GSMA《Energy Efficiency for Mobile IoT》总结

做电池供电的蜂窝 IoT 产品（水表、追踪器、传感器节点），功耗设计绕不开 NB-IoT / LTE-M。这两个 LPWAN 技术相对 2G 的能效优势是数量级的，但优势要真正发挥出来，必须把 3GPP R13/R14 的节能特性用对——用错场景反而更耗电。

一、先看整体功耗模型

一个 LPWA 设备的工作状态分三段：连接态（Connected）→ 空闲态（Idle）→ PSM 深睡。

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数据发送完成 → eNodeB 非活动定时器到期 → RRC 释放 → 空闲态
→ (TAU/新数据触发) → 回到连接态
→ (T3324 到期) → PSM 深睡（微安级）

三个关键认知：

1. 连接态最耗电——如果不支持 cDRX，芯片要每个子帧监听 PDCCH，电池很快耗尽。
2. 大部分延迟不是无线传播造成的，而是协议栈各层缓冲——发一个数据包，从应用到天线有五六层缓冲叠加。
3. 节能特性要按用例场景组合使用，用错场景（比如下行密集场景用 PSM）会导致产品设计失败。

二、五大节能特性速查

1. PSM（Power Saving Mode）——最深的休眠

• 3GPP R12 引入，attach/TAU 消息里带 T3324 活动定时器（最大 186 分钟，网络可改，多数运营商默认 20-30s）
• T3324 到期后芯片协议栈大部分关断，功耗进入微安级，但网络保持注册态
• 最大休眠时长受 T3412（TAU 定时器） 约束，R14 扩展后最长 ≈413 天
• ⚠️ PSM 期间网络无法联系设备——下行密集/非定时场景（如追踪器）慎用

2. eDRX（Extended DRX）——空闲态折中

• 扩展 DRX：设备在 PTW（寻呼时间窗，2.56-40.96s） 内周期性监听寻呼，窗之间接收电路关闭（<几 µA）
• TeDRX 周期：NB-IoT 最大 175 分钟，LTE-M 最大 43 分钟
• 定位：PSM 与常开之间的折中——保留可达性，牺牲部分功耗

3. 长周期 TAU（Long Periodic TAU）

• T3412ext 把 TAU 间隔从小时级拉到 ≈413 天（部分网络限 310 小时）
• 配合 PSM：设备深睡更久才需醒来报一次位置

4. cDRX（Connected Mode DRX）——连接态省电

• 连接态下非连续监听 PDCCH（1.28/2.56s 周期）
• ⚠️ 由网络配置，设备无法控制——选型时要确认模组/运营商支持

5. RAI（Release Assistance Indication）——提前释放

• 最后一条数据带 RAI IE → 请求网络提前释放 RRC 连接（不等非活动定时器 20-30s）
• 最高可省 50mA 电流
• ⚠️ 只有确认近期无更多下行流量时才用——过早释放后重连 RRC 的能耗可能超过省下的

三、定时器选型对照表

四、实测能耗数据（GSMA 测试）

关键结论：

• NB-IoT 发一个 10B 数据包能耗约为 GPRS 的 1/7-1/10，耗时约 1/4（1.61s vs 6.32s）
• eUICC 换卡（Profile Swap）NB-IoT 比 GPRS 省 约 9 倍
• 这就是为什么 2G 退网后，NB-IoT/LTE-M 是蜂窝低功耗的唯一正解

五、应用层设计（协议选择直接影响功耗）

协议决定设备在连接态待多久、能睡多久：

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UDP（Fire & Forget） → CoAP（UDP+ACK，小消息） → LwM2M（CoAP+设备管理）
  → TCP/MQTT/HTTP（大消息分块确认）

六、典型用例参数（可直接参考）

七、工程避坑清单

1. T3324 别设 <10s：CE2（深室内）覆盖下设备延迟/往返时间长，过早进 PSM 会导致下行消息无法送达
2. PSM 只关模块，不关整机：传感器/MCU 仍耗电——特定场景硬断电压更优
3. 断电重启 vs PSM：频繁断电重启要反复 attach，信令和能耗反而更高；且部分芯片断电后驻留网络列表丢失，重新全频扫描最长 15 分钟
4. 2G-fallback 模组注意：PA 未针对 LPWA 优化，NB-IoT/LTE-M 功耗可能更高——看 datasheet 时留意
5. 功率等级：主流 Class 3（+23dBm）；Class 5（+20dBm）PA 易集成但覆盖差、重复率升高反而更耗；Class 6（+14dBm）适合低放电率电池
6. eDRX + PSM 组合：下行集中在特定 PTW 时段 → 之后进 PSM 深睡（T3324 设到最后一个 PTW 结束）
7. cDRX + RAI 组合：有下行待收时绝不发 RAI——重连 RRC 能耗 > 保持连接
8. 测量功耗时拆掉 LED：辅助元件不拆会污染测量结果（GSMA TS.09 要求）

八、与 Cat.1 的选择

一句话选型：纯数据、低频上报、要跑几年的 → NB-IoT/LTE-M + PSM；要实时下行、语音、高速率的 → Cat.1。