Описание методики оценки времени автономной работы оконечных устройств стандартов cellular IoT Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ВРЕМЕНИ АВТОНОМНОЙ РАБОТЫ ОКОНЕЧНЫХ УСТРОЙСТВ СТАНДАРТОВ CELLULAR IoT

Н.В. Бабаев, инженер НОЦ «БИС» на базе СПбГУТ;

В.В. Мошков, инженер-исследователь НОЦ «ТИОС» на базе СПбГУТ.

УДК 654.02_

Аннотация. В статье рассматривается методика расчета энергопотребления оконечных устройств стандарта NB-IoT, а также прогнозирование времени работы устройств от АКБ. Данная методика подходит также для оконечных устройств стандарта LTE - M. Предлагаемая модель расчета базируется на расчете задержек в радиоканале при различном количестве оконечных устройств, подключенных к одной сети.

Ключевые слова: интернет вещей; коллизия; электропотребление; датчик; NB-IoT; LTE.

DESCRIPTION OF THE METHOD OF EVALUATING THE TIME OF AUTONOMOUS OPERATION OF TERMINAL DEVICES OF CELLULAR IOT STANDARDS

N. V. Babaev, engineer REC «BIS» based on SPbSUT;

V. V. Moshkov, research engineer, REC «TIOS» based on SPbSUT.

Annotation. Article discusses the methodology for calculating the power consumption of terminal devices of the NB-IoT standard as well as for predicting the battery life of devices. This methodology is also suitable for LTE - M terminal devices. The proposed calculation model is based on the calculation of delays in the radio channel for a different number of terminal devices connected to the same network.

Keywords: internet of things; conflict; power consumption; sensor; NB-IoT; LTE.

Введение

В современных реалиях развитие стандартов беспроводной связи и концепции интернета вещей приводит к интенсивному росту числа оконечных устройств, подключенных к сети. Согласно прогнозам развития рынка интернета вещей к 2023 г. число подключенных оконечных устройств в сети вырастет до 9 млрд, согласно [1]. При этом технологии для подключения данных устройств к сети могут отличаться, т.е. могут использовать традиционную проводную коммутацию, или использовать сети беспроводной связи, в том числе и мобильную, для подключения устройств к сети. Как раз про второй способ и будет идти речь в рамках данной статьи. Подключение оконечных устройств к сети может производиться за счет использования различных стандартов беспроводной связи, основными стандартами являются ЬоЯа, ЫБ-1оТ, СТРИЖ, SigFox, ЬТЕ-Ы. В реалиях данной статьи рассмотрены методики расчета параметров средних задержек при установлении соединения оконечного устройства с сетью мобильной связи ЬТЕ, с поддержкой стандарта ЫБ-1оТ, рассмотрен расчет вероятности возникновения коллизий при установлении соединения, а также представлена модель расчета энергопотребления оконечных устройств на базе приведенных выше моделей расчета средней задержки при установлении соединения. Расчет энергопотребления по данной методике позволит прогнозировать максимальные временные рамки работы оконечного устройства стандарта ЫБ-1оТ от аккумуляторной батареи.

Возникновение проблематики установления соединения

Каждое устройство, подключенное к сети, обязательно проходит процедуры установления соединения между базовой станцией оператора и оконечным устройством, будь то смартфон или датчик. Данная процедура сертифицирована 3gPP и получила название

процедура случайного доступа, см. рис. 1. Для понимания проблематики нужно предварительно кратко описать данный механизм [2-4].

Во-первых, оконечное устройство начинает процедуру установления соединения путем передачи преамбулы (Msgl) в сторону базовой станции eNB через физический канал случайного доступа (physical random-access channel, PRACH). Преамбула выбирается случайным образом из 64 доступных последовательностей. Именно данный факт и становится главной проблематикой исследования. Рост числа одновременно подключенных оконечных устройств к сети приводит к возникновению коллизий установления соединения, что приводит к возникновению задержек в канале связи.

Если преамбула принята корректно, то eNB подтверждает это путем отправки сообщения (Msg2) ответа произвольного доступа (random-access response, RAR) в пределах времени ожидания (response window) UE ответа на преамбулу.

После корректного приема первых двух сообщений, оконечное устройство начинает процедуру установления соединения (Msg3) путем передачи сообщения RRC, через физический совместно используемый канал восходящей линии связи (physical uplink shared channel, PUSCH), используя при этом ресурсы, предоставленные в Msg2. Процедура установления соединения считается законченной успешно, когда UE получает сообщение (Msg4) установления соединения RRC от eNB.

Рисунок 1

Характерной чертой передачи информации от оконечных устройств интернета вещей является их периодический характер, то есть устройство подключено к сети не постоянно, а только в те моменты, когда необходимо передать накопленную информацию на сервер обработки. Периодичность выхода устройства в состояние Online определяется различными таймерами, которые будут описаны далее.

Исходя из выше сказанных особенностей процедуры установления соединения, а также учитывая характер передачи информации оконечными устройствами интернета вещей, можно сделать следующий вывод, что «узким горлом» становится ограниченное количество

последовательностей преамбул при установлении соединения. Если два оконечных устройства одновременно начнут процедуру установления соединения с сетью, используя одну последовательность преамбулы, то одно из них будет отторгнуто сетью, и данное устройство будет пытаться установить соединение до тех пор, пока не истечет таймер, или же пока процедура установления соединения не будет успешной. Данная проблематика не могла быть настолько серьезной в случае малого количества устройств на одну базовую станцию, однако с развитием концепции интернета вещей количество оконечных устройств растет с каждым днем. Поэтому при возникновении критической ситуации при срабатывании сразу группы датчиков, возникновение подобных коллизий приведет к возникновению существенных задержек в сети, или же к перегрузке сети. Именно данная ситуация будет описана в рамках данной статьи.

Также немаловажным фактором функционирования оконечных устройств интернета вещей является их автономность, то есть длительная работа устройства без человеческого фактора. В рамках данной статьи будет приведена модель расчета энергопотребления устройства. Модель позволит прогнозировать временные рамки автономной работы устройства с учетом возникновения выше упомянутых задержек при установлении соединения.

Рассмотрение методики расчета задержек при установлении соединения

Расчет показателей задержек при установлении соединения и вероятности коллизий будет опираться на [5]. Исходными данными для расчета будут являться стандартизированные параметры сигнала стандарта NB-IoT. Также данная модель позволяет производить расчет параметров для стандарта LTE-M. Основные исходные данные составлены в соответствии со спецификациями 3GPP [2-4] и приведены в табл. 1.

Таблица 1

Обозначение Параметр Значение

- Ширина полосы 200 кГц

s Полное число преамбул 64

Li Максимальное число передач преамбулы 10

- Размер окна ожидания преамбулы 5 мс

- Таймер ContentionResolution 48 мс

Wmax Индикатор Backoff 20 мс

П3 Вероятность удачной доставки Msg3 0.9

П4 Вероятность удачной доставки Msg4 0.9

L3 Максимальное число HARQ Tx для сообщений Msg3 и Msg4 5

M Число оконечных устройств в сети 100 150 200

b Периодичность возможности PRACH 5 мс

K Окно ожидания RAR 5 мс

Ki Время передачи преамбулы 1 мс

Ко Время обработки преамбулы на eNB 2 мс

tpr Время обработки перед передачей Msg3 5 мс

tlx Время обработки Msg3 и прием Msg4 6 мс

При проведении расчета особое значение имеет так называемый индекс конфигурации PRACH, который оказывает непосредственное влияние на ряд системных параметров Msg1, а

именно на количество субкадров (где UE может попытаться передать преамбулу) или длину преамбулы. Аналогично и с таймером ContentionResolution, который определяет максимальное число субкадров UE, выделеных для ожидания передачи Msg3, перед тем как объявить отказ в процедуре установления соединения.

Всякий раз, когда устройство имеет данные для передачи, он начинает соперничать с другими подобными устройствами за доступные ресурсы канала PRACH. Вероятность успешной передачи последовательности преамбулы равна 1-е-1, где i-индекс попыток передачи и L1 обозначает максимальное число этих попыток. После K0 субкадра происходит пауза, которая необходима для избежания пересечения с предыдущим приемом Msg2 (эта пауза является response window), после новое окно ответа размером K начинает отчет таймера до повторной передачи преамбулы. В новом окне ответа eNB посылает сообщения Msg2, которые равномерно распределены по субкадру. В случае, если оконечное устройство NB-IoT не получило Msg2, то есть передача не проходит из-за коллизий или недостаточной мощности, то, связанные с этим устройством, устройства перезапускают процедуру RA после случайного таймера W, где W представляет собой таймер отсрочки передачи, выбраный в пределах равномерного распределенного окна отсрочки Wmax.

После успешного приема сообщения RAR, устройство NB-IoT начинает обработку Msg3 для передачи в течение tpr. Затем он передает Msg3 и ожидает ttx — 1 для передачи Msg4. Сообщения Msg3 и Msg4 успешно доставлены с вероятностью П3 и П4. Максимальное число попыток передачи равно L3.

Согласно [5], общая задержка при установлении соединения рассчитывается как сумма задержек процедурMsg1,Msg2 и процедуры установления соединения RRCMsg3, Msg4.

Е[т] = Е[т(1)] + Е[т(2)] , (1)

где: Я[т(1)] - время ожидания от активации оконечного устройства до окончания процедуры передачи преамбулы Msgl и ответа на нее Msg2, а Е[т(2)] — время ожидания до установления соединения RRC.

В свою очередь эти составляющие рассчитываются как:

Ожидаемая задержка Msg3/Msg4.

Расчет ожидаемой задержки производится по формуле: _ (2)

где: п3 — среднее число передач между М^3 и М^4 и расчитывается:

% = щх tn3=i п(1 — ЩХГ-1 = ±[1 — (1 — ntx)L* (1 + L3ntx)] , (3)

ntx

где: ntx = п3 * п4 —вероятность удачного приема сообщений Msg3 и Msg4.

Ожидаемая задержка Msg1/Msg2.

При расчете данной задержки, мы может произвести расчет, пренебрегая коллизиями при установлении соединения, тогда:

Е[т(1]=с1(К1 + К0+К+Щ+^+1 — -м, (3)

где: ш — среднее время ожидания перед повторной передачей преамбулы и оно равно ш = С2(С2 + 1) + (с2 + Ъ+ Ьс3)(№ — Ьс3 — с2) + Ъс3с2.

Если в расчете учитывается влияние коллизий на задержку, то формула преабразуется в:

, (4)

где: ву — вероятность нахождения устройства в состоянии коллизии:

Д. = (М-1)\ 1 - р)м-' . (5)

^ (]-1)\(м-])\ у г; V у

Данный алгоритм расчета позволит понять среднее время нахождения устройства в различных состояниях для корректного расчета энергопотребления устройства. Для расчета энергопотребления оконечных устройств будем опираться только на ситуацию с возникновением коллизий при установлении соединения. Результат численного анализа задержек соединения вынесен в табл. 2.

Данные результаты доказывают тот факт, что с ростом числа устройств в сети, будет увеличиваться вероятность возникновения коллизий при установлении соединения, а, следовательно, будут расти задержки при установлении соединения.

Методика расчета энергопотребления оконечных устройств

Оконечное устройство, будь то датчик, смартфон или другое устройство может находиться в двух состояниях. RRC_IDLE - состояние, при котором оконечному устройству не предоставляется ресурс сети. В данном состоянии потребляемая мощность устройства мала, так как приемопередатчик в основном выключен; и RRC_CONNECTED - состояние, в котором устройству предоставляется ресурс для передачи данных.

Таблица 2

Параметр Обозначение Значение

Задержка Msg3/Msg4

Среднее число попыток передачи преамбулы П 1,233

Средняя задержка Е[т(2)], мс 12,398

Ожидаемая задержка : Msg1/Msg2 без коллизий

Средняя задержка при передаче преамбулы с первой попытки £[т(1)|1 попытка|], мс 8,5

Ожидаемая задержка Msg1/Msg2 с коллизиями

Число устройств M2M

100 150 200

Вероятность коллизии 0,0025% 0,0060% 0,0080%

Среднее число попыток передачи преамбулы П 1,026 1,035 1,038

Средняя задержка Е[т(1)], мс 15,87 16,71 17,42

Для того, чтобы устройство вышло из состояния IDLE, инициируется процедура установления соединения, описанная выше.

Однако оконечными устройствами интернета вещей, в частности устройствами NB-IoT используется режим энергосбережения для увеличения времени автономной работы. Данный режим получил название Power Save Mode (PSM). Опишем данную процедуру подробнее [6].

Оконечное устройство активирует режим энергосбережения PSM путем запуска двух заранее заданных значений таймера обновления зоны обслуживания (Tracking area update, TAU). Первый таймер - 73324 задает временной промежуток времени, которое устройство будет находиться в режиме ожидания RRC IDLE или в режиме DRX. Второй таймер T3412 -отображает общее время нахождения оконечного устройства в режимах DRX и PSM.

Затем, когда сеть освобождает соединение RRC после получения TAU, таймеры T3324 и T3312 запускаются снова, а устройство ведет себя как любое зарегистрированное в сети устройство, но находится при этом в режиме ожидания. Время действия таймера T3324 называют активным временем, так как в это время можно связаться с NB-IoT устройством. Как только T3324 истекает, устройство входит в режим PSM до конца таймера T3312, при этом в данный промежуток времени, устройство будет работать на минимальной мощности.

Анализ энергопотребления оконечных устройств будет проведен в двух режимах: • без использования режима PSM, рис. 2.

Энергопотребление

5

G О

IDLE

|Время

Рисунок 2

• с использованием режима PSM, рис. 3.

Рисунок 3

Для начала необходимо определить энергетические исходные данные по энергопотреблению (табл. 3). Требуемая автономия устройства - 24 часа в сутки. Расчет произведен в соответствии со сценариями, отображенными на рис. 2 и 3, а также с учетом расчитанных ранее задержек.

Таблица 3

Обозначение Параметр Значение

Po Затраты мощности в режиме PSM 0 мВт

Pi Затраты мощности в режиме Idle 0,05 мВт

P2 Затраты мощности на обработку и прием 50 мВт

P3 Затраты мощности на передачу 50 мВт

Опишем алгоритм расчета:

• Вычисление процента времени, проведенного в каждом из состояний.

• Определение совокупной мощности нагрузки и постоянного тока разряда.

• Вычисление необходимого времени автономной работы устройства.

Исходя из алгоритма, предложенного выше, необходимо расчитать время, которое устройство провело в различных состояниях:

• Время затраченное на передачу Msg1/Msg3:

Чг=1(К1П + ;±-(1-(1-щх)1з(1 + 13щх)) . (6)

• Время затраченное на прием Msg2/Msg4:

Ч2=1 (К(п-1)+^ + 1рг+^(1-(1-щх)1* (1 + ЬзЩх)). (7)

• Время затраченное на состояние DRX:

Ч1=\(\ + К0п + (п-1)Щ . (8)

Следовательно, принимая во внимание выше перечисленное, общий объем энергии, затраченный NB-IoT устройством, может быть вычислен:

е = Р0(1 -43-42- 41) + Р1Ч1 + Р2Ч2 + РзЧз. (9)

Опишем алгоритм расчета автономной работы оконечного устройства с учетом вероятности коллизии при установлении соединения, полученному в п. 2, и связанной с этой задержкой.

д = цг + ч2 + Ч1,

Для расчета потребления энергии за передачу одного блока информации необходимо расчитать время передачи одного пакета данных:

т —

пер

где: д1=100 байт - блок данных от M2M устройства к eNB,

Rм2м=200 кбит/с - скорость передачи данных, описанная в спецификации NB-IoT.

Помимо самого блока данных, необходимо оговорить передачу/прием сигнальных сообщений (без учета процедур безопасности). Следовательно передача сигнального собщения займет:

Т =

1 сляг

RM2M

Из этого следует, что общее время, затраченное на передачу сигнальных сообщений и блока данных, равно:

Т = Т +2 *Т

1 пакета 1 пер ' ^ 1 сиг.

В итоге рассчитаем энергопотребление на передачу блока данных и сигнальных сообщений:

е = Т * Р + t л * Р

спакета 1 пакета ' 2 ' Lo6p 1 1>

где: to6p~10 мс - время обработки запроса в планировщике eNB.

Следовательно, зная расход энергии на процедуру установления соединения и передачу блока данных в 100 байт, рассчитаем энергопотребление на всю операцию:

efu г г[1 передача] = букета + е. Произведем расчет энергопотребления устройства в течении года:

efuiг[год] = 365 [дней] * 24 [часов] *к* efM[1 передача].

где: k - число передач за сутки.

В состоянии Idle устройство будет находиться после каждой передачи пакета информации, тогда энергопотребление в этом состоянии будет равно: е 1ПЬЕ[год] = 365 [дней] * 24 [часов] * 60 [мин] * 60 [сек] * Рг. Выходит, суммарное энергопотребление можно вычислить как:

efu i г[ id I е] = efu i г[год] + еШЬЕ[год]. Следовательно, время автономной работы устройства в режиме Idle составит:

P^at

tfull

[id le]'

где:

bat - емкость аккумуляторных батарей. Однако с использованием режима PSM в момент нахождения устройства в режиме PSM, оно практически не затрачивает энергию.

Время автономной работы составит:

pbat

ТыогкРМ] =

efuidPSM]'

Произведем численный анализ автономного времени работы оконечного устройства при следующих условиях. Сигнальные сообщения занимают 59 байт для передачи сообщения по линии вверх и 136 байт для приема сообщений по линии вниз без учета переданных 100 байт по линии вверх. Расчет будет выполнен при условии, что все оконечные устройства используют три батареи ААА 1,25В с емкостью 1000 мА. Устройство передает информацию три раза в день по 100 байт информации.

Полученные результаты вынесем в табл. 4.

Таблица 4

Число NB- Размер блока данных

Параметр IoT I

устройств 1

Энергопотребление 100 0,827*10-3

на процедуру RA,

Вт*с 150 0,828*10-3

200 0,829*10-3

Энергопотребление 100

на передачу блока данных, Вт*с 150 0,20*10-3 0,99*ю-3 2,00*10-3

200

100 2719,28 4772,39 7461,99

Энергопотребление 150 2721,34 4774,46 7464,05

за год, вт с 200 2722,81 4775,94 7465,53

Время работы 100 2,095 1,418 0,996

устройства в 150 2,094 1,417 0,995

режиме IDLE, лет 200 2,093 1,417 0,995

Время работы 100 3,310 1,886 1,206

устройства в 150 3,307 1,885 1,206

режиме PSM, лет 200 3,305 1,884 1,205

Исходя из таблицы, можно сделать вывод о том, что с ростом числа устройств в сети и ростом объема пакета данных энергопотребление устройства будет линейно расти, особенно это заметно в случае повышения объема пакета данных до 1 килобайта и с числом устройств в сети равным 150. По данным результатам можно прогнозировать приблизительные временные рамки автономной работы оконечного устройства при большем числе подключенных устройств к сети.

Также следует произвести сравнение времени работы оконечных устройств, использующих режим PSM, с традиционным алгоритмом работы устройства. Визуализируем результат в виде графика, изображенного на рис. 4. График отображает расход емкости аккумулятора устройства от времени в днях.

со

16000

14000

(О

О 12000

I-

к

| 10000

| 8000 (0

6000

и

О *

v 4000

4

5 2000

(О

о.

IDLE PSM

0

Время, дни

Рисунок 4

Исходя из предоставленного графика можно сделать следующий вывод, использование режима PSM в оконечных устройствах позволит выиграть во времени автономной работы на 49 % по отношению с традиционным режимом работы IDLE.

Заключение

В рамках исследования были определены причины возникновения задержек при установлении соединения, к которым относится ограниченность последовательностей преамбул. Был проведен численный анализ задержек, а также вероятностей возникновения коллизий, на основе которого была предложена модель для расчета энергопотребления оконечных устройств стандарта NB-IoT. Предложенная модель позволяет прогнозировать приблизительное время работы оконечного устройства в заданном режиме, также приведено сравнение автономного режима работы устройства с использованием режима PSM и без него. В результате сравнения был определен явный рост автономного времени работы оконечного устройства при использовании режима PSM. Приведенный в работе алгоритм подходит для расчета параметров оконечных устройств стандартов LTE-M, NB-IoT. Для использования модели в других системах необходимо вносить корректировки в алгоритм.

Литература

1. Популярность мобильного Интернета неуклонно растет // ComNews, 2015. URL: http://www.comnews.ru/node/98445 (дата обращения 01.11.2019).

2. 3GPP TS 36.101 v15.6.0, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception (Release 15), 04.2019.

3. 3GPP TS 36.211 v14.4.0, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation (Release 14), 09.2017.

4. 3GPP TS 36.322 v14.0.0, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Link Control (RLC) protocol specification (Release 14), 03.2017.

5. Carles Anton-Haro and Mischa Dohler, Machine-to-machine (M2M) Communications: Achitecture, PerformanceandApplications, 2014. - 426 с.

6. Optimizing Idle State Configuration to Improve Power Saving for M2M Communication over LTE Networks, P.G Scholar (IJSRD/Vol. 3/Issue 03/2015/222).

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО БЕСПРОВОДНОМУ ОПТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ

С.В. Мышьянов, начальник НОЦ «ТИОС», Санкт-Петербургский государственный

университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, [email protected];

Н.В. Бабаев, инженер НОЦ «БИС», Санкт-Петербургский государственный университет

телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, [email protected];

Г.А. Дмитриев, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им.

проф. М. А. Бонч-Бруевича, [email protected].

УДК 621.391.63_

Аннотация. В статье рассмотрен метод альтернативной передачи информации по беспроводному каналу, отличному от радиоканала. Рассмотрен комплекс оптической беспроводной передачи информации, реализованный на базе Arduino Uno. Приведена методика проведения эксперимента для нахождения оптимальной частоты мерцания светодиода. На основании данной методики был проведен эксперимент, в результате которого была получена требуемая частота, а также сделаны выводы о функционировании разработанного комплекса.