【Nordic博文分享系列】nRF91中的LTE和GPS

nRF91系列支持LTE - M、NB-IOT和GPS。

卫星的星历数据和共享的年历数据：

• 星历数据：提供了发射它的卫星的轨道信息。这些数据在四小时内有效，之后就会变得不准确。

• 年历数据：为每个卫星在星座中提供粗略的轨道和状态信息。每个卫星都会广播所有卫星的年历数据。

• 接收器的时钟偏差：GPS接收器内部时钟与GPS卫星的原子时钟之间的时间差，由于GPS接收器通常使用的是晶体振荡器，其精度远低于卫星上的原子时钟，因此会存在一定的时钟偏差。

所以，在寻找GNSS定位时，有四个未知数 - 纬度、经度、海拔和时钟偏差。这就导致了需要解决一个有四个未知数的方程系统，因此至少需要追踪四颗卫星才能获得定位。

卫星的信噪比（Carrier-to-Noise Density Ratio）是衡量卫星信号强度的一个重要指标。在GNSS接收器中，通常认为当信噪比大于30 dB/Hz（对应的cn0值为300）时，该卫星被认为是“健康”的，可以用于定位计算。

如何看懂GPS数据呢？

GPS数据通常以NMEA（National Marine Electronics Association）格式进行传输。NMEA是一种ASCII表示的GNSS数据，是所有GPS制造商支持的标准数据格式。它具有标准化的消息结构，以下是nRF9160支持的所有NMEA消息及其包含的内容：

• NMEA GGA – 全球定位系统修复数据

• NMEA GLL – 地理位置

• NMEA GSA – GNSS DOP和活动卫星

• NMEA GSV – 视野中的卫星

• NMEA RMC – 推荐的最小特定GNS数据

例如：

 $GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47

对上面的NMEA，可以如下理解：

Single shot 模式就是GPS定位一次后，modem进入sleep模式。GPS定位时间，也被称为首次定位时间（Time to First Fix，TTFF），主要取决于以下几个因素：

要启用Single Shot模式，需要将间隔设置为0，超时时间参数为非零。那么如果没有产生有效的PVT，GNSS将在超时时间结束后停止。如果超时时间参数设置为零，GNSS将被允许无限期运行，直到产生有效的PVT估计。

以下是如何在代码中设置Single Shot模式的示例：

在这个例子中，GNSS被设置为Single Shot模式，并且如果在180秒内没有产生有效的PVT估计，它将停止运行。

（2） 周期性定位模式
（Positioning fix in interval）

其中GNSS接收器在设定的时间间隔内重复产生位置、速度和时间（PVT）。在每个定位间隔之后，GNSS接收器会自动关闭以节省电源，然后在下一个定位间隔开始时自动重新启动。要启用周期性定位模式，需要设置一个大于0的定位间隔和定位延时参数。如果定位延时参数为非零，那么如果在定位延时时间内没有产生有效的PVT，GNSS将在定位延时时间结束后停止，以达到省电的目的。如果定位延时时间参数设置为零，GNSS将被允许在整个定位周期间隔内运行。

以下是如何在代码中设置周期性定位模式的示例：

在这个例子中，GNSS被设置为周期性定位模式，每10分钟（600秒）产生一次有效的PVT估计。如果在10分钟内没有产生有效的PVT估计，GNSS将继续运行，直到产生有效的PVT估计。

（3） 持续定位模式
 （Continuously positioning）

在GPS定位中，持续定位模式是一种操作模式，其中GNSS接收器会持续运行并以1Hz的频率产生位置、速度和时间（PVT）估计。在此模式下，超时参数即使设置为非零值也不会产生任何效果。

要启用持续定位模式，需要将修复间隔设置为1。以下是如何在代码中设置持续定位模式的示例：

在这个例子中，GNSS被设置为持续定位模式，并且会持续产生PVT估计，无论是否成功。

GPS和LTE在 NRF91中，是时分复用的模式，LTE活动具有更高的优先级。GPS通常工作在以下几种情况：

（1） eDRX的sleep状态下

eDRX的周期需要设置一定大小，GPS才能正常工作，否则GPS可能会被LTE事件打断。

eDRX模式是一种低功耗模式，允许设备在不断开网络连接的情况下进入低功耗状态。在eDRX模式下，设备会在预定的时间窗口（eDRX周期）内唤醒并监听网络，其余时间则处于休眠状态。这种模式可以显著降低设备的功耗，但可能会影响GPS的性能，因为GPS需要在LTE不活动的时间窗口内运行。

如果eDRX周期过短（例如10.24秒），可能会很难在没有实施辅助GPS增强功能（如A-GPS或P-GPS）的情况下获得有效的定位。对于冷启动，GNSS接收器需要在eDRX间隔之间下载所有的卫星数据，当所有数据都下载完毕后，它才能开始尝试获得有效的定位。所以要根据实际的应用场景设定eDRX的周期。

如下图例中，eDRX的周期为40.96秒，GPS在热启动中TTFF为1~2秒左右。

（1）A-GPS和P-PGS

A-GPS辅助全球定位系统(A-GNSS)是它通过网络连接（例如，通过蜂窝网络）来获取星历和历书数据，从而缩短首次定位时间(TTFF)。与使用GNSS卫星的数据链路相比，连接到具有星历和历书数据的互联网服务器的速度要快得多。

A-GNSS还提供了电离层校正数据，这可以提高定位精度。电离层校正使GNSS能够估计每颗卫星的电离层延迟，使位置数据更准确。

（2）P-PGS

P-GPS即预测GPS， 设备可以下载长达两周的预测卫星星历数据， P-GPS使设备能够确定卫星的精确轨道位置，而无需每两小时连接一次网络，但随着时间的推移，计算位置的准确性会降低。请注意，P-GPS需要比常规A-GPS更多的储存。在P-GPS中，nRF Cloud提供包含32个GPS卫星预计轨道（星历）信息的数据，长达两周。每组星历数据适用于特定的四小时时段。P-GPS设计用于经常与云断开连接但需要进行周期性定位，以节省电力的设备。

Nordic nRFCloud提供了A-GPS， P-GPS服务，从省电角度和定位的精度相比，请参考如下图。

图：不同定位方式的比较

图：比较不同定位模式的的精度与功耗

低功耗网络模式有以下几种

图：超低功耗的制式

NB-IOT 和CAT-M 的性能参数如下：

图：LTE-M与NB-IOT性能比较

1. LTE-M 省电模式

LTE-M，也被称为Cat-M1，是一种开放标准，最适合需要低功耗、低延迟和/或移动性的中等吞吐量应用，如资产跟踪、可穿戴设备、医疗、POS和家庭安全应用。主要包括c-DRX, i-DRX, e-DRX和PSM等几种省电模式。

图：在网络中设备状态图

（1）c-DRX

在RRC连接模式下，数据传输后，用户设备（UE）会保持在RRC连接模式，直到inactive timer超时，在这个期间成为i-DRX状态，在此期间，UE可以短暂关闭其无线电，而不是持续监听，而是以间隔方式监听网络。

图：c-DRX的网络时序图

（2）i-DRX

在RRC空闲模式下，用户设备（UE）不频繁监听网络，因此它会关闭其射频以节省电力，并在特定的间隔内监听传入的下行消息。这被称为空闲模式DRX（iDRX），是一种基本的省电功能。

iDRX模式下的功耗：

图：nRF9160的iDRX功耗

（3）e-DRX

延长iDRX周期是一个让用户设备（UE）睡眠更长时间并节省更多功耗，这就是eDRX的目的，它通过延长DRX周期进一步减少UE的唤醒时间。

在eDRX周期内，UE可以更少地监视来自网络的下行寻呼消息，从而通过不定期打开其射频来省电。UE仍然附着并注册到网络；

下图显示了eDRX连接状态的两种不同场景。在左边，UE唤醒以监视没有任何消息的寻呼消息。在右边，UE唤醒以响应需要数据传输的寻呼事件。因此，UE切换到RRC连接模式进行所需的数据传输。然后它开始RRC不活动计时器。如果在RRC不活动计时器耗尽之前，UE没有收到更多的消息，UE将转换到RRC空闲模式并再次在eDRX中运行。

图：eDRX模式下的网络时序图

eDRX在不同配置下，实际网络中的测试结果。

图：Cat-M 模式下，PTW = 1.28s ,
eDRX = 81.92s 功耗

（4）RAI

如前所述，无论实施了哪种省电技术，用户设备（UE）在RRC连接模式下总是会进行数据传输，然后等待一个RRC不活动计时器周期(inactive timer)，然后进入RRC空闲模式。

网络决定RRC不活动计时器周期，UE无法协商。因此，如果这个计时器值很长，它可能会在等待切换到RRC空闲模式时不必要地增加电力消耗。这个计时器可以持续5秒，或者最坏的情况下，长达60秒，如果UE需要在每次处于RRC连接模式时额外开启无线电60秒，这可能会严重降低电池寿命。

AS-RAI赋予UE通知网络它已经完成数据传输（没有更多的上行数据）的能力，并请求网络释放无线电资源（RRC释放），从而允许UE更早地转入RRC空闲模式。这意味着UE跳过了从网络监控寻呼消息的期间（RRC不活动计时器）。

这对功耗产生了巨大影响，因为如果没有使用AS-RAI，UE将需要在RRC不活动计时器的期间不必要地保持其射频开启。

AS-RAI在3GPP 14版中引入，适用于LTE-M和NB-IoT，如果得到网络的支持，它可以大大节省电力消耗。

图：没有RAI情况下，网络时序图

在实际网络中，nRF9160的UDP的功耗测试结果：

图：RAI没有使能的情况下，在实际网络中，nRF9160的UDP的功耗测试结果

图：RAI使能的情况下，在实际网络中，nRF9160的UDP的功耗测试结果

（5）PSM

PSM (Power Saving Mode) 提升了电源节省到一个新的水平，通过将UE (User Equipment) 置入深度睡眠状态。这意味着处于PSM的UE不会像在eDRX模式下那样定期监控RX寻呼消息。相反，它会进入一个更长时间的深度睡眠。

然而，UE保持注册并附加到网络以在唤醒时便于数据传输。为了实现这一点，UE必须定期唤醒并向网络发送跟踪区域更新（TAU）。这个周期由周期性TAU计时器决定。处于PSM的UE会因为两个原因之一而唤醒，要么由周期性TAU计时器触发以发送TAU，要么由应用程序触发以发送UL消息。尽管设备可以在常规的周期性TAU间隔之外唤醒并发送UL消息，但等到下一个间隔发送UL数据更能节省电源。

UE可以与网络协商一个名为Active Timer的计时器。在RRC连接一段时间后，当RRC Inactivity Timer耗尽时，UE进入空闲模式。然而，如果启用了PSM，一旦UE处于空闲模式，Active Timer就开始计时。当Active Timer计时结束时，UE进入PSM。如果启用了eDRX，UE可以在Active Timer的时间内在eDRX模式下操作。

图：PSM下的网络时序图

在实际网络中，nRF9160的PSM功耗大概2uA， 下图是在CAT-M网络中的实测功耗。

图：nRF9160在PSM模式下功耗

nRF9160的软件开发使用nRF Connect SDK，这是一个用于Bluetooth Low Energy，Wi-Fi，蜂窝物联网，Bluetooth mesh，Thread，Zigbee和Matter的通用软件开发套件。它支持所有的nRF52，nRF53，nRF70和nRF91系列无线设备。

nRF Connect SDK，包括应用层协议，外设驱动，提供了丰富的蜂窝例子。Nordic也提供了Visual studio code IDE开发套件，也提供了nRFCloud的云服务。在nRFCloud云服务中，包括定位服务（多基站，单基站，wifi，A-GPS， P-GPS）、fota服务、设备管理和数据管理等服务。除此之外，Nordic 也提供了抓取modem log的Celluar monitor。

图：Nordic 提供的资源

下面以跟踪器的nRF9160开发为例, 开发流程。

首先在开发板上评估产品的性能、功能，根据实际产品的应用场景，进行硬件设计。在做板之前，建议给nordic审核。

做板后，需要做硬件性能测试，包括功耗测试， 射频测试（CMW500）。在功耗测试中，可用PPK2进行功耗测试。当遇到软件或者硬件问题时，可在开发板Nrf9160DK板进行验证和评估，并可以在论坛上提交所遇到的问题。根据产品终端的目标市场，查询所需要的论证，并在官网上查询NRF9160已经过的论证。

当开发完成后进行生产中，可能需要批量烧录modem 固件、写入证书还有硬件的快速校验。Nordic提供完善的生产指导，比如烘烤、产线硬件校验和批量烧录指导等服务。当样机在世界各地现网测试中，遇到问题时，可与Nordic协商，寻求当地支持。

图：nRF 9160的产品开发流程

图：nRF9160 论证

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