PSM et eDRX : Économie d'énergie dans les réseaux cellulaires LPWAN - possibilités et limites

Pour les capteurs alimentés par batterie dans l'internet des objets, il est important de fonctionner le plus longtemps possible avec l'énergie disponible. L'économie d'énergie peut être réalisée de plusieurs manières. La méthode la plus simple : L'appareil n'est allumé que par intermittence et passe le reste du temps en mode veille. L'inconvénient : En mode veille, l'appareil n'est pas accessible de l'extérieur. Les développeurs doivent trouver un compromis entre un flux de données constant et le temps d'inactivité nécessaire.

 Série de blogs "Économie d'énergie dans les réseaux cellulaires LPWAN" (en anglais)

• Partie 1: MQTT, CoAP et LwM2M : protocoles allégés pour l'IoT

• Partie 2: Possibilités et limites de PSM et eDRX

Partie 3: MQTT, CoAP et LwM2M : protocoles allégés pour l'IoT

Il existe de nombreuses façons de prolonger la durée de vie des batteries dans les réseaux cellulaires. Le mode d'économie d'énergie (PSM) et la "réception discontinue étendue" (eDRX) n'en sont que deux. Dans notre série de blogs en plusieurs parties, nous souhaitons examiner de plus près la manière dont les développeurs peuvent tirer le maximum d'autonomie de leurs appareils et les obstacles auxquels ils doivent s'attendre.

Économie d'énergie avec NB-IoT et LTE-M

Dans le domaine des communications mobiles, l'IoT à bande étroite" (NB-IoT) et l'évolution à long terme pour les machines" (LTE-M) se sont imposés comme des réseaux "basse consommation" (LPWAN). Les technologies de transmission à bande étroite sont particulièrement économiques en termes de consommation d'énergie. Pour une efficacité énergétique encore plus grande, il est possible de définir des intervalles de temps supplémentaires au cours desquels les appareils passent en mode veille : Dans les communications mobiles, ces fonctions sont appelées PSM et eDRX.

Ce qui semble être une solution simple au départ se complique lorsque le produit final doit être mis à l'échelle en plus grandes quantités et/ou déployé à l'échelle mondiale. En effet, PSM et eDRX dépendent de l'opérateur de réseau concerné et ne sont parfois pas disponibles du tout. Dans cette série de blogs, nous souhaitons discuter des avantages et des inconvénients de cette méthode et présenter ensuite un complément évolutif et puissant ou même une alternative.

NB-IoT et LTE-M (également appelé LTE Cat M1) ont été explicitement développés dans les communications mobiles pour la communication de ce que l'on appelle les "appareils contraints". Il s'agit d'appareils et de capteurs alimentés par une batterie indépendamment d'une source d'énergie permanente. Les applications classiques sont les dispositifs mobiles de suivi ou les capteurs situés dans des endroits éloignés, par exemple en plein champ, loin de toute source d'énergie. Étant donné que ces capteurs ne doivent généralement transmettre que de petites mesures de données, telles que des températures ou des coordonnées, à intervalles réguliers, plutôt que de fournir un flux de données constant, ils doivent pouvoir vivre le plus longtemps possible avec une seule charge de batterie. La raison en est simple : Il est long et coûteux de remplacer régulièrement les piles après une courte durée de fonctionnement.

PSM et eDRX dépendent de l'opérateur du réseau cellulaire

Deux fonctions permettant d'économiser de l'énergie se sont imposées dans l'esprit de nombreux développeurs IoT : PSM et eDRX. Ces deux fonctions contrôlent essentiellement les intervalles de temps pendant lesquels les appareils restent dans une sorte de mode veille et ne se réveillent qu'occasionnellement pour communiquer avec le réseau. La gamme s'étend de quelques minutes à plusieurs jours. L'inconvénient : Les opérateurs de réseaux mobiles doivent prendre en charge ces fonctions. En outre, chez certains fournisseurs, les développeurs ne peuvent pas choisir librement les intervalles de temps, mais doivent les adapter aux spécifications de l'opérateur de réseau.

États de connexion PSM et eDRX dans l'IoT NB

Vue d'ensemble des états de connexion NB-IoT et de la consommation d'énergie avec PSM et eDRX d'un IoT-Device.

Que fait le mode d'économie d'énergie (PSM) ?

Le mode d'économie d'énergie met l'appareil dans une sorte de sommeil profond et permet ainsi d'économiser de l'énergie : Supposons que nous utilisions une station météorologique dans un champ, censée nous fournir quotidiennement des données telles que la température, la vitesse du vent ou l'humidité du sol. Il n'est pas logique que la station maintient une communication constante avec la cellule mobile et transmette continuellement des données ; cela consomme beaucoup trop d'énergie.

Dans cette application, il suffit de transmettre les données à intervalles plus longs, environ une heure. Par conséquent, après avoir transmis les données, la station météorologique passe en mode inactif pendant quelques secondes. Dans ce mode, elle maintient la connexion avec l'opérateur du réseau ouvert et écoute afin de pouvoir accepter des commandes si nécessaire. Ce mode inactif consomme déjà moins d'énergie qu'une connexion complète.

Exemple de "dispositif contraint" : Station météorologique "Nextfarming" de FarmFacts, client de 1NCE, dans un champ ouvert.


Le mode d'inactivité de courte durée est suivi du mode d'économie d'énergie, une sorte de sommeil profond. L'appareil IoT reste enregistré dans le réseau, mais ne transmet ni ne reçoit plus de données. La consommation d'énergie est réduite au minimum. En revanche, la station n'est plus joignable de l'extérieur. Ce n'est qu'à l'issue de l'intervalle prédéfini que l'appareil se réveille et recommence à transmettre des données.

En fonction de l'application, il appartient maintenant aux développeurs de déterminer la durée idéale de mise en veille de leur appareil. Alors qu'une station météorologique peut se contenter de transmettre des données une fois par heure, une solution de suivi, par exemple pour un véhicule ou des biens transportés, devrait transmettre des données plus fréquemment, de manière à ce que la position actuelle soit toujours connue. Plus l'appareil reste en mode économie d'énergie, plus la batterie dure longtemps. Cependant, les données disponibles sont alors moins précises.

Cette méthode d'économie d'énergie basée sur le matériel présente un autre inconvénient : Les développeurs ne peuvent pas toujours attribuer librement les intervalles de temps. Selon le fournisseur, ils dépendent des intervalles autorisés par l'opérateur du réseau. Les développeurs n'ont qu'une influence indirecte sur la consommation d'énergie et doivent trouver un compromis idéal en fonction du pays et de l'opérateur de réseau.

Dans la pratique, cela signifie que la station météorologique dans un pays A avec l'opérateur de réseau X peut durer beaucoup plus longtemps avec une seule batterie que dans un pays B avec l'opérateur de réseau Y.

Comment fonctionne l'eDRX ?

Le terme eDRX signifie "extended Discontinuous Reception" (réception discontinue étendue) et permet aux développeurs de personnaliser plus en détail le mode inactif de leur appareil. Par exemple, eDRX permet de définir plus précisément les intervalles auxquels l'appareil passe en mode réception pour être joignable de l'extérieur. Il s'agit d'une sorte de "réglage fin" pour économiser de l'énergie, mais sans passer immédiatement en mode d'économie d'énergie et en gardant l'appareil joignable le plus longtemps possible depuis l'extérieur. Mais il y a aussi un problème : La fonction est nouvelle et tous les opérateurs de réseau ne prennent pas encore en charge l'eDRX. La prise en charge de l'eDRX dépend de l'opérateur de réseau.

La question de savoir si et comment l'eDRX est pris en charge dépend largement de l'opérateur de réseau mobile en question. Mais les choses se compliquent encore : même si un opérateur de réseau prend en charge l'eDRX, il se peut qu'il ne le fasse que pour ses propres cartes SIM. La fonction n'est pas toujours disponible pour les cartes SIM étrangères. Quiconque développe des produits IoT pour différents marchés cibles et pays doit donc savoir à l'avance exactement quelles exigences s'appliquent dans le domaine d'utilisation respectif. Cela complique le développement de l'IoT et le déploiement des produits. Il serait plus facile de trouver une méthode plus indépendante qui facilite l'économie d'énergie.

Suivant : MQTT vs CoAP et LwM2M

Dans la deuxième partie de notre série de blogs sur l'économie d'énergie dans les réseaux cellulaires LPWAN, nous examinons de plus près le niveau du protocole sur les appareils IoT. Comment les protocoles peuvent-ils contribuer à l'économie d'énergie ?

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