Possibilidades e limitações do PSM e do eDRX - Economia de energia em LPWAN celular
Para sensores alimentados por bateria na Internet das Coisas, é crucial maximizar o tempo de operação com a energia disponível. Existem várias estratégias para economizar energia. Uma abordagem simples é ligar o dispositivo intermitentemente e mantê-lo em modo de suspensão durante o restante do tempo. No entanto, essa estratégia tem a desvantagem de tornar o dispositivo inacessível durante o modo de suspensão. Portanto, os desenvolvedores precisam equilibrar um fluxo de dados constante com o tempo de inatividade necessário.
Série de artigos sobre a "Economia de Energia em LPWAN Celular":
Parte 1: Possibilidades e limitações do PSM e do eDRX
Parte 2: MQTT, CoAP e LwM2M: protocolos enxutos para a IoT
Parte 3: Corretor de dados da 1NCE: Estenda a vida útil da bateria com NB-IoT e LTE-M
Existem várias estratégias para aumentar a vida útil da bateria em redes celulares, como o Modo de Economia de Energia (PSM) e a "Recepção Descontínua Estendida" (eDRX). Em nossa série de artigos, exploraremos como os desenvolvedores podem maximizar o tempo de execução de seus dispositivos e as dificuldades que podem enfrentar.
Economia de energia com NB-IoT e LTE-M
Nas comunicações móveis, o Narrowband IoT (NB-IoT) e o LTE-M (Long Term Evolution for Machines) emergiram como redes de baixa potência (LPWAN). Essas tecnologias de transmissão de banda estreita são especialmente eficientes em termos de consumo de energia. Para aumentar ainda mais a eficiência energética, é possível definir intervalos adicionais nos quais os dispositivos entram no modo de suspensão. Essas funcionalidades são conhecidas como PSM e eDRX nas comunicações móveis.
O que pode parecer uma solução simples inicialmente, se torna complexo quando o produto necessita de ampliação em larga escala ou implantado globalmente. Isso ocorre porque o PSM e o eDRX dependem da operadora de rede específica e podem não estar disponíveis em todos os casos. Nesta série de artigos, discutiremos as vantagens e desvantagens desses métodos e exploraremos alternativas escaláveis e eficazes.
A NB-IoT e o LTE-M (também chamado de LTE Cat M1) foram desenvolvidos explicitamente em comunicações móveis para a comunicação dos chamados “dispositivos restritos”. Dispositivos e sensores que são alimentados por uma bateria, independentemente de uma fonte de alimentação permanente. As aplicações clássicas são dispositivos móveis de rastreamento ou sensores em locais remotos, como em campos abertos, longe de qualquer fonte de energia. Como esses sensores geralmente só precisam transmitir pequenas medições de dados, como temperaturas ou coordenadas em intervalos, em vez de fornecer um fluxo de dados constante, eles devem ser capazes de viver o maior tempo possível com uma carga de bateria. O motivo é simples: É demorado e caro substituir as baterias regularmente após um curto período de funcionamento.
PSM e eDRX dependem da operadora de rede celular
Duas funcionalidades essenciais para economizar energia são amplamente reconhecidas entre os desenvolvedores de IoT: PSM e eDRX. Ambas gerenciam os intervalos de tempo em que os dispositivos entram em um modo de suspensão e despertam periodicamente para se comunicar com a rede. Esses intervalos podem variar de alguns minutos a vários dias. No entanto, há uma limitação: essas funções dependem do suporte das operadoras de rede móvel. Além disso, nem todos os provedores permitem que os desenvolvedores escolham livremente os intervalos de tempo; muitas vezes, é necessário ajustá-los de acordo com as especificações da operadora de rede.
Visão geral dos estados de conexão NB-IoT e do consumo de energia com PSM e eDRX de um dispositivo IoT.
O que faz o modo de economia de energia (PSM)?
O Modo de Economia de Energia permite que o dispositivo entre em um estado de sono profundo para economizar energia. Imagine uma estação meteorológica em um campo que precisa fornecer dados diários, como temperatura, velocidade do vento e umidade do solo. Manter uma comunicação constante com a rede móvel e transmitir dados continuamente seria excessivamente energético.
Para esse aplicativo específico, é suficiente transmitir dados em intervalos mais longos, por exemplo, a cada hora. Após enviar os dados, a estação meteorológica entra em um modo de baixo consumo durante alguns segundos. Durante esse período, mantém a conexão com a operadora de rede aberta para receber comandos, caso necessário. Esse estado de baixo consumo consome significativamente menos energia do que uma conexão ativa contínua.
Um exemplo de dispositivo restrito: é a estação meteorológica "Nextfarming em campo aberto, da FarmFacts, um dos clientes da 1NCE.
Após um breve período em repouso, o dispositivo entra no modo de economia de energia, equivalente a um sono profundo. Durante esse estado, o dispositivo permanece registrado na rede, mas não transmite nem recebe dados, minimizando o consumo de energia. No entanto, a estação meteorológica não fica mais acessível externamente. Somente ao término do intervalo predefinido, o dispositivo é ativado para retomar a transmissão de dados.
Dependendo do aplicativo, cabe aos desenvolvedores determinar o período ideal para o dispositivo permanecer em modo de suspensão. Enquanto uma estação meteorológica pode transmitir dados uma vez por hora, uma solução de rastreamento para veículos ou bens transportados precisaria reportar com maior frequência para manter a localização atualizada. Quanto mais tempo o dispositivo permanecer em modo de economia de energia, maior será a duração da bateria. No entanto, os dados disponíveis podem ser menos frequentes e precisos.
Outra limitação desse método de economia de energia baseado em hardware é que os desenvolvedores nem sempre têm liberdade para escolher os intervalos de tempo. Em muitos casos, eles estão restritos aos intervalos definidos pela operadora de rede. Isso significa que os desenvolvedores têm apenas uma influência indireta sobre o consumo de energia e precisam encontrar um compromisso ideal, que pode variar significativamente de país para país e de uma operadora para outra.
Na prática, isso significa que uma estação meteorológica no país A usando a operadora de rede X pode ter uma vida útil de bateria muito maior do que no país B usando a operadora de rede Y.
Como funciona o eDRX?
O eDRX, permite aos desenvolvedores personalizar detalhadamente o modo de suspensão de seus dispositivos. Com o eDRX, é possível definir com precisão os intervalos nos quais o dispositivo entra no modo de recepção para estar disponível para comunicação externa. Isso proporciona um ajuste fino para economizar energia, mantendo o dispositivo acessível pelo maior tempo possível antes de entrar no modo de economia de energia.
No entanto, há um desafio significativo: o eDRX é uma função relativamente nova e nem todas as operadoras de rede oferecem suporte a ele ainda. A disponibilidade do eDRX varia de operadora para operadora e pode ser limitada a certos tipos de cartões SIM específicos da operadora. Isso significa que desenvolvedores que criam produtos IoT para diferentes mercados e países precisam verificar previamente os requisitos específicos aplicáveis à região de implantação. Essa complexidade pode dificultar o desenvolvimento e a implementação eficaz de produtos IoT. Simplificar o método de economia de energia seria ideal para promover a independência e facilitar o processo de economia de energia.
Próximo: MQTT vs CoAP e LwM2M
Na segunda parte de nossa série de artigos sobre economia de energia em redes LPWAN, exploraremos os protocolos utilizados em dispositivos IoT e como podem contribuir para a eficiência energética.
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