模组使用之NB-IoT模组的工作模式PSMDRX和eDRX状态说明

Posted 2021-07-15 qlexcel

  模组主要由 Modem 和 AP 两部分组成， Modem主要负责与核心网的通信， AP部分主要负责操作系统
及应用层程序的运行。
  AP有两种工作模式：

• Normal：工作状态，此模式下 AP 有任务正在处理，如有 AT 命令交互等。
• Idle：空闲状态，当 AP 所有任务处于挂起状态， AP 将会进入 Idle 模式。

  Modem有三种工作模式：

• Connected：连接状态，此模式下模块可以进行数据发送和接收。 Modem 在此模式下可切换到 DRX/eDRX 模式或 PSM 模式。
• Idle：空闲状态，Idle状态又分为两种方式：DRX和eDRX，在Idle模式下只有寻呼窗口内可接收下行数据。Modem 在此模式下可切换至 Connected 或 PSM 模式。
• PSM：省电状态，Modem 处于非连接状态，无法接收下行数据。 Modem 在此模式下可切换至 Connected 模式。

  由AP和Modem的工作模式共同决定了模组的三种工作模式：

• Active：唤醒状态，当 AP 处于 Normal 状态或 Modem 处在 Connected 状态时，模块将处于 Active 模式，此模式下所有业务都可正常处理，功耗最高。
• Light Sleep：轻休眠状态， 当 AP 处于 Idle 并且 Modem 处于 Idle 状态时，模块将进入 Light Sleep（轻休眠） 模式。 此时 AP 的任务被挂起， Modem不接收下行数据或者仅在寻呼窗口接收下行数据，功耗会大幅下降到 μA级别。
• Deep Sleep：深休眠状态： 当 AP 处于 Idle 并且 Modem 进入 PSM 模式，模块将进入Deep Sleep（深休眠） 模式。 此时 CPU 会掉电，仅仅只有内部 RTC 仍在工作； 模块功耗最低， 仅 3.7μA 左右。

  如果Modem的Idle状态的工作方式是DRX，我们来看看模组的整个工作过程：

1、模组上电，上电后模组入网，Modem处于Connected状态，在此模式下，模组与基站处于连接状态，可以随时发送和接收数据。
2、无数据交互一段时间后，RRC就会释放，Modem进入Idle状态。为了节省功耗，模块于每个 DRX 周期监听一次寻呼信道，以检查是否有下行业务到达。如果一直没有数据交互，那么T3324时间后，Modem就会进入PSM状态，反之，如果突然有数据交互，那么Modem就会回到Connected状态。
3、Modem进入PSM状态后，就不会与基站有交互了，此时虽然依旧注册在网络中，但信令不可达，模块无法收到下行数据，直到T3412时间后或者有上行数据需要传输，Modem才会回到Connected状态。
4、T3412时间到后，Modem进入Connected状态，如果还没有数据交互，那么Modem直接进入PSM。（如果一直没有数据交互，Modem会一直进行这个循环）
5、如果在PSM状态下，有数据需要上传，Modem马上进入Connected状态，传完后，又进入Idle状态，T3324时间后，进入PSM状态。

注：

1. 常见的 DRX 周期（DRX cycle）为 1.28 秒和 2.56 秒。
2. DRX周期由网络决定，模块不可配。
3. T3324时间又叫TAU 周期。

  如果Modem的Idle状态的工作方式是eDRX，我们来看看模组的整个工作过程：

  可以看到，eDRX模式在DRX的基础上又增加了eDRX周期，这样对基站的寻呼次数更少，更节能，但是也会导致更长的下行数据延时。模块只能在 PTW 内按 DRX周期监听寻呼信道，以便接收下行业务； PTW 外的时间不监听寻呼信道、不能接收下行业务。

注：

1. eDRX 周期通常为 20.48 秒或 81.92 秒。
2. 模组这侧有命令可以配置 eDRX 周期，但是最终由网络决定是否接受配置。

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NB-IoT模组为什么不能实时接收下行数据？

在网络状态正常，模组功能正常的情况下，下列两个问题都有可能引起模组收不到下行数据：

（1）NB-IoT网络中，为了实现低功耗特点，引入了PSM机制和eDRX机制，终端模组在处于PSM状态和eDRX的非寻呼时间窗阶段时，无法监听来自核心网的下行寻呼，从而出现收不到下行数据的现象。

（2）此外，模组通信使用UDP协议，在传输网中，由于传输资源有限，不能无限制的维持UDP连接；所以，传输网引入了NAT映射老化机制，在当前UDP链路持续段时间不使用的情况下，传输网会回收当前UDP资源，分配给其他用户使用；从而导致传输链路中断，模组收不到下行数据的现象（目前公网的UDP映射老化时间大约为1~2min）。

  要实现数据下发，可以通过终端主动发送上行数据唤醒模组，模组自动构建数据链路；上级服务器接收到终端的上行数据后，在模组重新进入PSM状态以及传输网UDP映射回收之前，执行下行数据发送，即可完成数据下发。

  若需要实现实时下行数据业务，则需要针对上述两个方面做针对性处理，目前有两种方案可以实现实时下行数据业务：

  方案1：使用AT指令关闭模组PSM和eDRX功能，使终端不再进入低功耗状态，从而保持与接入网的连接，保证随时能收到核心网下发的寻呼；并且应用层设计1min为周期的心跳机制，维持UDP映射不被传输网回收。

  方案2：使用AT指令关闭模组PSM和eDRX功能，使终端不再进入低功耗状态，从而保持与接入网的连接，保证随时能收到核心网下发的寻呼；并且协调运营商开通专用APN，并通过GRE隧道的方式，保持长连接，此种方案下，无需使用心跳保持长连接状态。

  在保持长连接的情况下，模组无法进入低功耗状态，无低功耗功能。