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5G/LTE工作模式总结

5G和LTE模块的功耗管理是硬件设计和BSP驱动开发中非常核心的一环。为了在随时响应网络和最大限度省电这两个核心因素之间取得平衡，这些模块通常遵循3GPP规范并结合硬件接口，设计了几个梯次的工作模式。本文对这些工作模式进行了总结。 从高功耗到低功耗，5G/LTE模块一般包含以下几种核心工作模式： - 正常工作模式Active - 空闲模式Idle - 休眠模式Sleep - 飞行模式Flight !image.png Active Mode Active 模式是模块的全速运行状态。当设备正在进行语音通话、发送或接收网络数据报文（如通过Socket传输产测数据或视频流）时，模块就处于此模式下。 在这种工作模式下，模块的射频收发器全开，基带处理器也高速运转，模块与基站之间保持持续的RRC Connected状态。这意味着，模块与基站之间已经建立了一条专属的信令通道，并且基站为该模块分配了专用的物理层资源（比如特定的频段、时隙）。也就是说，模块不仅已经连上了网，而且基站已经给它预留了收发数据的专用信道资源，两者随时可以进行数据交互。 在这个 Active 状态下，模块射频链路的具体工作状态如下： - RX (接收端)：处于持续激活状态。 - TX (发射端)：并非持续常开，而是脉冲式的按需发射。当有业务数据要发送的时候，模块向基站申请资源，基站批准后，TX PA（功率放大器）才会在指定的微秒级时隙内瞬间开启，把报文发射出去，随后立刻关闭 PA 以节省功耗；而当没有业务数据的时候，TX 基本上是静默的，但为了维持RRC Connected的状态，TX 还是会周期性地短暂开启，发送一些底层的控制信令。 对于RF链路而言，其功耗的来源主要是TX部分。在 RRC Connected 的 Active 模式下，即便不需要发送业务数据，只要没掉回 Idle 模式，TX 也会定时与基站通信，这就是为什么 Connected 状态下即使没发数据，底噪功耗依然有上百毫安的原因所在。 此外，在高通、移远、广和通等模组厂商的硬件规格书中可以看到，Active 模式还分为好几种情况：LTE Max. Power Mode，LTE Max. Throughput Mode，SA SISO Max. Power Mode，SA Max. Throughput Mode。这几种子模式的核心区别在于：模块当前工作的功耗瓶颈是在射频前端的 PA（功率放大器）上，还是在核心基带的 DSP（数字信号处理器）上。 !5G_LTE_Power_Modes.png 这些工作模式下的电源功耗数据对于做系统的硬件功耗评估和电源网络（PDN）设计时非常关键：如果设备处于Max Power状态，电源就需要能够扛得住瞬间的大电流波动（比如需要加大的钽电容防掉电）；而如果处于Max Throughput状态，由于电流持续在一个较高的均值，此时就要重点解决板卡长时间运行的散热问题。 IDLE Mode 为了尽可能降低 LTE/5G 模块的通信功耗，当数据传输结束的时候，模块就会释放与基站的RRC连接，进入空闲 IDLE 状态。 在IDLE状态下： - 射频发射器 TX 完全关闭，但接收器 RX 会周期性地短暂开启，监听来自基站的寻呼消息（Paging）。这个机制被称为 DRX（Discontinuous Reception，非连续接收）。模块在这个状态下依然附着（Attach）在网络上，因此随时可以快速恢复到Active模式。 - IDLE 状态的功耗表现：中等。通常在十几到几十毫安（mA）之间，具体取决于网络配置的DRX周期长度（周期越长，越省电）。 > 💡 从这个所谓的 DRX 的工作流程上可以看到，这个机制与 WiFi 低功耗模式的 DTIM 机制非常类似。 !image.png 如何由 Active Mode 切换到 IDLE Mode？ 模块进入 IDLE 状态的决定权掌握在基站（网络侧）手中，模块本身不能单方面直接断开连接进入休眠状态，否则网络会认为模块异常掉线。 基站侧通常会维护一个 Inactivity Timer（不活动定时器） ： - 每次模块与基站之间有数据收发（无论上行还是下行），基站的这个定时器就会清零重置。 - 当数据传输停止，定时器开始计时。如果超过设定的时间（通常在几秒到十几秒不等，由运营商核心网配置）依然没有任何数据交互，基站就会认为这个设备暂时不需要通信了。 - 此时基站会通过控制信道向模块下发一条 RRC Connection Release（RRC 连接释放） 消息。模块收到这条指令后，会主动释放物理层资源，关闭发射机（TX），正式进入 RRC IDLE 状态。 !image.png 此外，为了更加极致的省电，3GPP 在最新的低功耗物联网规范（如 NB-IoT/Cat.M）中引入了 RAI（Release Assistance Indication，释放辅助指示） 功能。模块可以在发送最后一包数据时，带上一个标记，主动告诉基站通信已完成。基站收到后会立即下发 Release 消息，从而大幅节省模块在 Active 状态下的等待时间。 DRX与eDRX LTE模块的 DRX 机制实际上类似于 WiFi 模块的 DTIM 工作逻辑，允许模块周期性地休眠和唤醒来最大程度降低射频链路的功耗，同时又保持与基站之间的连接。在这种工作机制下，模块的 RX 大部分时间（Sleep Duration）都处于关闭状态，但每隔固定一段时间就会定时唤醒监听基站的广播信号，看有没有自己的数据包。通过这种机制就保证了在不漏接寻呼的前提下，大幅压榨了功耗。 在 LTE 模块数据手册的功耗数据部分，我们往往能够看到DRX=64/128/256这样的条件下的功耗数据。这些数字指的是 DRX 周期（DRX Cycle Length）。 在 LTE 和 5G 网络中，1 个无线帧的时长固定为 10 毫秒 (10 ms)。因此，将这些参数换算为实际的物理时间就非常简单了： - DRX = 64： 64 * 10 ms = 640 ms（即每 0.64 秒醒来监听一次） - DRX = 128： 128 * 10 ms = 1.28 s（即每 1.28 秒醒来监听一次） - DRX = 256： 256 * 10 ms = 2.56 s（即每 2.56 秒醒来监听一次） 随着物联网（如 NB-IoT、LTE Cat.M、甚至 Cat.1 bis）的爆发，有些设备（比如智能水表）一天只需要发一次数据，几百毫秒或者几秒钟 RX 唤醒一次还是太费电了。针对这个问题，3GPP 在 Rel-13 标准中引入了 eDRX。eDRX 的核心是超级加倍的休眠时间。它在传统 DRX 的基础上，引入了PTW (Paging Time Window，寻呼时间窗口)的概念。模块可以彻底休眠几十分钟甚至几个小时，醒来后，在 PTW 窗口期内再执行几次传统的 DRX 监听，随后再次进入漫长的深度休眠。 在这个eDRX模式下，模块和核心网在建立连接时，就会协商好 eDRX 的周期长度（比如 41 秒、甚至几十分钟）。在模块进入休眠之前，基站侧和模块会根据 模块 SIM 卡中的 IMSI 的最后几位数字，进行哈希计算决定每一次寻呼时间窗口的时隙。模块进入休眠之后，基站就把发给这个模块的寻呼消息先缓存起来，一直等到那个时隙，才通过天线广播出去，而模块也是在相同的时隙到来的时候打开接收天线，接收来自基站的消息。 !image.png Sleep Mode 首先一点，对于射频前端（RF）而言，IDLE 模式和 Sleep 模式没有任何区别。 在这两个模式下，网络侧的状态都是 RRC Idle，模块的射频接收器（RX）都在执行完全相同的 DRX 周期监听。 这两个模式在本质上的区别在于：LTE/5G模块内部的基带 SoC（数字核心）以及与主控相连的外设总线是否处于挂起状态。 与之相关的，存在以下几个方面的休眠/唤醒等功耗的影响因素： - 外设接口与总线：IDLE 模式下USB 总线处于全速或高速激活状态，单单维持一个高速 USB 连接，通常就需要消耗 10mA 到 20mA 的电流。而Sleep 模式下USB 接口进入 Suspend（挂起）状态，USB PHY 断电或进入极低功耗模式。 - 模块内部主 CPU：IDLE 模式下虽然没有网络数据收发，但模块内部的主 CPU（通常是 ARM 核心）依然保持着较高的时钟频率，处于正常工作（空转）状态；Sleep 模式下，模块的操作系统会切入底层的休眠态，主 CPU 大幅降频甚至进入休眠状态。 - 模块内部DDR：IDLE 模式下，模块内部的 DDR/LPDDR 内存处于正常的读写刷新状态。Sleep 模式下内存控制器进入 Self-Refresh（自刷新）模式，只保留最基础的微弱电流来维持数据不丢失。 通过以上几个方面的功耗优化，LTE 模块在 Sleep Mode 下通常可以降至 2mA 到 5mA 左右。 那么当模块处于Sleep Mode下，当有数据收发需求的时候，模块是如何被唤醒的呢？这个唤醒逻辑，可以分为网络侧和主控侧两个方面。 - 网络侧唤醒：如果有来电或下行数据，模块会被基站寻呼唤醒，随后通过特定的硬件引脚（如 RI 振铃指示引脚）拉低或通过USB Resume中断来唤醒主控。 - 主控侧唤醒：主控如果需要发数据，通常会通过拉低/拉高一个专用的GPIO（如 DTR 引脚）或触发USB唤醒信号，将模块 CPU 从Sleep状态拉起。 Flight Mode 飞行模式 Flight Mode 就比较简单了。一般通过AT指令（如 AT+CFUN=4）或专属硬件引脚（如 W_DISABLE#）触发进入飞行模式。 在模块处于飞行模式下，模块会直接切断射频电路的供电，因此模块与基站断开连接，但基带处理器的其他部分（如SIM卡接口、部分外设）可能还在工作，主控依然可以通过AT指令与模块通信，后续可以通过AT指令再把模块设置为Active状态。 参考资料 - https://www.rfwireless-world.com/tutorials/lte-rrc-state-diagram-idle-connected - 4G | ShareTechnote

LTE CAT 1技术的相关信息汇总

LTE CAT 1模块的特点及其主要应用领域 LTE CAT1规范在2008年的3GPP Release 8中首次发布，在数据规格上可以提供10Mbps下行和5Mbps上行的通信能力，其目标主要是用于替换已经日薄西山的2G和3G模块在IoT领域中的应用，为这类计算资源受限、不需要太多通信带宽的应用提供可以连接4G网络基站的低成本通信解决方案。 LTE CAT 1模块所具备的典型应用特点使其非常适合用于各种IoT应用： - 可以提供中等带宽的通信能力。 - 功耗较低，尤其是相比于那些可以提供更高通信吞吐率的LTE规范，例如CAT4及其以上。 - 模块价格较低，目前LTE CAT 1模块价格普遍只有CAT 4模块的一半。 - 可以连接到所有的4G基站上，网络通信的覆盖范围更宽广。相比之下LTE-M和NB-LTE因为技术差异太大，无法连接到普通的4G基站上。 - 语音通话功能支持（LTE CAT 1可以支持VoLTE）等。 以下是蜂窝通信技术的演进架构图： !image.png LTE vs LTE-CAT 1 vs LTE-M 与LTE CAT1技术相比，LTE的更高规格模块（例如CAT 4及其以上）虽然可以提供远高于CAT 1的通信能力，但是功耗和复杂度更高，随之导致的硬件成本也更高；而各种LPWAN类型的通信技术（例如LTE-M）在功耗和通信的穿透能力上相比有更好的表现，但是这些技术普遍通信速率比较低以及通信覆盖范围也很小。因此，介于以上两种技术中间的LTE CAT 1技术则在各个方面得到了更好的平衡，因此更适合与对于通信带宽、成本、功耗、网络覆盖范围乃至语音通话能力等有一定要求的IoT应用。 以下是LTE、LTE CAT 1以及LTE-M三种技术在各个维护上的指标对比： !da4ad790-acad-450b-8fba-1aabc4300c08.png - 在基本的通信规格参数上，LTE CAT1与其简化版本LTE CAT 1bis一样，都是使用20MHz频宽，下行速率10Mbps，上行速率5Mbps，通信延迟小于100ms。 - 与LTE CAT1技术相比，NB-IoT以及LTE-M这类LPWAN技术的最大问题是，无法接入到现有的4G基站上，必须独立架设基站或者对当前的4G基站在软硬件方面做一些特殊的升级，对基站存在比较大的兼容性问题，这样的话就严重影响了其应用的范围和产品领域。 - 我们的智能手机上所使用的LTE及其5G芯片动辄可以提供数百兆的通信吞吐率，但是同样的也增加了LTE模块的硬件成本、系统复杂性和功耗。而实际上，对于绝大多数的IoT类型的应用而言，根本用不到太高的通信速率，但是对硬件成本和功耗则比较敏感，因此在这类应用中使用LTE CAT 1模块就更加合适。 - 在绝大多数IoT应用中，LTE模块的流量都是上行流量（例如向网络上传IoT设备采集的音视频数据和传感器数据等），因此为了进一步降低待机功耗，LTE CAT 1技术专门开发了一个低功耗模式PSM（Power Saving Mode），可以让模块在不进行数据传输的时候进入休眠模式，这样就可以极大地降低通信中的功耗。 LTE CAT 1bis LTE CAT 1bis是LTE CAT1的简化版本，在2017年的3GPP Release 13规范中首次发布。实际上今天我们大部分情况下所说的LTE CAT 1实际上指的都是LTE Cat 1bis。 与LTE CAT 1一样，LTE CAT 1bis同样可以无缝的接入到所有已部署的4G基站上，但LTE CAT 1bis在标准的LTE CAT1的基础上，在技术层面上进一步简化以降低成本。LTE CAT 1bis在技术上的简化主要是去掉了CAT 1模块中Rx天线的分集天线，在Rx上只保留一个天线。 !image.png 这样做的好处是硬件设计更简单，少一根天线模块的尺寸更小，成本更低，在信号好的情况下可以提供与LTE CAT 1模块相同的通信吞吐率，但是因为去掉了Rx的分集天线，也就导致1bis模块的接收灵敏度相比同样条件下的CAT 1模块低3dB。 !image.png 使用CAT 1bis模块的另外一层顾虑是，CAT 1模块在全世界的绝大多数网络运营商都没有太大的兼容性问题，但是1bis模块的使用在运营商接入方面的兼容性和支持的全面性上相比CAT1模块要差一些。例如部分北美运营商不支持在1bis模块上使用语音通话VoLTE的功能。 参考文档 - LTE Cat 1 | u-blox