Hvordan LPWA-konnektivitet påvirker batterilevetiden til IoT-enheter

Batterilevetiden blir ofte diskutert som om det utelukkende var et problem knyttet til maskinvare og kjemiske egenskaper: velg riktig celle, håndter passivering, få spenningskurven riktig. Alt dette er viktig. Men lenge før en enhet i det hele tatt kommer ut på markedet, er den aller viktigste faktoren for hvor lenge den holder på én lading en beslutning som tas på konnektivitetssiden: hvilken nettverksteknologi den kjører på, og hvor godt den tilkoblingen er konfigurert.

IoT-konnektivitet er sjelden det nøytrale valget det ser ut til å være

Det er fristende å behandle mobilnettverkstilkobling som en fast kostnad, sette inn et SIM-kort og legge den virkelige ingeniørinnsatsen på batteriet og maskinvaren. I praksis endrer valget av nettverksteknologi og hvordan en enhet er konfigurert for å bruke den strømforbruket med en størrelsesorden, ikke en liten prosentandel.

LTE-M gir en god balanse mellom energieffektivitet og datahastighet, noe som gjør den egnet for applikasjoner som krever relativt hyppig kommunikasjon, sporing av eiendeler, wearables og smarte målere, der responsivitet er viktig i tillegg til batterilevetid.

NB-IoT går lenger i den andre retningen: ekstremt lavt strømforbruk og god dekning innendørs og under jorden, på bekostning av lavere datahastigheter og høyere forsinkelse. Den er utviklet for enheter som sender små datamengder sjeldent, for eksempel smarte parkeringssensorer, strømmålere og miljøovervåkere, og er teknologien bak de fleste av de flerårige batterilevetidene man ser i feltet. Avhengig av bruksfrekvens, signalstyrke og hvor godt strømsparingsinnstillingene er konfigurert, går NB-IoT-enheter vanligvis i 5 til 10 år på ett enkelt batteri.

Valget mellom dem handler ikke om å velge det «mer effektive» alternativet i teorien, men om å tilpasse teknologien til hvor ofte enheten faktisk trenger å kommunisere.

Strømsparingsmoduser: PSM og eDRX

Både LTE-M og NB-IoT støtter to strømsparingsfunksjoner som utfører det meste av det praktiske arbeidet med å forlenge batterilevetiden, og valget mellom dem avhenger helt av hva applikasjonen trenger å motta, ikke bare sende.

PSM (Power Saving Mode) lar en enhet gå inn i en dyp hvilemodus mens den forblir registrert på nettverket. Enheten slår effektivt av radioen sin og våkner bare med jevne mellomrom for å sjekke etter meldinger eller overføre data. Dette er den dypeste hvilemodusen som finnes, og ulempen er at enheten er utilgjengelig, og at alle nedlink-meldinger må vente til neste planlagte oppvåkning.

eDRX (Extended Discontinuous Reception) er det mildere alternativet: enheten går i dvalemodus i lengre, men kortere perioder og våkner etter en forutsigbar tidsplan for å sjekke om det er innkommende meldinger, og bytter dermed noe av strømbesparelsen fra PSM mot muligheten til fortsatt å motta kommandoer med moderat forsinkelse.

En enhet som bare trenger å melde seg hjem en gang i blant, for eksempel en jordfuktighetssensor som rapporterer én gang om dagen, hører hjemme i PSM. En enhet som av og til trenger å få tilsendt en kommando, for eksempel en ventil som må få beskjed om å lukke seg, trenger eDRXs bedre tilgjengelighet, og man bør beregne kostnadene for den ekstra strømforbruket dette medfører.

Hva som faktisk tømmer batteriet mellom overføringene

Å få nettverksteknologien og hvilemodusen riktig løser det meste av problemet, men noen få konfigurasjonsdetaljer avgjør om den teoretiske batterilevetiden oppnås i praksis eller stille og rolig spises opp:

Størrelsen på nyttelasten og overføringsfrekvensen. Hver overføring koster energi, uansett hvor effektivt det underliggende nettverket er. Å samle data i færre, større overføringer, kun sende ved meningsfulle hendelser i stedet for etter en fast tidsplan, og tilpasse samplingsfrekvensen til forholdene (høyere frekvens bare når noe faktisk endrer seg) – alt dette reduserer antall ganger radioen må våkne og kommunisere.

Håndtere nettverksfeil på en smidig måte. En enhet som håndterer en brutt tilkobling feil, kan havne i en loop med omstart og gjenoppkobling, noe som er en av de raskeste måtene å tømme et batteri som egentlig skulle vare i et tiår. Håndtering av radiopolitikk og «back-off»-mekanismer som oppdager dette mønsteret og bremser forsøkene på å koble seg til på nytt – i stedet for å overbelaste nettverket – beskytter både enhetens batteri og selve nettverket. Ved mobilbruk eller distribusjon i flere markeder vil det å begrense nettverksskanninger til de operatørene og frekvensbåndene enheten faktisk trenger, også forkorte oppkoblingstiden – et annet område der energi stille og rolig forsvinner.

Valg av protokoll. Lette protokoller utviklet for enheter med begrensede ressurser – MQTT-SN, CoAP og vanlig UDP der sporadisk datatap er akseptabelt – medfører langt mindre overhead enn HTTP. På en batteridrevet enhet er protokoll-overhead ikke en fotnote, det er overføringstid, og overføringstid er batteri.

Hvor beregningene skjer. Å behandle data på enheten eller en lokal gateway i stedet for å streame rådata til skyen kan redusere kommunikasjonsenergiforbruket betydelig, forutsatt at den ekstra lokale behandlingen ikke oppveier besparelsene. Balansen mellom edge-databehandling og overføring må vurderes ut fra det totale strømforbruket, ikke bare radiokostnadene, siden kontinuerlig måling og databehandling i det stille kan utligne gevinsten fra redusert kommunikasjon.

Der eSIM og iSIM endrer ligningen

To utviklingstrekk på tilkoblingssiden endrer hva som er mulig å oppnå, ikke bare hvor nøye eksisterende teknologi konfigureres.

eSIM og iSIM flytter SIM-kortet ut av et fysisk, utskiftbart kort og inn i en loddet eller innebygd brikke. I tillegg til den driftsmessige fordelen – ingen behov for servicebesøk for å bytte SIM-kort, ingen separate kontrakter per land – integrerer spesielt iSIM SIM-funksjonaliteten direkte i enhetens sikre prosessor, noe som reduserer strømforbruket og frigjør innvendig plass som kan brukes til et større batteri, en bedre antenne eller en enhet med mindre fotavtrykk totalt sett. For enheter som er designet for å fungere uavbrutt i et tiår, er dette ikke en ubetydelig detalj.

SIM-kort for flere nettverk påvirker også batterilevetiden indirekte: en enhet som må søke gjentatte ganger etter et brukbart signal fordi den er bundet til én enkelt, svak operatør, bruker strøm på mislykkede forsøk på å opprette forbindelse. Et SIM-kort som pålitelig finner det sterkeste tilgjengelige nettverket første gang, reduserer dette skjulte strømforbruket, i tillegg til dekkingsfordelen det vanligvis velges for.

IoT-konnektivitet og batteridesign må løses sammen

Ingenting av dette erstatter god batteriteknikk; valg av kjemisk sammensetning, cellekonstruksjon og spennings tilpasning til enhetens faktiske strømprofil avgjør fortsatt om et batteri yter som forventet under belastningen enheten påfører det. Men denne batteribelastningen bestemmes på et tidligere stadium, av hvilken nettverksteknologi som ble valgt, om PSM eller eDRX passer til bruksområdet, hvor store datamengdene er, hvor ofte enheten sender, og hvor smidig den håndterer en dårlig forbindelse.

Å få tilkoblingssiden riktig fra starten av betyr at batteriet dimensjoneres ut fra et realistisk strømbudsjett i stedet for et optimistisk. Com4 samarbeider med IoT-team nettopp om dette: LTE-M- og NB-IoT-tilkobling utviklet med tanke på lavt strømforbruk, støtte for PSM og eDRX, SIM-kort for flere nettverk hos over 750 operatører i mer enn 190 land, samt eSIM- og iSIM-alternativer som reduserer strømforbruket på maskinvarenivå, slik at batteriet teamet til slutt velger, bare trenger å gjøre sin del av jobben, ikke kompensere for et valg av tilkoblingsløsning som ble tatt uten å ta hensyn til strømforbruket.

Hvis batterilevetiden er den begrensningen som din neste IoT-implementering er utformet rundt, er det verdt å ta opp spørsmålet om tilkobling før batterispørsmålet, ikke etterpå.