAUおよびアクティブ時間の計算。（画像提供：Thales）

応用例として、モジュールはトラッキングエリア更新メッセージを7分ごとにネットワークへ送信するように設定されます。これは、周期的TAUが7分または420秒に設定されるという意味です。

この7分については、乗数1分（101）と値7（00111）、または乗数30秒（100）と2進値14（01110）を使用できます（図6）。

アクティブ時間もそれに応じて動作しますが、異なるベース値が使用されます。たとえば、10秒のアクティブ時間は、2秒のベース乗数として値000および5と等しい00101を使用し、コマンドは次のようになります。

at+cpsms=1,,,10001110,00000101

PSMタイマの設定方法

Devkit（5V、図7参照）およびモジュール電源（3.6V、図7参照）用の電源を有効にした後で、GPO2（図7）のスイッチを約2秒間オンにしてから再びオフにすることにより、起動が開始されます。

Otiiパワースイッチの画像 図7：Otiiパワースイッチ。（画像提供：Thales）

モジュールが起動し、それをUARTログの以下のURC（未承諾結果コード）で示します。

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

^SYSSTART

ATコマンドをモジュールに渡して、1）サスペンドモードを有効にし、2）登録ステータスの表示を有効にし、3）PSMタイマを確認および設定することができるようになります。

前述のように、1度だけ構成コマンドを送信することにより、Thales固有の省電力機能を有効にする必要があります。この設定は不揮発性であり、変更されるまでそのままです。
at^scfg="MEOpMode/PowerMgmt/Suspend","1"

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

OK

+CIEV: suspendAvailable,1

モジュールは、+CIEV URCでサスペンド機能が使用可能になったことを知らせます。サスペンドがすでに有効だった場合、suspendAvailable URCは表示されません。
「at+cereg=5」の送信後に、モジュールはURCにより、モジュールの登録ステータスの変化についてユーザーに知らせます。この設定は揮発性で、再起動後に繰り返す必要があります。モジュールがすでに登録されている場合は、[OK] のみで応答します。その場合、「at+cereg?」を送信することにより、ステータスを要求できます。
```
コピーする
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
```
上の例では、モジュールはローミングモードで登録され、現在構成されているネットワークのPSM値を示しています（10分ごとのTAUと30秒のアクティブ時間）。
これで、要求された値が「at+cpsms」コマンドで設定できるようになります。このコマンドは、モジュールからネットワークにTAU（トラッキングエリア更新）メッセージを送信させます。ネットワークからの応答メッセージ（Tracking Area Update Accept）で、モジュールは実行する必要のある値を受信します。言い換えれば、どの値を使用するかをネットワークが決定します。値が要求通りになるといいですが、これは保証されていません。要求された値を許可するか、値を別の値（固定値の場合もある）でオーバーライドするかは、モバイルネットワークプロバイダに依存します。

コピーするat+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

モジュールは、いつサスペンドモードに入ることができるかをsuspendReady URCで示します。「suspendReady,1」が表示されるとすぐに、GPO1（図7）であるRTS0を設定することにより、モジュールを5秒間サスペンドモードにすることができます（5秒はデフォルト値であり変更可能、モジュールAT仕様ドキュメントを参照）。

PSMタイマのエネルギー消費に対する効果

基準測定として、図8はデフォルトモードでのCinterion ENS22-E NB-IoTの電流プロファイルを示しているため、PSM、eDRX、サスペンドモードのいずれも有効になっていません。

図8：省電力モードが無効な基準測定の消費電流プロファイル。（画像提供：Thales）

マークされた領域の予想平均消費電流は、約16mAです。

PSMタイマが有効になり（この場合は7分の周期的TAUおよび10秒のアクティブ時間）、ネットワークがそれらを受け入れると、消費電流は平均13mAに減少します（図9）。

ネットワークがPSMタイマの要求を無視し、他の値を提案することもできたことに注意してください。一般的に、異なるMNOおよび異なるネットワークが許可するタイマの設定はさまざまであるため、IoTデバイスの導入前にこの点を理解しておく必要があります。

図9：PSMが有効な場合の消費電流プロファイル。（画像提供：Thales）

サスペンドモードが設定されると、モジュールはサスペンドモードに入る準備ができたことをURC（未承諾結果コード）で示します。RTS信号を切り替えた後（この場合はOtiiのGPO1（図7）に設定）、モジュールは約3µAの平均消費電力でサスペンドモードに入ります（図10）。

図10：サスペンドモードが有効な場合の消費電流プロファイル。（画像提供：Thales）

eDRXタイマの計算方法

eDRXを設定するためのタイマ値は、簡単なアプローチで計算されます。図11の表に示すように、各無線アクセス技術に対してタイマが用意されています。

3GPP TS 24.008のeDRXタイマの定義を示す画像 図11：3GPP TS 24.008のeDRXタイマの定義。（画像提供：Thales）

eDRXタイマの設定方法

eDRXの使用効果は、LGA DevKitのCinterion EMS31 Cat-M専用モジュールで実証できます。このLTE-Mモジュールの電源範囲は3.2～5.5Vです。Otiiは3.8Vで給電します。メイン電圧は、Otiiアプリケーションのプロジェクト設定に適合する必要があります（図3）。

^SYSSTART URCによって示されるモジュールの起動後、eDRXの効果を明確化するために、PSMタイマのアクティブ位相を（5分に）延長する必要があります。すなわち、（at+cpsms=1,,,00000110,00100101を設定し)、eDRX（at+cedrxs=0）を無効化し、at+cereg=4で登録ステータスの表示を有効にします。

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

eDRXが要求通り無効化されたかを確認するために、現在の動的eDRXパラメータを読み取るat+cedrxrdpコマンドを使用します。

コピーする
at+cedrxrdp
 
+CEDRXRDP: 0

モジュールがネットワークに登録されるとすぐに、5分のアクティブ時間で登録ステータスを示す関連URCを受信します。

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

Otiiアプリケーションで測定すると、図10に示すように、1分のタイムスタンプの周辺領域でアクティブ時間中1.25msごとに連続的な無線リスナーピークを確認できます。

3GPPコマンドat+cedrxsまたはThales固有のコマンドat^sedrxsを使用して、eDRXを有効にするコマンドが送信されます。3GPPコマンドの短所は、ThalesのCinterionモジュールに実装された専用ATコマンドで可能なページング時間ウィンドウ（PTW）を設定できないことです。

図10の表によると、Cat-MのeDRX値は20.48秒（「0010」）に設定され、ページング時間ウィンドウは5.12秒（「0011」）です。

コピーする
at^sedrxs=2,4,0010,0011
 
OK
 
+CEDRXP: 4,"0010","0010","0011"

モジュールはeDRX値の変化についてユーザーに知らせ、+CEDRXP URCは要求されたeDRX（PCL）値の「0010」、ネットワークから設定されてモジュールからも使用される値（第2の「0010」）、およびPTW（「0011」）を示します。

モジュールは変化したサイクルに適応するための時間を必要とし、図12のように最終的にはeDRXの動作を示します。

eDRXタイマのエネルギー消費に対する効果

eDRXタイマは、アクティブな位相のみに効果があります。設定されるアクティブな位相が短ければ短いほど、eDRXの効果は低くなります。

eDRXは、長い時間間隔にわたって、またはネットワークから常時到達可能にする必要のあるデバイスに最適です。この時間内に、デバイスのレシーバ部分は、eDRX（PCL）サイクルごとに繰り返される特定の時間間隔（PTW）だけのために有効化されます。設定されたタイマにより、モバイルネットワークはどのタイムフレームでデバイスがページングをリッスンするかを知り、同タイムフレーム中にのみこのデバイスのページングを送信します。また、これによりネットワーク（eNodeB）側のリソースが節約されます。

デフォルトはPTWで、eDRXは有効にされておらず、5秒に設定されています（図12）。eDRXが有効になると、平均消費電流は3mAから2mAに減少します。

図12：参考として5秒に設定されたeDRXが無効なページング時間ウィンドウ、および右側にマークされたeDRXが有効な同じPWT。（画像提供：Thales）

まとめ

IoTデバイスのユースケースおよび利用可能なネットワーク技術に応じて、異なる省電力機能を使用してデバイスの電池寿命を延長できます。

PSMを使用すれば、最大14日間、デバイスをディープスリープモードに設定することができます。

デバイスは設定間隔に応じて周期的にウェイクアップし、ネットワークに接続し、データの送信を選択できます。接続状態の直後に、デバイスはアクティブになりますが、アクティブ時間中はアイドリングし、受信データをリッスンします。このアクティブ時間内に、デバイスがそのレシーバを有効にするスロットを、eDRXを使用して構成できます。

すべての設定は、ネットワークと協力して実行されます。ネットワークは、デバイスがいつおよびどのくらいの期間データを受信できるのかを常に知っています。

Cat-Mで動作するデバイスには、NB-IoTデバイスよりも多くの電力が必要です。デバイスのスリープ状態が長ければ長いほど、より多くのエネルギーを節約できます。デバイスが受信データのためにリッスンするタイムスロットが短くて数が少ないほど、その消費はより最適化されます。

したがって、最良の条件下では、最大限のPSMと最小限のアクティブ時間、およびリスニングピークを1つのみ備えた（PTWが最小の）NB-IoTデバイスが、最も電力最適化されたアプローチになります。

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