LPWA-yhteydet ja IoT-laitteiden akunkesto | Com4

Akun käyttöajasta keskustellaan ikään kuin se olisi puhtaasti laitteistoon ja kemiaan liittyvä ongelma: valitse oikea kenno, hallitse passivointia, säädä jännitekäyrä oikein. Kaikki nämä seikat ovat tärkeitä. Mutta jo kauan ennen kuin laite päätyy markkinoille, suurin yksittäinen tekijä, joka vaikuttaa siihen, kuinka kauan laite kestää yhdellä latauksella, on yhteyksien puolella tehty päätös: millä verkkoteknologialla laite toimii ja kuinka hyvin yhteys on konfiguroitu.

IoT-yhteydet ovat harvoin niin neutraali valinta kuin miltä ne näyttävät

On houkuttelevaa käsitellä matkapuhelinverkkoa kiinteänä kustannuksena, asentaa SIM-kortti paikoilleen ja keskittää todellinen suunnittelutyö akkuun ja laitteistoon. Käytännössä verkkoteknologian valinta ja laitteen konfigurointi sen käyttämiseksi muuttavat virrankulutusta suuruusluokkaa, ei vain pientä prosenttiosuutta.

LTE-M tarjoaa hyvän tasapainon energiatehokkuuden ja datanopeuden välillä, minkä vuoksi se sopii sovelluksiin, jotka vaativat suhteellisen tiheää viestintää, kuten omaisuuden seurantaa, puettavia laitteita ja älymittareita, joissa sekä reagointinopeudella että akun kestolla on merkitystä.

NB-IoT menee pidemmälle toiseen suuntaan: erittäin alhainen virrankulutus sekä syvä tunkeutuvuus sisätiloihin ja maan alle, mutta hintaan, joka on alhaisemmat datanopeudet ja suurempi viive. Se on suunniteltu laitteille, jotka lähettävät pieniä datamääriä harvoin, kuten älykkäille pysäköintiantureille, kulutusmittareille ja ympäristövalvontalaitteille, ja se on tekniikka, joka mahdollistaa useimpien kentällä havaittujen monivuotisten akunkestoaikojen taustalla. Käyttötiheydestä, signaalin voimakkuudesta ja virransäästöasetusten oikeasta konfiguroinnista riippuen NB-IoT-laitteet toimivat yleensä 5–10 vuotta yhdellä akulla.

Näiden välillä valitseminen ei tarkoita abstraktisti ”tehokkaamman” vaihtoehdon valitsemista, vaan teknologian sovittamista siihen, kuinka usein laitteen todella tarvitsee olla yhteydessä verkkoon.

Virransäästötilat: PSM ja eDRX

Sekä LTE-M että NB-IoT tukevat kahta virransäästöominaisuutta, jotka hoitavat suurimman osan akunkeston pidentämiseen liittyvästä käytännön työstä, ja niiden välinen valinta riippuu täysin siitä, mitä sovelluksen on vastaanotettava, ei pelkästään lähetettävä.

PSM (Power Saving Mode) antaa laitteen siirtyä syvään lepotilaan pysyen samalla rekisteröitynä verkkoon. Laite sammuttaa radiolaitteensa tehokkaasti ja herää vain aikataulun mukaisin väliajoin tarkistaakseen viestejä tai lähettääkseen dataa. Kyseessä on syvin mahdollinen lepotila, ja sen haittapuolena on, että laitteeseen ei saada yhteyttä ja kaikki saapuvat viestit joutuvat odottamaan seuraavaan aikataulun mukaiseen heräämiseen asti.

eDRX (Extended Discontinuous Reception) on kevyempi vaihtoehto: laite on lepotilassa pidempiä, mutta lyhyempiä jaksoja ja herää ennustettavalla aikataululla tarkistaakseen saapuvat viestit, jolloin osa PSM:n virransäästöstä vaihdetaan kykyyn vastaanottaa komentoja kohtuullisella viiveellä.

Laite, jonka tarvitsee vain ilmoittautua kotikeskukseen, kuten kerran päivässä raportoiva maaperän kosteusanturi, kuuluu PSM-luokkaan. Laite, jolle on ajoittain lähetettävä komento, kuten venttiili, jota on käskettävä sulkeutumaan, tarvitsee eDRX:n paremman tavoitettavuuden, ja sen kustannuksiin tulisi varata ylimääräistä virtaa.

Mikä todella kuluttaa akkua lähetysten välillä

Verkkoteknologian ja lepotilan oikea säätö ratkaisee suurimman osan ongelmasta, mutta muutamat konfiguraatioyksityiskohdat ratkaisevat, saavutetaanko teoreettinen akunkesto käytännössä vai kuluuko se hiljaa:

Lähetettävän datan määrä ja lähetystiheys. Jokainen lähetys kuluttaa energiaa riippumatta siitä, kuinka tehokas taustalla oleva verkko on. Tietojen yhdistäminen harvempiin, suurempiin lähetyksiin, lähettäminen vain merkityksellisten tapahtumien yhteydessä kiinteän aikataulun sijaan sekä näytteenottotaajuuksien säätäminen olosuhteiden mukaan (korkeampi taajuus vain silloin, kun jotain todella muuttuu) vähentävät kaikki niitä kertoja, jolloin radion on herättävä ja lähetettävä dataa.

Verkkohäiriöiden sujuva käsittely. Laite, joka käsittelee katkenneen yhteyden väärin, voi joutua uudelleenkäynnistys- ja uudelleenkytkentäsilmukkaan, mikä on yksi nopeimmista tavoista tyhjentää akku, jonka piti kestää vuosikymmenen. Radioliikenteen hallinta ja back-off-mekanismit, jotka tunnistavat tämän toimintamallin ja hidastavat uudelleenkäynnistysyrityksiä sen sijaan, että rasittaisivat verkkoa, suojaavat sekä laitteen akkua että verkkoa itseään. Mobiili- tai monimarkkinakäyttöönotossa verkkoskannausten rajoittaminen niihin operaattoreihin ja taajuusalueisiin, joita laite todella tarvitsee, lyhentää myös hankinta-aikaa – toinen kohta, josta energia katoaa huomaamatta.

Protokollan valinta. Rajoitetuille laitteille kehitetyt kevyet protokollat, kuten MQTT-SN, CoAP ja tavallinen UDP, joissa satunnainen tietojen menetys on hyväksyttävää, aiheuttavat huomattavasti vähemmän ylimääräistä kuormitusta kuin HTTP. Akulla toimivassa laitteessa protokollan aiheuttama ylimääräinen kuormitus ei ole vain sivuhuomautus, vaan se on lähetysaikaa, ja lähetysaika kuluttaa akkua.

Missä laskenta tapahtuu. Tietojen käsittely laitteella tai paikallisessa yhdyskäytävässä raakadatan pilveen lähettämisen sijaan voi vähentää viestinnän energiankulutusta huomattavasti, edellyttäen että paikallisen käsittelyn aiheuttama lisäkuormitus ei ole suurempi kuin säästöt. Reunalaskennan ja tiedonsiirron välistä tasapainoa on arvioitava koko virrankulutuksen kannalta, ei pelkästään radioliikenteen kustannusten perusteella, sillä jatkuva mittaaminen ja laskenta voivat huomaamatta kumota viestinnän vähentämisestä saadut hyödyt.

Missä eSIM ja iSIM muuttavat yhtälöä

Kaksi kehityssuuntausta yhteyksien puolella muuttavat sitä, mitä on mahdollista saavuttaa, eivätkä pelkästään sitä, kuinka huolellisesti olemassa oleva teknologia on konfiguroitu.

eSIM ja iSIM siirtävät SIM-kortin pois fyysisestä, vaihdettavasta kortista ja sulatettuun tai upotettuun siruun. Käytännön etujen lisäksi – ei tarvetta lähettää huoltomiehiä vaihtamaan SIM-korttia, ei erillisiä sopimuksia maittain – erityisesti iSIM integroi SIM-toiminnot suoraan laitteen suojattuun prosessoriin, mikä vähentää virrankulutusta ja vapauttaa sisäistä tilaa, jota voidaan käyttää suurempaan akkuun, parempaan antenniin tai laitteen pienempään kokoon. Laitteille, jotka on suunniteltu toimimaan muuttumattomina vuosikymmenen ajan, tämä ei ole mikään vähäpätöinen yksityiskohta.

Moniverkkosim-kortit vaikuttavat myös epäsuorasti akun kestoon: laite, jonka on etsittävä toistuvasti käyttökelpoista signaalia, koska se on sidottu yhteen heikkoon operaattoriin, kuluttaa virtaa epäonnistuneissa yhteysyrityksissä. Sim-kortti, joka löytää luotettavasti vahvimman käytettävissä olevan verkon ensimmäisellä kerralla, vähentää tätä piilevää virrankulutusta sen peittoalueen edun lisäksi, jonka vuoksi se yleensä valitaan.

IoT-yhteydet ja akkusuunnittelu on ratkaistava yhdessä

Mikään tästä ei korvaa hyvää akkusuunnittelua: kemian valinta, kennorakenne ja jännitteen sovittaminen laitteen todelliseen virrankulutusprofiiliin määräävät edelleen, toimiiko akku odotetusti laitteen sille asettaman kuormituksen alla. Mutta tuo akkukuormitus määräytyy jo aikaisemmin: sen mukaan, mikä verkkoteknologia on valittu, sopiiko PSM vai eDRX sovellukseen, kuinka suuret datamäärät ovat, kuinka usein laite lähettää dataa ja kuinka sujuvasti se käsittelee huonon yhteyden.

Kun yhteyspuoli hoidetaan ensin kuntoon, akku mitoitetaan realistisen virrankulutuksen perusteella eikä liian optimistisen arvion pohjalta. Com4 tekee yhteistyötä IoT-tiimien kanssa juuri tässä asiassa: LTE-M- ja NB-IoT-yhteydet on suunniteltu vähävirtaista toimintaa silmällä pitäen, PSM- ja eDRX-tuen, yli 750 operaattoria ja yli 190 maata kattavien moniverkkosim-korttien sekä eSIM- ja iSIM-vaihtoehtojen parissa, jotka vähentävät virrankulutusta laitteistotasolla. Näin tiimin lopulta valitseman akun tarvitsee vain hoitaa oma osuutensa työstä, eikä sen tarvitse kompensoida yhteysratkaisua, jota on tehty ottamatta virrankulutusta huomioon.

Jos akun kesto on se rajoite, jonka ympärille seuraava IoT-käyttöönottosi suunnitellaan, kannattaa keskustella yhteyksistä ennen akkukeskustelua, ei sen jälkeen.