低功耗测量工具案例：使用 Nordic nRF9151-DK 开发板测量LTE不同节能模式

蜂窝物联网标准中（比如LTE-M和NB-IoT）提供了一系列节能特性，比如PSM（Power Saving Mode，省电模式）和eDRX（extended Discontinuous Reception，扩展不连续接收），专为降低电池供电设备的电流消耗而设计。通过合理配置，这些机制可极大延长野外物联网设备的使用寿命。

但是也需要权衡：省电设置过于激进的话或可导致延迟增加，降低对下行信息的响应性。因此，理解这些模式的行为和对时序的影响对于产品开发极为关键。

LTE节能模式

为了评估并优化以上参数，开发人员必须能够控制且实时观察调制解调器（Modem）的行为。如Otii Arc和 Otii Ace等测量工具，允许用户通过UART接口发送AT指令直接控制蜂窝调制解调器，同时测量电流消耗。这使得分析不同配置对能耗的影响并识别应用的最优设置变得更加简单。在本文案例中，我们演示了具体操作过程。

测试设备选用了Nordic nRF9151-DK开发板，连接到Telia通信商在瑞典隆德市的蜂窝网络。注意，省电功能的可用性和实际表现，会受到网络运营商和本地基础设施（如本地基站配置）等因素的影响。这可能会限制支持的选项或影响实际性能。

LTE-M和NB-IoT的低功耗模式

对于LTE的节能模式，简述如下：

eDRX（扩展不连续接收）是LTE-M和NB-IoT的一种省电功能，首次由3GPP Release 13（2015年）引入。它允许设备长时间休眠、仅短时间内唤醒以检查信息，从而降低能耗。原理就是使用预设“打盹”的方式进入待机状态，因此，设备会关闭接收器不再持续监听，同时通过增加延迟来保持一定的可触达性。

PSM（电源节省模式，也称省电模式）由3GPP Release 12 （2015年）引进，允许LTE物联网设备在不完全断开网络连接的情况下进入深度睡眠。设备不需频繁唤醒以检查网络页面，可协商更久睡眠间隔。在此期间，射频会完全关闭，仅在需要发送数据或预设时间后才会唤醒。同时，网络会缓冲接收到的数据。

图1：PSM 和eDRX模式示意图 图片来源：Onomondo

测量设置

如图所示是如何连接Otii Ace 和 nRF9151-DK板（下图中备注文字，是Otii Ace仪器的引脚名称）：

图2：连接Otii Ace 和 nRF9151-DK板

移除连接 Ace+/- 的跳线。 在该设置中，Otii Ace的主通道会给nRF9151-DK板的VDD供电并测量，0-15V的引脚会给板子上其他部分供电。开发板也可通过USB电源供电，但如有需要，使用0-15V引脚可以实现对开发板的断电重启。

注意，如果选择USB供电，切勿连接0-15V电源到5V引脚。

图3：使用 Otii Ace Pro 对 nRF9151-DK 蜂窝物联网节能模式进行功耗剖面分析

开始测量

我们使用Nordic的 AT Commands应用程序，具体操作步骤如下：

在电脑上下载nRF Connect桌面应用程序

点击“Quick Start（快速开始）“

设置开发板名称

挑选AT指令应用，并点击”Program（编程）“

其他步骤对于此次测试不重要，可以跳过

断开开发板上的USB数据线，本案例中只使用Otii Ace供电

注意： AT Commands仅将开发板作为一个调制解调器使用，且板载上已实现了最低功耗节能特性。本次案例仅聚焦在不同网络节能特性的影响，所以被测设备不会进入深睡眠状态，也就无需关注开发板的功耗。

nRF9151-DK开发板同时支持LTE-M和NB-IoT两种模式。

使用Otii Ace Pro开始测量

在Otii桌面应用程序中，设置以下内容： 主电压，3.0V和5.5V之间 过电流 1A 数字电压1.8V 0-15V，设为5V（不要超过5.5V） 如果使用了0-15V引脚连接，切记不要使用USB连接。 启用”主电流“、”主电压“、”UART日志“ 等通道 设置波特率为115200

图4：Otii软件界面设置

在nRF9151-DK开发板上测量PSM和eDRX模式

设置省电模式，并遵循以下步骤开始测量：

在Otii桌面应用程序里点击开始录制

在Otii桌面应用程序里打开电源

Nordic的nRF9151-DK开发板开始启动。当它开始运行的时候，UART 日志窗口会显示“Ready”表示已启动完成。接着，开发板进入AT指令的模式，用户可以通过Otii软件上发送AT指令控制开发板。成功执行命令后，设备会响应“OK”。所有的AT指令详见该页面。

默认开发板开启的时候，无线电处在关闭状态。用户可在Otii界面的UART日志上方TX data选项卡处，输入AT指令并发送。下方日志窗口会实时显示设备响应。

以下为使用 AT 命令配置 LTE-M的 eDRX 节能模式 时，在 Otii 应用中记录的 AT 命令执行过程及对应功耗曲线示例。

图5：使用 AT 命令配置 LTE-M的 eDRX 节能模式时，在Otii上的执行过程和功耗曲线

测试可以手动进行，也可实现自动控制。由于本测试会涉及到很多配置操作，且自动测试会使得测试过程更加简单，因此我们选择自动测试。我们使用了Otii自动化工具箱以及在Qoitech Github网页上下载的Python脚本。

配置操作包括如下内容：

• LTE-M，无省电模式
• LTE-M，开启eDRX
• NB-IoT，无省电模式
• NB-IoT，开启eDRX
• LTE-M， 开启PSM
• NB-IoT， 开启PSM
• LTE-M， 同时开启eDRX和PSM
• NB-IoT，同时开启eDRX和PSM

每种配置的测试时长达4小时，累计录制32小时的数据。测试时长可根据对比的数据量需求进行调整，但本设置在测试深度和整体测试时间取得了良好的平衡。

测试PSM模式更具有挑战性，因为它依赖于网络运营商支持的参数。此次使用的网络来自瑞典隆德本地运营商Telia，支持的最小PSM间隔为1小时。部分网络也会同时支持PSM和eDRX，Telia网络正是如此。

图6：用于在nRF9151-DK开发板上测试LTE-M和NB-IoT（包括eDRX、PSM及其组合）的Python脚本摘录

测试结果

目标是演示如何快速分析不同节能配置的能耗影响，以及确定最佳设置。以下是基于本次测试数据的结果：请注意：某些客观条件获客影响测试结果。

测试均在实际网络环境（Telia 瑞典隆德）下进行，网络行为存在不可控因素。

测试过程中未进行数据传输，nRF9151-DK 仅作为蜂窝调制解调器使用。实际电流消耗将根据数据量与传输频率不同而变化。

省电模式会影响调制解调器的行为。如果需要持续接收消息，长睡眠周期可能不合适，需要在功耗、响应速度与可达性间取得平衡。

测试期间未将 nRF9151-DK 配置为最低功耗模式，使用时处于出厂状态，导致休眠期电流略高于实际产品部署时的水平。本次测试最低休眠电流约为 590 μA。

LTE-M模式的功耗表现

图7：Otii软件显示，nRF9151-DK上LTE-M不同节能模式下的功耗对比

在录制曲线的右上角，可看到不同LTE-M配置（无论是否开启省电模式）下的一小时内平均电流消耗数据。

启用 eDRX 后，平均电流由约1.15mA降至约710μA。

开启 PSM 后，电流进一步降至约630μA。

eDRX 与 PSM 同时启用后，最低测得电流约623μA。可能由于固件并未完全针对超低功耗优化，因此对比单独 PSM 的提升幅度有限。

NB-IoT模式的功耗表现

图8：Otii软件显示，nRF9151-DK上NB-IoT不同节能模式下的功耗对比

为观察启用省电模式的逐步影响，我们对NB-IoT的不同配置也进行了类似的对比。

开启 eDRX 后，平均电流从约1.36mA降至950μA。

开启 PSM 后，电流进一步降低至约640μA。

eDRX 与 PSM 同时启用后，反而略有升高至约660μA。放大观察第二次与第三次的调制解调器的唤醒周期，可明显看到该变化。

图9：Otii软件显示，对NB-IoT设备同时启用eDRX和PSM时导致功耗增加

本案例并未深入分析此现象原因，而是继续原定方向研究。同时开启 PSM 与 eDRX 模式时，设备会先进入 eDRX 模式，周期性唤醒检查下行消息（见下图）。待 T3324 活动定时器 超时后，设备转入 PSM 深度睡眠状态。在该状态下设备不可被网络访问，但保持注册。该状态会一直保持到T3412 周期性TAU 定时器超时或设备需要主动发起数据传输。

这种组合模式可在下行可达性与实现最低功耗之间取得平衡。但并非所有网络都支持两者同时使用。且配置不当（如 eDRX 周期过频繁）会导致功耗升高，因此必须在具体的网络环境中反复测试与验证。

图10：同一周期里的PSM和eDRX模式示意图，（图片来源Onomondo）

结语：测试并平衡LTE-M和NB-IOT的低功耗模式

选择合适的省电模式完全取决于应用场景。像表计或追踪器等低频数据传输、且无需下行链路访问的设备，最适合PSM模式，因为可设置最低功耗。像报警器或者可穿戴设备需要时不时接收下行信息的设备，更适合eDRX。两者结合时，eDRX能够保证设备在进入深度PSM睡眠前保持可触达性，但如果调优不当，反而可能增加功耗。所以，测试应保证在真实网络条件下进行，以实现电池寿命和响应性之间的平衡。

为精细调整PSM 和 eDRX 等省电功能，开发人员必须实时监控调制解调器的行为。为实现这一点，Otii Arc 和 Otii Ace能够通过在UART上启用AT指令控制并同时测量电流消耗。当自动化此类测试时，该设置可轻松分析不同配置的能耗影响，并识别出适用于特定应用的最佳设置。

审核编辑 黄宇