مدیریت توان در ماژولهای مخابراتی - آشنایی با مد های eDRX و PSM

با گسترش اینترنت اشیا (IoT) و استقرار میلیاردها دستگاه متصل، چالش تأمین انرژی برای این تجهیزات به یکی از مهم‌ترین مسائل پیش روی طراحان و توسعه‌دهندگان تبدیل شده است. برخلاف تلفن‌های همراه که به طور منظم شارژ می‌شوند، بسیاری از دستگاه‌های IoT مانند کنتورهای هوشمند و حسگرهای محیطی در مکان‌های دورافتاده یا صعب‌العبور نصب می‌شوند و قرار است برای سال‌ها بدون نیاز به تعویض باتری یا مداخله فیزیکی کار کنند. اینجاست که مفهوم مدیریت توان در ماژول‌های مخابراتی اهمیتی حیاتی می‌یابد. فناوری‌های مخابراتی سلولی مانند 2G، 3G در ابتدا برای دستگاه‌های شخصی طراحی شده بودند و مصرف انرژی بالایی دارند، زیرا دستگاه باید به طور مداوم در تماس با شبکه باشد. اما با ظهور نسل چهارم (4G) و به طور خاص فناوری‌های بهینه‌شده برای IoT مانند LTE-M و NB-IoT، استانداردهای جدیدی برای کاهش چشمگیر مصرف انرژی معرفی شدند. از میان این راهکارها، دو ویژگی کلیدی حالت ذخیره انرژی (PSM) و دریافت ناپیوسته (eDRX) خودنمایی می‌کنند که در ادامه آنها را باهم بررسی میکنیم. 

مدیریت توان با eDRX,PSM

برای مدیریت توان ماژول لازم است آن را در زمان‌هایی به حالت خواب ببریم؛ برای اینکار ابزارهایی از نسخه 12 استاندارد 3GPP معرفی شدند و به ماژول مخابراتی اجازه می‌دهد تا برای مدت زمان طولانی به یک “خواب عمیق” فرو برود. در این حالت، ماژول همچنان در شبکه متصل باقی می‌ماند و نیازی به انجام پروسه‌های پرمصرف اتصال مجدد (Attach) پس از بیدارشدن ندارد، اما فرستنده-گیرنده آن به طور کامل خاموش است که باعث کاهش شدید مصرف باتری میشود. خاموش بودن فرستنده و گیرنده ماژول در مود PSM اتفاق می‌افتد و اگرچه باعث صرفه‌جویی در باتری میشود و مصرف جریان آن به چند میکروآمپر کاهش می‌یابد اما این بدان معناست که دستگاه در طول دوره PSM غیرقابل دسترسی است. به عنوان مثال، یک کنتور آب یا گاز هوشمند می‌تواند ۲۳ ساعت و ۵۰ دقیقه از شبانه‌روز را در این حالت سپری کند و تنها برای ارسال داده‌های مصرفی خود برای چند ثانیه بیدار شود. PSM برای کاربردهایی ایده‌آل است که صرفاً در بازه‌های زمانی مشخص نیاز به برقراری ارتباط با سرور دارند و تأخیر در دریافت پیام‌های Downlink برایشان قابل قبول است. مکمل این ویژگی، eDRX است که به دستگاه اجازه می‌دهد در حالت آماده‌باش (Idle) با فواصل زمانی طولانی‌تر به شبکه گوش کند و در نتیجه مصرف انرژی را نسبت به حالت DRX سنتی کاهش دهد. درواقع eDRX فاصله زمانی بین چک‌کردن Paging را افزایش می‌دهد تا مصرف انرژی کاهش یابد اما UE (User Equipment) همچنان قابل دسترسی بماند. در حالی که PSM برای حداکثر ذخیره انرژی طراحی شده، eDRX تعادلی بین مصرف انرژی و دسترس‌پذیری برقرار می‌کند و برای موارد استفاده‌ای که نیاز به دریافت پیام‌های گاه‌به‌گاه از شبکه دارند مناسب‌تر است. در نهایت، مدیریت صحیح توان با بهره‌گیری از PSM و eDRX نه تنها طول عمر باتری دستگاه‌های IoT را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد، بلکه هزینه‌های نگهداری و تعویض باتری را کاهش داده و پایداری و مقیاس‌پذیری راه‌حل‌های IoT را تضمین می‌کند. با این حال، استفاده مؤثر از این ویژگی‌ها مستلزم پشتیبانی اپراتور شبکه همراه و پیکربندی صحیح تایمرهای مربوطه بر اساس نیازمندی‌های دقیق کاربرد نهایی است. از آنجا که این فناوری براساس تایمرها ایجاد شده در ادامه این مطلب تایمرهای شبکه را بررسی میکنیم.

جدول مقایسه این دو استاندارد:

زمانبندی و مدیریت توان با تایمر

کار مدیریت مصرف توسط چند تایمر که در استاندارد 3GPP تعریف شده انجام میشود. در معماری 3GPP، تایمر یک مکانیزم کنترلی در لایه‌های سیگنالینگ (عمدتاً NAS و RRC) است که رفتار زمانی ماژول (UE) را تنظیم می‌کند تا سه مسئله اصلی حل شود:

1. کنترل بار سیگنالینگ شبکه برای جلوگیری از ازدحام در شبکه‌: با توجه به اینکه کانال‌های سیگنالینگ محدود هستند، کنترل بار سیگنالینگ باعث ثبات شبکه در ترافیک بالای پیامها میشود.
2. مدیریت دسترسی‌پذیری (Reachability): کنترل و بهینه‌سازی قابلیت دسترسی ماژول (UE) توسط شبکه، با در نظر گرفتن نیازهای سرویس و محدودیت‌های مصرف انرژی.
3. بهینه‌سازی مصرف انرژی ماژول (User Equipment): برای کاهش مصرف انرژی در دستگاه‌ کاربر (UE) بدون افت کیفیت سرویس مورد نیاز.

3GPP تایمرها را به صورت زیر تعریف می‌کند:

• هر تایمر در یک لایه مشخص (NAS یا RRC) تعریف می‌شود: لایه RRC جهت مدیریت ارتباط رادیویی با تایمرهای کوتاه‌مدت در حد میلی‌ثانیه است و لایه NAS جهت مدیریت نشست با تایمرهای میان‌مدت درحد چند ثانیه تا چند ساعت است.
• تنظیمات تایمرها توسط شبکه پیشنهاد یا تحمیل می‌شود و UE موظف است مطابق آن رفتار کند: زمان بندی تایمرها ممکن است در سرویس دهنده‌های گوناگون متفاوت باشند و نیاز است که ماژول به زمانبندی شبکه مقید باشد.
• اغلب به صورت یک Information Element در پیام‌های Attach Accept / TAU Accept ارسال می‌شود: زمانبندی در پیامهایی که ماژول از شبکه دریافت میکند قرار دارد. این پیامها پاسخی به درخواست ماژول و مربوط به لایه سیگنالینگ هستند.
• قالب کدگذاری آن‌ها استاندارد و بیتی تعریف میشوند: در استاندارد 3GPP، تایمرها به صورت فیلدهای بیتی (Bit fields) با فرمت مشخصی کدگذاری می‌شوند.

در شبکه‌های LTE قدیمی، UE باید به طور دوره‌ای TAU انجام دهد به این معنی که هر چند وقت یکبار (مثلاً هر ۵۴ دقیقه)، باید به شبکه بگوید: “من هنوز اینجا هستم و فعال هستم” و اگر این پیام را ارسال نکند از شبکه خارج میشود. این الزام باعث می‌شود:

• مودم نتواند برای مدت طولانی خاموش بماند.
• مصرف انرژی بالا برود.
• برای IoT با باتری محدود مناسب نباشد.

در شبکه های جدید این مدت بسیار زیاد شده و در استاندارد 3GPP در Release 12 به بعد (برای LTE-M و NB-IoT) مکانیزم Power Saving Mode (PSM) معرفی شد. PSM باید دو چیز را همزمان کنترل میکند:

• شبکه بتواند وضعیت UE را از نظر Mobility حفظ کند: شبکه همیشه باید بداند که UE در کدام ناحیه (مثلاً در محدوده کدام دکل یا ایستگاه پایه) قرار دارد تا اگر کسی خواست با آن تماس بگیرد یا داده‌ای برایش ارسال شود، شبکه بداند پیام را به کدام ایستگاه بفرستد.
• UE بتواند برای مدت طولانی بدون Paging به حالت خواب برود: به زبان ساده Paging یعنی شبکه به UE زنگ بزند و بگوید: “یک تماس یا پیام برایت رسیده، بیدار شو و آماده دریافت باش.” اگر بجای هر ثانیه دستگاه هر چند ساعت یکبار بیدار شود و این پیام را دریافت کند در مصرف باتری آن صرفه جویی میشود.

اینجاست که دو تایمر کلیدی تعریف می‌شوند:

• T3324
• T3412

T3324 — Active Time Timer

تایمر T3324 که با نام Active Time Timer نیز شناخته می‌شود، یک تایمر در پروتکل‌های شبکه 4G (LTE) و 5G است که مدت زمانی را که UE (گوشی یا دستگاه کاربر) پس از قطع ارتباط فعال (Connected Mode)، در حالت خواب سبک (Idle Mode) منتظر دریافت پیام‌های پیجینگ می‌ماند را مشخص میکند. به عبارت ساده‌تر تعیین می‌کند که UE قبل از اینکه به خواب عمیق برود تا چه مدتی به “پیام‌های شبکه گوش دهد”. برای درک بهتر این تایمر از یک مثال استفاده میکنیم. فرض کنید یک سنسور IoT داریم که هر ۱ ساعت یکبار داده ارسال می‌کند:

1. سنسور داده را ارسال می‌کند و وارد Connected Mode می‌شود.
2. پس از اتمام ارسال داده، شبکه به سنسور فرمان می‌دهد به Idle Mode برود و مقدار T3324 را مثلاً ۱۰ ثانیه تنظیم می‌کند.
3. در این ۱۰ ثانیه، سنسور در حالت Active Time است و هر چند لحظه یکبار بیدار می‌شود تا ببیند شبکه پیجینگی برایش دارد یا نه (مثلاً شاید سرور بخواهد فرمانی به سنسور بفرستد).
4. پس از اتمام ۱۰ ثانیه (انقضای T3324)، سنسور به خواب عمیق (Power Saving Mode) می‌رود و دیگر به پیجینگ‌ها گوش نمی‌دهد تا زمانی که خودش تصمیم بگیرد دوباره داده ارسال کند.

مشخصات و خصوصیات این تایمر:

 T3412 Extended — Periodic TAU Timer 

تایمر T3412 که با نام Periodic Tracking Area Update (TAU) Timer یا تایمر به‌روزرسانی دوره‌ای ناحیه Tracking شناخته می‌شود، یک تایمر در شبکه‌های 4G (LTE) و 5G است که حداکثر مدت زمانی را که UE می‌تواند بدون ارتباط با شبکه در حالت Idle یا Power Saving Mode (PSM) بماند تعیین می‌کند. تایمر T3412 مشخص می‌کند که UE هر چند وقت یکبار باید از خواب بیدار شود و به شبکه بگوید “من هنوز اینجا هستم و فعال هستم” تا شبکه او را از حافظه خود پاک نکند. برای درک بهتر از یک مثال استفاده میکنیم. مثلا یک دستگاه ردیاب خودرو (GPS Tracker) را در نظر بگیرید که هر ۶ ساعت یکبار موقعیتش را ارسال می‌کند:

1. دستگاه موقعیت را ارسال می‌کند و سپس برای صرفه‌جویی در باتری، وارد مود PSM می‌شود.
2. شبکه مقدار T3412 را مثلاً ۳۲۴ دقیقه (۵.۴ ساعت) تنظیم کرده است.
3. دستگاه به مدت ۵.۴ ساعت کاملاً در خواب می‌ماند و هیچ پیجینگی دریافت نمی‌کند.
4. پس از ۵.۴ ساعت (انقضای T3412)، دستگاه بیدار می‌شود و یک درخواست TAU (Tracking Area Update) به شبکه می‌فرستد تا بگوید: “من هنوز فعال هستم و در همین ناحیه هستم یا تغییر مکان داده‌ام؟”
5. اگر جابجا شده باشد، شبکه اطلاعاتش را به‌روز می‌کند.
6. دستگاه دوباره به خواب می‌رود تا زمان ارسال بعدی داده یا انقضای بعدی T3412.

مشخصات و خصوصیات این تایمر:

برای درک بهتر این دو تایمر تصویر زیر را ملاحظه بفرمایید:

برای درک بهتر موضوع اجازه دهید از مثال ردیاب استفاده کنیم:

مرحله ۱: روشن شدن دستگاه و اتصال به شبکه

ردیاب روشن می‌شود (مثلاً بعد از نصب روی خودرو یا بعد از خاموش بودن طولانی):

1. جستجوی شبکه: ردیاب آنتن‌های مخابراتی را جستجو می‌کند و به بهترین شبکه موجود متصل می‌شود.
2. ارسال درخواست Attach: ردیاب به شبکه می‌گوید: “من اینجام، می‌خواهم ثبت‌نام کنم.”
3. شبکه پاسخ می‌دهد (Attach Accept): شبکه به ردیاب می‌گوید ثبت‌نام تو قبول است و دو تایمر مهم را به آن ابلاغ می‌کند:

        T3324 = ۱۰ ثانیه (مدت زمان Active Time)

        T3412 = ۳۲۴ دقیقه (۵.۴ ساعت – مدت زمان Periodic TAU)

مرحله ۲: ارسال اولین داده (موقعیت مکانی)

ردیاب موقعیت فعلی خودرو را از طریق GPS گرفته و آماده ارسال است:

1. رفتن به Connected Mode: ردیاب برای ارسال داده وارد حالت Connected می‌شود.
2. ارسال داده: داده موقعیت (مثلاً ۵۰ بایت) به سرور ارسال می‌شود.
3. درخواست قطع ارتباط: پس از اتمام ارسال، ردیاب یا شبکه درخواست قطع ارتباط می‌دهد.

مرحله ۳: شروع تایمر T3324 (Active Time)

شبکه ارتباط را قطع می‌کند و ردیاب وارد Idle Mode می‌شود:

1. تایمر T3324 شروع می‌شود: ردیاب ۱۰ ثانیه فرصت دارد که در حالت نیمه‌فعال بماند.

    در این ۱۰ ثانیه چه می‌شود؟

1. ردیاب هر چند لحظه یکبار بیدار می‌شود و کانال پیجینگ را چک می‌کند.
2. اگر سرور بخواهد فرمانی به ردیاب بدهد همین ۱۰ ثانیه این فرصت را دارد. اگر پیجینگی نرسد: ردیاب تا پایان ۱۰ ثانیه منتظر می‌ماند.

مرحله ۴: انقضای T3324 و ورود به PSM

پس از ۱۰ ثانیه:

• تایمر T3324 منقضی می‌شود و دستگاه وارد مود Power Saving Mode (PSM) میشود به این معنی که به خواب عمیق می‌رود.

    در این حالت:

1. رادیو خاموش می‌شود (بیشترین مصرف انرژی).
2. پردازنده با حداقل توان کار می‌کند (فقط ساعت داخلی برای شمارش زمان).
3. هیچ پیجینگی دریافت نمی‌کند (یعنی اگر کسی بخواهد با ردیاب تماس بگیرد یا پیامی بفرستد، ممکن است موفق نشود).
4. تنها چیزی که فعال می‌ماند، تایمر T3412 است که در حال شمارش معکوس است.

مرحله ۵: ماندن در PSM با تایمر T3412

ردیاب در خواب عمیق به سر می‌برد:

• از دقیقه ۰ تا ۳۲۴: ردیاب کاملاً در خواب است.
• در ساعت ۳ (مثلاً): اگر خودرو حرکت کند و از محدوده خارج شود، چه اتفاقی می‌افتد؟
• ردیاب متوجه نمی‌شود چون GPS خاموش است و رادیو هم خاموش است!
• این یکی از محدودیت‌های PSM است: در طول خواب، دستگاه از جابجایی خود بی‌خبر است.

    تنها اتفاق مهم: ردیاب موقعیت را ثبت نمی‌کند، فقط منتظر انقضای T3412 می‌ماند.

مرحله ۶: انقضای T3412 و بیدار شدن اجباری

پس از ۳۲۴ دقیقه (۵.۴ ساعت) تایمر T3412 منقضی می‌شود و ردیاب بیدار میشود:

1. رادیو روشن می‌شود.
2. GPS روشن می‌شود (اگر نیاز به موقعیت باشد).
3. ارسال TAU Request: ردیاب به شبکه می‌گوید: “سلام، من هنوز اینجام. ببینم در همان ناحیه قبلی هستم یا نه؟”
4. بررسی موقعیت: اگر خودرو جابجا شده باشد، ردیاب ناحیه جدید را به شبکه اطلاع می‌دهد.
5. شبکه پاسخ می‌دهد (TAU Accept): شبکه تأیید می‌کند و دوباره مقادیر تایمرها را ارسال می‌کند (ممکن است همان مقادیر قبلی باشد یا تغییر کند).

مرحله ۷: ارسال داده دوره‌ای (هر ۶ ساعت)

ردیاب قرار بود هر ۶ ساعت موقعیت بفرستد. توجه کنید که T3412 روی ۵.۴ ساعت تنظیم شده، یعنی:

•     بیدار شدن در ۵.۴ ساعت: برای TAU اجباری.
•     بیدار شدن در ۶ ساعت: برای ارسال داده دوره‌ای و اختیاری.

تایمر T_eDRX

تا اینجا با PSM و تایمرهای مربوط به آن آشنا شدید اما eDRX از این تایمرها استفاده نمیکند و به جای آن از تایمر اختصاصی خودش استفاده میکند. در حالی که PSM توسط دو تایمر T3324 و T3412 مدیریت می‌شود، eDRX تنها با یک پارامتر کلیدی کنترل می‌گردد: طول چرخه eDRX که در استاندارد 3GPP با نام T_eDRX یا eDRX Cycle Length شناخته می‌شود. برخلاف PSM که ماژول را به خواب عمیق می‌برد، در eDRX ماژول همیشه در حالت Idle باقی می‌ماند و هرگز از شبکه خارج نمی‌شود. تفاوت اصلی اینجاست که فواصل زمانی “گوش دادن” ماژول به کانال پیجینگ افزایش می‌یابد.

برای درک بهتر به این تصویر توجه کنید:

همانطور که در تصویر مشاهده میکنید بجای اینکه ماژول در هر لحظه آماده دریافت اطلاعات باشد مدت کوتاهی در حالت خواب قرارمیگیرد که همین مدت کوتاه مصرف توان را کاهش میدهد. برای اینکه موضوع کاملا شفاف شود اجازه دهید از همان مثال ردیاب استفاده کنیم.

سناریو: ردیاب باید هر ۶ ساعت موقعیت ارسال کند، اما امکان دریافت فرمان لحظه‌ای (مثلاً باز کردن درب خودرو) نیز وجود داشته باشد. در این حالت PSM به دلیل غیرقابل دسترس بودن کامل، انتخاب مناسبی نیست و eDRX راه‌حل بهتری است.

مرحله ۱: ثبت‌نام در شبکه

ردیاب روشن می‌شود و پس از Attach، شبکه علاوه بر تایمرهای عادی، مقدار T_eDRX را نیز به آن ابلاغ می‌کند:

• T_eDRX = ۲۰ ثانیه (هر ۲۰ ثانیه یکبار گوش کن)
• PTW (Paging Time Window) = ۲ ثانیه (فقط ۲ ثانیه از هر چرخه را گوش کن)

مرحله ۲: ارسال داده دوره‌ای

ردیاب موقعیت را ارسال می‌کند و وارد Idle Mode می‌شود.

مرحله ۳: زندگی با چرخه eDRX

حالا ردیاب وارد ریتم زیر می‌شود:

1. ثانیه ۰ تا ۲رادیو روشن، گوش دادن به کانال پیجینگ (PTW)
2. ثانیه ۲ تا ۲۰رادیو خاموش، خواب سبک
3. ثانیه ۲۰ تا ۲۲دوباره رادیو روشن، گوش دادن
   و این چرخه تکرار می‌شود…

مرحله ۴: دریافت فرمان از سرور

فرض کنید در ساعت ۲:۳۰ بامداد، کاربر از اپلیکیشن موبایل فرمان “باز کردن درب خودرو” را صادر می‌کند:

1.  سرور پیام را به شبکه مخابراتی می‌فرستد.
2. شبکه تا ۲۰ ثانیه صبر می‌کند (چون می‌داند ردیاب هر ۲۰ ثانیه یکبار گوش می‌دهد).
3. در ثانیه ۲۰:۴۰ که پنجره بعدی گوش‌دادن است، ردیاب بیدار می‌شود، پیام را می‌بیند و قفل را باز می‌کند.

ردیاب با وجود دریافت فرمان، توانست ۱۸ ثانیه از هر ۲۰ ثانیه را در خواب بماند و مصرف باتری را کاهش دهد، بدون اینکه کاملاً غیرقابل دسترس شود. در این حالت ردیاب بیش از بیست ساعت در یک روز در حالت خواب قراردارد که رقم بزرگی است.

همانطور که در این مطلب مشاهده کردید فناوری جدید مدیریت باتری کمک شایانی برای دستگاه‌های IoT است و شما میتوانید با استفاده از ماژولهایی که از قابلیت‌های گفته شده پشتیبانی میکنند مثل ماژولهای EiCUT E70 و Quectel EC200 که در گروه ماژولهای LTE Bis قرارمیگیرند از این فناوری بهره‌مند شوید. LTE Bis نسخه‌ای بهینه‌سازی‌شده از فناوری LTE (نسل چهارم) است که برای کاربردهای IoT و ارتباطات ماشین‌به‌ماشین (M2M) طراحی شده است. این فناوری با تمرکز بر مصرف کمتر و هزینه پایین‌تر گزینه‌ای مناسب برای دستگاه‌های هوشمند که نیاز به کاهش مصرف انرژی دارند محسوب میشود.