创新方法全面深度评测NB-IoT芯片性能和功耗

众所周知，通信性能和功耗是NB-IoT芯片最核心和最关键的两项指标。

无线信号传输过程中，会因为各种原因发生不同程度的衰减。在不同信号强度下能够进行正常通信，是任何无线通信产品的最基本要求。性能对于NB-IoT尤其重要，这是因为NB-IoT广泛用于智能水表、燃气表，而水表和燃气表安装的地方，通常有箱体包围，且有可能安置在地下室，有较大可能发生信号不好的情况。

一般把模块完成驻网（和基站达成网络连接），并完成预期的数据接收和数据发送称为业务任务。能否在要求的信号强度下成功完成业务任务，是产品合格的前提。

在《NB-IoT智慧水表白皮书2018版》一文中对于NB-IoT信号强度的规定和要求如下：

其中，RSRP为参考信号接收功率，其数值大小表示无线信号的强弱。

功耗也同样意义重大。智能水表、燃气表都采用电池供电，并且期望使用寿命是6~8年。NB-IoT芯片作为智能表计电池电量的主要消耗者，其功耗水平直接关系到每台水表、燃气表的使用寿命。客户绝不希望发生由于NB-IoT芯片耗电高导致电池寿命短，最终造成价值数百元的智能表计提前报废的情况。

尤其是，随着NB-IoT连接数不断攀升，多个终端接入网络发生冲突的概率增加。在发生冲突时，一台水表、燃气表需要一天多次上报数据，从而会消耗数倍的电池电量。另外，NB-IoT的功耗和无线信号的强弱关联极强。在弱信号区域（以下简称“弱信区”），需要花费更长的接收和发射时间完成通信；弱信区容易业务失败，失败时需要多次发起业务，从而带来功耗大大增加。这些都对NB-IoT芯片的功耗提出了更加严苛的要求。

长期以来，对于这两个至关重要的指标，即便是行业内的客户，理解常常是片面的，测试方法也比较单一。比如，业界通常使用的性能指标只有灵敏度，功耗指标只有PSM电流。上海移芯通信科技有限公司（以下简称“移芯”）的NB-IoT产品的灵敏度和PSM电流均为业界领先水平。但是，我们必须看到，仅仅这两项细分指标，并不能准确反映芯片的性能和功耗水平。比如，灵敏度只反应了弱信号下的接收性能，并未反映搜网和发射性能；而对于NB-IoT的日常使用，PSM电流消耗在总电流消耗中的占比更是微乎其微。

究竟应以何种方式更加科学地评测NB-IoT芯片的性能和功耗，我们认为理论必须与实践结合，“实践是检验真理的唯一标准”。客户并不需要一两个抽象的、“不知所云”的数字，而是需要真切地知道，一个NB-IoT芯片（或模块）在实际网络中，具备什么信号条件下能够正常通信（性能），以及各种信号条件下具体消耗多少电量（功耗）。为此，移芯设计出创新的NB-IoT评测方法，能够直观、准确地给出NB-IoT在实际网络中各种条件下的真实性能和功耗。

当前，几乎所有的NB-IoT产品形态和业务模式，包括水表、燃气表、烟感探头、门禁等，都是遵循主叫模式（MO），即该产品每天（一次或多次）自主唤醒，驻网并向网络侧发送几十~几百byte的数据，然后重新进入休眠等待下次醒来。移芯的测试方案采用这种最普遍的业务模式。

测试方案的主要思想为：借助可调衰减的屏蔽箱，以1dB精度，遍历高、中、低的RSRP；在每个RSRP下，被测试NB-IoT芯片（模块）完成多次与实际网络驻网和通信，从而得到该RSRP下对应的业务成功率和每次完成业务的消耗电量(以下简称“耗电”)。

01、测试样品

我们通过正规商业渠道，购买了三种商用NB-IoT模块的多块开发板进行测试。经测试，同型号的所有模块测试结果基本相同。从三种商用NB-IoT模块中各随机选取一个构成样品1、2、3。具体如下表所示：

三个样品示意如下：

02、 测试环境

测试环境按如下方式搭建：

03、 测试步骤

step1：电流表（N6705C）开始记录电流，配置可编程衰减器的衰减值；

step2：被测板卡上电开机，电压设置3.6v；

step3：通过AT命令循环查询板卡，驻网是否成功；

step4：驻网成功后，记录当前RSRP，建立onenet连接并向平台发送700Bytes数据；

step5：发送成功后，onenet客户端注销；

step6：发送AT+CFUN=0；

step7：被测板卡掉电，电压设置为0v；

step8：等待0.4s；

step9：电流表（N6705C）停止记录电流；

step10：统计电流平均值、测试完成时间；

step11: 上面步骤循环10次，统计成功率；

1. CE0区间：RSRP≥-105dBm

2. CE1区间：-105dBm>RSRP≥-115dBm

3. CE2区间：-115dBm>RSRP≥-125dBm

4. 极限测试：RSRP<-125dBm

01.单次业务成功率

单次业务成功率，指终端产品（如水表、燃气表）每天从休眠中醒来，发起单次业务任务并成功的概率。三个样品的业务成功率如下图所示：

说明如下：

1）横坐标为RSRP。横坐标从左到右，代表RSRP从大到小，即信号强度从强到弱。

2）纵坐标为业务成功率。最小为0%，代表业务总是失败。最大为100%，代表业务总是成功。

3）成功率越大代表性能越好，所以，图中的曲线，越处于图的上部和右部，表示性能越好。

4）通信失效点定义为无法保证终端产品每天成功上报数据的RSRP的最大值。在图中为红色横向虚线与各条曲线的交点。该RSRP的数值（该交点的横坐标值）越小，代表性能越好。

5）从图中可以清晰地查到每种模块在每个RSRP对应的的单次业务成功率。

我们再来推导终端产品对单次业务成功率的要求。经了解，目前水表、燃气表行业的惯常方法，是每天发起一次业务，如业务失败，则在一定时间后再发起一次业务，直到业务成功或者达到3次/天的上限为止。每天上报成功率需大于98%，即每天上报失败率需小于2%（每50天允许漏报一次），则：

即单次业务成功率需大于72.86%，在图中用红色横向虚线表示，并以此定义通信失效点。

02.单次成功业务耗电

单次成功业务耗电，指终端产品（如水表、燃气表）从休眠中醒来，完成单次成功的业务任务的过程中消耗的电流，单位是mAH。

需要强调，单次业务成功的耗电并不等于水表、燃气表一天中NB-IoT通信的耗电。水表、燃气表一天可能会多次尝试发起业务。即，业务失败时会不断尝试再次发起业务。

实测时我们发现，一些性能较差的模块，一天总共三次尝试发起业务但全都失败了，反而获得“更好”的功耗。这是因为三次都失败不用上传数据，三次业务失败的耗电，反而低于一次业务成功的耗电。但此时基本功能已经丧失，再谈功耗已经无任何意义。

为了避免性能因素影响功耗结果并产生谬误的结论，我们最终采用单次成功业务耗电作为功耗衡量指标，而不是一天内的耗电。

另外需要说明，当RSRP低于工作极限值，即业务成功率为0时，已无法完成业务，因而无法测量得到单次业务成功的耗电。对于这种情况，下图显示20mAH作为上限值以示区别。

三个样品的测试功耗（低功耗）情况如下图所示：

说明如下：

1）将中、强信区和弱信区分为两张图，可以清晰看到随着信号变弱（RSRP减小），单次成功业务耗电迅速增加，差距达到一个数量级以上。这意味着，弱信区（第二张图）的功耗表现，决定了电池容量需求或者电池寿命。

2）纵坐标为单次成功业务耗电量，数值越小代表功耗越低（越优）。所以，图中的曲线，越处于图下部，表示功耗越好。

3）从图中可以清晰地查到每种模块在每个RSRP对应的单次成功业务耗电。

EC616和样品2、3的单次成功业务耗电对比和倍数关系见下表。

综上所述，采用本文提出的创新测试方法，能够得到各种信号条件下的、全面的NB-IoT芯片性能和功耗，结果一目了然，值得在业界推广。