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.