PSM e eDRX: Risparmio energetico nelle LPWAN cellulari - possibilità e limiti
Per i sensori alimentati a batteria nell'Internet delle cose, è importante funzionare con l'energia disponibile il più a lungo possibile. Il risparmio energetico può essere ottenuto in molti modi. Il metodo più semplice: Il dispositivo viene acceso solo a intermittenza e trascorre il resto del tempo in modalità sleep. Lo svantaggio: Durante la modalità di sospensione il dispositivo non è accessibile dall'esterno. Gli sviluppatori devono trovare un compromesso tra un flusso di dati costante e il tempo di inattività necessario.
Serie di blog "Risparmio energetico nelle reti LPWAN cellulari"
Parte 1: Possibilità e limiti di PSM e eDRX
Parte 3: 1NCE Data Broker: Maggiore durata della batteria con NB-IoT e LTE-M
Esistono molti modi per prolungare la durata della batteria nelle reti cellulari. La modalità di risparmio energetico (PSM) e la "ricezione discontinua estesa" (eDRX) sono solo due di questi. Nella nostra serie di blog in più parti, vogliamo dare un'occhiata più da vicino a come gli sviluppatori possono ottenere la massima autonomia dai loro dispositivi e dove aspettarsi degli ostacoli.
Risparmio energetico con NB-IoT e LTE-M
Nelle comunicazioni mobili, "Narrowband IoT" (NB-IoT) e "Long Term Evolution for Machines" (LTE-M) si sono affermate come reti "a basso consumo" (LPWAN). Le tecnologie di trasmissione a banda stretta sono particolarmente economiche in termini di consumo energetico. Per un'efficienza energetica ancora maggiore, è possibile definire intervalli di tempo aggiuntivi in cui i dispositivi passano alla modalità di sospensione: Nelle comunicazioni mobili, queste funzioni sono chiamate PSM ed eDRX.
Quella che all'inizio sembra una soluzione semplice diventa complicata quando il prodotto finale deve essere scalato in quantità maggiori e/o distribuito a livello globale. Questo perché PSM ed eDRX dipendono dal rispettivo operatore di rete e talvolta non sono affatto disponibili. In questa serie di blog, vogliamo discutere i vantaggi e gli svantaggi di questo metodo e successivamente presentare un'aggiunta scalabile e potente o addirittura un'alternativa.
NB-IoT e LTE-M (chiamato anche LTE Cat M1) sono stati sviluppati esplicitamente nelle comunicazioni mobili per la comunicazione dei cosiddetti "dispositivi vincolati". Dispositivi e sensori alimentati da una batteria indipendentemente da una fonte di alimentazione permanente. Le applicazioni classiche sono i dispositivi mobili di localizzazione o i sensori in luoghi remoti, come i campi aperti, lontani da qualsiasi fonte di alimentazione. Poiché questi sensori di solito devono trasmettere solo piccole misure di dati, come temperature o coordinate, a intervalli, piuttosto che fornire un flusso di dati costante, devono essere in grado di vivere il più a lungo possibile con una sola carica della batteria. Il motivo è semplice: Sostituire regolarmente le batterie dopo un breve periodo di funzionamento è dispendioso in termini di tempo e denaro.
PSM e eDRX dipendono dall'operatore della rete cellulare
Due funzioni per il risparmio energetico si sono affermate nella mente di molti sviluppatori IoT: PSM e eDRX. Entrambe controllano essenzialmente gli intervalli di tempo in cui i dispositivi rimangono in una sorta di modalità di sospensione e si svegliano solo occasionalmente per comunicare con la rete. La gamma va da pochi minuti a diversi giorni. Lo svantaggio: Gli operatori di rete mobile devono supportare queste funzioni. Inoltre, con alcuni provider gli sviluppatori non possono scegliere liberamente gli intervalli di tempo, ma devono adattarli alle specifiche dell'operatore di rete.
Panoramica degli stati di connessione NB-IoT e del consumo energetico con PSM ed eDRX di un dispositivo IoT.
Cosa fa la modalità di risparmio energetico (PSM)?
La modalità di risparmio energetico mette il dispositivo in una sorta di sonno profondo e consente di risparmiare energia: Supponiamo di utilizzare una stazione meteorologica in un campo che dovrebbe fornirci ogni giorno dati come la temperatura, la velocità del vento o l'umidità del suolo. Non ha senso che la stazione mantenga una comunicazione costante con la cellula mobile e trasmetta continuamente i dati: consuma troppa energia.
In questa applicazione, è sufficiente trasmettere i dati a intervalli più lunghi, circa un'ora. Pertanto, dopo aver trasmesso i dati, la stazione meteorologica passa in modalità inattiva per alcuni secondi. In questa modalità, mantiene aperta la connessione con l'operatore di rete e resta in ascolto per poter accettare eventuali comandi. Questa modalità inattiva consuma già meno energia di una connessione completa.
Esempio di "dispositivo vincolato": La stazione meteorologica "Nextfarming" del cliente 1NCE FarmFacts in un campo aperto.
La breve modalità di inattività è seguita dalla modalità di risparmio energetico, una sorta di sonno profondo. Il dispositivo rimane registrato nella rete, ma non trasmette né riceve più dati. Il consumo energetico è ridotto al minimo. D'altra parte, la stazione non è più raggiungibile dall'esterno. Solo al termine dell'intervallo prestabilito, il dispositivo si risveglia e ricomincia a trasmettere dati.
A seconda dell'applicazione, spetta agli sviluppatori determinare il periodo di tempo ideale in cui il dispositivo deve rimanere in modalità sleep. Mentre per una stazione meteorologica può essere sufficiente trasmettere i dati solo una volta all'ora, una soluzione di tracciamento, ad esempio per un veicolo o per un bene trasportato, dovrebbe trasmettere i dati più frequentemente, in modo da conoscere sempre la posizione attuale. Più il dispositivo rimane in modalità di risparmio energetico, più la batteria dura. Tuttavia, i dati disponibili sono meno accurati.
Un altro svantaggio di questo metodo di risparmio energetico basato sull'hardware: gli sviluppatori non possono sempre assegnare liberamente gli intervalli di tempo. A seconda del fornitore, dipendono dagli intervalli consentiti dall'operatore di rete. Gli sviluppatori hanno solo un'influenza indiretta sul consumo energetico e devono trovare un compromesso ideale a seconda del Paese e dell'operatore di rete.
In pratica, ciò significa che la stazione meteo nel Paese A con l'operatore di rete X può durare molto più a lungo con una sola batteria rispetto al Paese B con l'operatore di rete Y.
Come funziona eDRX?
Il termine eDRX è l'acronimo di "extended Discontinuous Reception" e consente agli sviluppatori di personalizzare in modo più dettagliato la modalità di inattività del proprio dispositivo. Ad esempio, eDRX consente di definire con maggiore precisione gli intervalli in cui il dispositivo passa alla modalità di ricezione per essere raggiungibile dall'esterno. Si tratta di una sorta di "regolazione fine" per risparmiare energia, ma senza cadere immediatamente nella modalità di risparmio energetico e mantenendo il dispositivo raggiungibile dall'esterno il più a lungo possibile. Ma anche qui c'è un problema: La funzione è nuova e non tutti gli operatori di rete supportano ancora l'eDRX. Il supporto dell'eDRX dipende dall'operatore di rete.
Se e come l'eDRX è supportato dipende in gran parte dall'operatore di rete mobile in questione. Ma le cose si complicano ulteriormente: anche se un operatore di rete supporta l'eDRX, è possibile che lo faccia solo per le schede SIM del provider. La funzione non è sempre disponibile per le SIM straniere. Chiunque sviluppi prodotti IoT per mercati e Paesi diversi deve quindi sapere in anticipo quali requisiti si applicano esattamente nella rispettiva area di utilizzo. Questo complica lo sviluppo dell'IoT e il lancio dei prodotti. Sarebbe più semplice trovare un metodo più indipendente che faciliti il risparmio energetico.
Prossimamente: MQTT vs CoAP e LwM2M
Nella seconda parte della serie di blog Powersaving in celluar LPWAN diamo un'occhiata più da vicino al livello dei protocolli sui dispositivi IoT. Come possono i protocolli contribuire al risparmio energetico?
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