PSM und eDRX: Stromsparen im mobilen LPWAN - Möglichkeiten und Grenzen
Bei batteriebetriebenen Sensoren im Internet der Dinge kommt es darauf an, mit der vorhandenen Energie so lange wie möglich auszukommen. Sparsamkeit lässt sich dabei auf viele Wege erreichen. Die einfachste Methode: Das Gerät wird nur zeitweise eingeschaltet, die übrige Zeit verbringt es im Schlafmodus. Der Nachteil dabei: Im Ruhemodus ist es nicht erreichbar und Entwickler müssen einen Kompromiss finden zwischen Datenaktualität und Ruhezeiten.
Blogreihe "Stromsparen im mobilen LPWAN"
Teil 1: PSM und eDRX: Möglichkeiten und Grenzen
Teil 2: MQTT, CoAP und LwM2M: Schlanke Protokolle für das IoT
Teil 3: 1NCE Data Broker: Mehr Batterielaufzeit unter NB-IoT und LTE-M
Es gibt viele Möglichkeiten, die Lebensdauer von Batterien in Mobilfunknetzen zu verlängern. Der Power Saving Mode (PSM) und "extended Discontinuous Reception" (eDRX) sind nur zwei davon. In unserer mehrteiligen Blogserie wollen wir uns genauer ansehen, wie Entwickler die maximale Laufzeit aus ihren Geräten herausholen können und wo Hindernisse zu erwarten sind.
Stromsparen mit NB-IoT und LTE-M
Im Mobilfunk haben sich vor allem „Narrowband IoT“ (NB-IoT) und „Long Term Evolution for Machines“ (LTE-M) als „Low Power“-Netzwerke (LPWAN) etabliert. Die schmalbandigen Übertragungstechnologien sind besonders sparsam im Energieverbrauch. Für noch mehr Energieeffizienz lassen sich zusätzlich Zeitintervalle festlegen, in denen die Geräte in einen Ruhemodus schalten: Im Mobilfunk heißen diese Funktionen PSM und eDRX.
Was auf den ersten Blick als einfache Lösung erscheint, wird dann kompliziert, wenn das Produkt in größeren Stückzahlen skaliert und global eingesetzt werden soll. Denn PSM und eDRX sind abhängig vom jeweiligen Netzbetreiber und teilweise gar nicht verfügbar. In diesem Beitrag wollen wir auf die Vor- und Nachteile dieser Methode eingehen und später skalierbare und leistungsfähige „Add Ons“ oder gar Alternativen vorstellen.
NB-IoT und LTE-M (auch LTE Cat M1 genannt) sind im Mobilfunk explizit für die Kommunikation so genannter „Constrained Devices“ entwickelt worden. Geräte und Sensoren, die unabhängig von einer dauerhaften Stromquelle mit einer Batterie betrieben werden. Klassische Anwendungen sind mobile Ortungsgeräte oder Sensoren an abgelegenen Orten , etwa auf dem freien Feld, fernab von jeder Stromquelle. Da diese Sensoren üblicherweise nur in Intervallen kleine Messdaten wie etwa Temperaturen oder Koordinaten übertragen müssen, sollen sie mit einer Batterieladung möglichst lange auskommen. Der Grund ist simpel: Es ist schlicht aufwändig und teuer, wenn nach nur kurzer Laufzeit die Batterien regelmäßig manuell ausgewechselt werden müssen.
Abhängig vom Netzbetreiber: PSM und eDRX
Zwei Funktionen zum Stromsparen haben sich dabei in den Köpfen vieler IoT Entwickler etabliert: PSM und eDRX. Beide steuern im Grunde Zeitintervalle, in denen die Geräte in einer Art Schlafmodus verharren und nur gelegentlich daraus erwachen, um mit dem Netzwerk zu kommunizieren. Die Spanne reicht dabei von wenigen Minuten bis mehrere Tage. Der Nachteil: Mobilfunk-Netzbetreiber müssen diese Funktionen unterstützen. Außerdem können Entwickler bei einigen Anbietern die Zeitintervalle nicht frei wählen, sondern müssen sie an die Vorgaben des Netzbetreibers anpassen.
Verbindungsszustände und Energieverbrauch eines IoT-Devices mit eDRX und PSM unter NB-IoT.
Was ist Power Saving Mode (PSM)?
Der Power Saving Mode versetzt das Gerät in eine Art Tiefschlaf und spart so Energie: Nehmen wir an, wir verwenden eine Wetterstation auf einem Feld, die uns täglich mit Daten wie Temperatur, Windgeschwindigkeit oder Bodenfeuchtigkeit versorgen soll. Es macht keinen Sinn, dass die Station rund um die Uhr die Kommunikation mit der Mobilfunkzelle aufrechterhält und kontinuierlich Daten überträgt, das verbraucht viel zu viel Energie.
Bei dieser Anwendung genügt es vollkommen, die Daten in größeren Abständen, etwa einer Stunde, zu übertragen. Daher fällt die Wetterstation nach dem Übertragen der Daten für einige Sekunden in einen sogenannten Idle-Modus. Dabei hält sie die Verbindung zum Netzbetreiber für eine Weile „horchend“ aufrecht, um gegebenenfalls noch Kommandos entgegen nehmen zu können. Dieser Idle-Modus verbraucht bereits weniger Energie als eine vollständige Verbindung.
Beispiel für "Constrained Devices": Wetterstation "Nextfarming" von 1NCE Kunde FarmcFacts freiem Feld.
Anschließend folgt der Power Saving Mode, eine Art Tiefschlaf. Das Gerät bleibt zwar im Netz registriert, überträgt und empfängt aber keine Daten mehr. Der Energieverbrauch ist auf ein Minimum reduziert. Dafür ist die Station aber auch von außen nicht mehr zu erreichen. Erst wenn das in diesem Beispiel eingestellte Intervall von einer Stunde vorüber ist, beendet das Gerät den Tiefschlaf selbststätig und überträgt wieder Daten.
Je nach Anwendung sind jetzt die Entwickler gefragt, den idealen Zeitraum festzulegen, den ihr Gerät im Schlafmodus verharren soll. Während es bei einer Wetterstation womöglich genügt, nur einmal pro Stunde Daten zu übermitteln und erreichbar zu sein, müsste sich eine Ortungslösung, etwa zur Nachverfolgung eines Fahrzeugs, schon häufiger melden, damit der aktuelle Standort stets bekannt ist. Je länger das Gerät im Stromsparmodus verharrt, desto länger hält die Batterie. Dafür ist die Datenlage aber auch weniger aktuell.
Ein weiterer Nachteil dieser Hardware-basierten Stromsparmethode: Die Zeitintervalle können Entwickler nicht immer frei vergeben. Sie sind je nach Anbieter abhängig von den Intervallen, die der Netzbetreiber erlaubt. Man hat also nur einen mittelbaren Einfluss auf den Energieverbrauch und muss den besten Kompromiss finden. Individuell, je nach Land und Netzbetreiber.
In der Praxis bedeutet dieses Verfahren, dass die Wetterstation in Land A mit Netzbetreiber X womöglich deutlich länger mit einer Batterie auskommt als in Land B mit Netzbetreiber Y.
Was ist eDRX?
Der Begriff eDRX steht für „extended Discontinuous Reception“ also in etwa „erweitertes ungleichmäßiges Empfangen“ und gibt Entwicklern mehr Möglichkeiten, den Idle Modus ihres Gerätes anzupassen. So ermöglicht eDRX die genauere Festlegung der Intervalle, in denen das Gerät in den Empfangsmodus schaltet, um von außen erreichbar zu sein. Es ist eine Art „Feintuning“ um zwar Energie zu sparen, aber nicht gleich in den Power Saving Mode verfallen zu müssen. So ist das Gerät länger von außen erreichbar. Aber auch hier gibt es einen Haken: nicht jeder Netzbetreiber unterstützt eDRX.
eDRX Unterstützung hängt vom Netzbetreiber ab
Ob und wie eDRX unterstützt wird, hängt stark vom jeweiligen Mobilfunk Netzbetreiber ab. Doch es wird noch komplizierter: Selbst, wenn ein Netzbetreiber eDRX unterstützt, kann es sein, dass dies nur dann der Fall ist, wenn auch die SIM-Karten des Anbieters verwendet werden. Nicht immer ist die Funktion auch für netzfremde Karten im Roaming Modus verfügbar. Wer nun IoT-Produkte für unterschiedliche Zielmärkte und Länder entwickelt, muss daher im Vorfeld genau wissen, welche Voraussetzungen im jeweiligen Einsatzgebiet gelten. Das macht die Entwicklung kompliziert.
Einfacher wäre es, eine unabhängigere Methode zu finden, die das Stromsparen erleichtert. Im zweiten Teil unserer Blogreihe schauen wir auf die Protokoll-Ebene der Geräte. Was können diese zum Energiesparen beitragen?