CATM1 모뎀 Power Modes 테스트

CodeZoo LTE CATM1 내장형 모뎀에 사용되는 Murata Type1SC CATM1 모듈에는 

아래와 같은 전원 관리 모드를 지원 합니다. 

 

Power Modes
The 1SC module has the following power modes
• LS: Provides very fast entry and recovery time and is mainly used for very short sleeps. It is used for CDRX mode during the networking process.
• DS: Provides fast recovery and entry time and is mainly used during the IDRX networking mode.

• DH2: Provides medium entry and recovery time and is mainly used during the EDRX and IDRX networking modes.
• DH1: Same as DH2, however IO logic is not retained.
• DH0: Same as DH05, however IO output values are not retained.

*) LS : Light Sleep, DS : Deep Sleep, DH : Deep Hibernation

 

전원 관리모드는 크게 두가지로 나눌 수 있습니다. 

모뎀 동작 중 사용되는 런타임 전원관리 모드와 PSM 전원 관리 모드 입니다. 

 

위 전원관리 모드 중 LS, DS는 모뎀 동작 중 사용되는 런타임 전원 관리 모드 입니다. 

 

그리고 나머지 DH2, DH1, DH0는 PSM 전원 관리 모드 입니다. 

사용되는 전류의 양은 다음과 같이 오른쪽으로 갈수록 작아 집니다. 

LS > DS > DH2 > DH1 > DH0

 

모뎀 동작 중 사용되는 런타임 전원 관리모드(LS, DS)는 통신사에 상관없이 동작이 가능하지만, 

PSM, eDRX 모드의 경우 통신사망에서 지원해줘야 동작 시킬수 있습니다.

현재 eDRX 모드는 국내에서 지원하는 통신사가 없는 것으로 파악되고, PSM모드의 경우 MNO 사업자(SKT, KT, U+)만

지원하고 있습니다. (2022-01-26 현재)

 

PSM모드에 대해 좀 더 자세히 살펴 보기위해 아래 그림을 참고해 보겠습니다. 

NB-IoT 및 Cat-M이 절전 모드를 사용하는 방법과 예상 에너지 소비, 출처(https://www.digikey.kr/ko/articles/how-to-enable-power-saving-modes-of-nb-iot-and-cat-m)

T3412와 T3324라고 하는 두가지 타이머가 나오는데, 실제 모뎀이 동작하는 시간과 동작하지 않는 시간을 T3324와 T3412로 설정해서 통신사 기지국으로 전달하고 통신사에서는 지정한 시간에 맞춰 모뎀의 전원관리를 지원합니다.

위 그림에서 중요한 부분은 우측에 있는 PSM(Power Saving Mode)시간으로 해당 시간에는 모뎀이 동작하지 않으므로 모뎀이 최대 절전상태로 들어가게 됩니다. (Type1SC의 경우 DH2, DH1, DH0 mode)

 

Type1SC 스펙 시트에 따르면 DH2 모드 일때 최대 90uA, DH1 모드 일때 최대 45uA, DH0 모드 일때

최대 1.4uA까지 평균 전류가 소모 되었다고 기록 되어 있습니다. 

 

1. 그렇다면 PSM 모드가 CATM1과 NB-IoT에서만 지원하는 이유는 무엇일까요?

 

CATM1과 NB-IoT 모두 LPWAN(Low Power Wide Area Network) 스펙을 지원하는 사물인터넷을 위해서 제공되는 통신방식으로 일반적으로 배터리를 이용해서 장기간 사용해야 하는 목적을 가지고 있습니다. (10년 배터리 구동과 같은) 

따라서 동작방식이 주기적 통신(한달에 몇번, 하루에 몇번, 시간에 몇번) 또는 이벤트(차량용 블랙박스, 도난방지,

자산추적과 같은) 발생시에만 통신하고 나머지 시간에는 최대 절전모드로 대기하는 시나리오를 가지고 있는 경우가

많습니다. 해당 시나리오에 부합하는 확실한 전원관리 정책이 반영된 것이 PSM과 eDRX 모드 입니다. 

 

따라서 PSM모드 상태에서는 모뎀이 확실히 쉬고 있기 때문에 통신이 불가능 합니다.

 

2. CATM1 내장형 모뎀에 글로벌심을 사용하는 경우에는 어떻게 해야 할까요?

위에 언급한대로 MNO사업자 심을 사용하지 않을 경우 PSM모드가 지원되지 않으므로 모뎀이 쉬는 시간에

모뎀의 LDO_EN핀을 Low로 설정해서 모뎀의 전원을 차단합니다. 그리고 런타임 전원관리 모드를 활성화 시켜서

모뎀이 동작중에도 짬짬히 주기적으로 LS, DS상태에 진입하도록 해서 전류소모를 줄이는 방법을 사용해야 합니다.

 

3. CATM1 모뎀이 PPP 모드로 동작될때도 PSM모드가 지원되지 않습니다. 

PPP모드를 통해 윈도우, 리눅스, RTOS와 같은 시스템에 연결되어 있을때에는 MNO사업자 심을 사용하는 경우에도 PSM모드가 동작되지 않습니다. 

 

마지막으로 CodeZoo CATM1 내장형모뎀과 글로벌심을 사용해서 런타임 전원관리 모드를 활성화 시키고 Deep Sleep 모드 상태에서 전원소모량을 측정해 보았습니다.

 

사용한 하드웨어는 글로벌심을 탑재한 LTE CATM1 내장형 모뎀, 테스트용 지그와 소모전류 측정을 위해 ST X-NUCLEO-LPM01A Power Monitor를 아래와 같이 연결 하였습니다.   

LTE CATM1 내장형 모뎀 + 테스트용 지그, 소모전류 측정을 위해 ST X-NUCLEO-LPM01A

여기서 꼭 체크해야 할 하드웨어 부분은 MWAKEUP(Modem Wake Up)핀 입니다. 해당 핀에 I/O전압으로 High를 연결해야 AT커맨드 입력이 가능합니다. 해당 핀에 Low를 연결하면 커맨드 입력이 불가능하고 모뎀이 Deep Sleep상태로 진입하게 됩니다.

 

모뎀 부팅 후 MWAKEUP핀이 High에 연결된 상태에서 아래와 같이 AT커맨드를 입력합니다. 

 

at%setacfg=pm.conf.sleep_mode,enable

at%setacfg=pm.conf.max_allowed_pm_mode,dh2

at%setacfg=pm.conf.uart_inactivity,0

at%setacfg=modem_apps.Mode.AutoConnectMode,true

at%setacfg=manager.uartC.baudrate,115200

at%setacfg=manager.uartC..flowcontrol,0

at%setacfg="phy_log_disable","1"

at%setacfg="mac_log_sev","255"

at%setacfg="pmp_log_sev","255"

at+cpsms=1,,,35,15 //생략가능

 

at%setacfg=network_table.clat_params.clat_enable,false

atz //모뎀 리셋

 

해당 커맨드 입력 후 MWAKEUP핀을 Low로 연결해서 파워모니터에 입력전압 3V, 3.3V를 각각 인가해서

평균 소모전류를 측정 했습니다. 

 

VBAT + VBAT_FEM INPUT Voltage : 3.0V

Deep Sleep Current : 1.115mA

USB TTL TX/RX Pin : Disconnect 

VBAT + VBAT_FEM INPUT Voltage : 3.3V

Deep Sleep Current : 1.074mA

USB TTL TX/RX Pin : Disconnect 

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