Łączność LPWA a żywotność baterii w urządzeniach IoT | Com4

O żywotności baterii mówi się tak, jakby była to kwestia wyłącznie sprzętu i składu chemicznego: wystarczy wybrać odpowiednie ogniwo, zadbać o pasywację i odpowiednio dostosować krzywą napięcia. Wszystko to ma znaczenie. Jednak na długo przed tym, zanim urządzenie trafi na rynek, największy wpływ na to, jak długo wytrzyma na jednym ładowaniu, ma decyzja dotycząca łączności: na jakiej technologii sieciowej będzie działać i jak dobrze zostanie skonfigurowane połączenie.

Łączność IoT rzadko jest tak neutralnym wyborem, jak się wydaje

Kuszące jest traktowanie łączności komórkowej jako kosztu stałego – wystarczy włożyć kartę SIM, a prawdziwy wysiłek inżynieryjny poświęcić na baterię i sprzęt. W praktyce wybór technologii sieciowej oraz sposób skonfigurowania urządzenia do korzystania z niej zmienia zużycie energii o rząd wielkości, a nie o niewielki procent.

LTE-M zapewnia dobrą równowagę między wydajnością energetyczną a szybkością transmisji danych, co sprawia, że nadaje się do zastosowań wymagających stosunkowo częstej komunikacji, takich jak śledzenie zasobów, urządzenia do noszenia na ciele czy inteligentne liczniki, gdzie oprócz żywotności baterii liczy się również szybkość reakcji.

NB-IoTidzie jeszcze dalej w przeciwnym kierunku: zapewnia ultra niskie zużycie energii oraz głęboką penetrację w pomieszczeniach i pod ziemią, kosztem niższych prędkości transmisji danych i większych opóźnień. Została stworzona z myślą o urządzeniach, które rzadko przesyłają niewielkie ilości danych, takich jak inteligentne czujniki parkingowe, liczniki mediów czy czujniki środowiskowe, i to właśnie ta technologia stoi za większością wieloletnich okresów eksploatacji baterii obserwowanych w praktyce. W zależności od częstotliwości użytkowania, siły sygnału oraz tego, jak dobrze skonfigurowane są ustawienia oszczędzania energii, urządzenia NB-IoT zazwyczaj działają od 5 do 10 lat na jednej baterii.

Wybór między nimi nie polega na abstrakcyjnym wyborze „bardziej wydajnej” opcji, ale na dopasowaniu technologii do tego, jak często urządzenie faktycznie musi się komunikować.

Tryby oszczędzania energii: PSM i eDRX

Zarówno LTE-M, jak i NB-IoT obsługują dwie funkcje oszczędzania energii, które w praktyce w największym stopniu przyczyniają się do wydłużenia żywotności baterii, a wybór między nimi zależy wyłącznie od tego, co aplikacja musi odbierać, a nie tylko wysyłać.

Tryb PSM (Power Saving Mode) pozwala urządzeniu przejść w stan głębokiego uśpienia, pozostając jednocześnie zarejestrowanym w sieci. Urządzenie skutecznie wyłącza moduł radiowy, budząc się jedynie w zaplanowanych odstępach czasu w celu sprawdzenia wiadomości lub przesłania danych. Jest to najgłębszy dostępny stan uśpienia, a jego wadą jest to, że urządzenie jest niedostępne, a każda wiadomość przychodząca musi poczekać do następnego zaplanowanego wybudzenia.

eDRX (Extended Discontinuous Reception) to opcja mniej inwazyjna: urządzenie przechodzi w stan uśpienia na dłuższe, ale krótsze okresy i budzi się według przewidywalnego harmonogramu, aby sprawdzić, czy nadeszły wiadomości, poświęcając część oszczędności energii trybu PSM na rzecz możliwości dalszego odbierania poleceń z umiarkowanym opóźnieniem.

Urządzenie, które musi jedynie sporadycznie łączyć się z serwerem – na przykład czujnik wilgotności gleby przekazujący dane raz dziennie – powinno korzystać z trybu PSM. Urządzenie, które od czasu do czasu wymaga przesłania polecenia – na przykład zawór, który należy zamknąć – wymaga lepszej dostępności zapewnianej przez tryb eDRX i należy uwzględnić w budżecie dodatkowe koszty związane z zużyciem energii.

Co faktycznie wyczerpuje baterię pomiędzy transmisjami

Właściwe dobranie technologii sieciowej i trybu uśpienia rozwiązuje większość problemów, ale kilka szczegółów konfiguracyjnych decyduje o tym, czy teoretyczna żywotność baterii zostanie osiągnięta w praktyce, czy też będzie się powoli zmniejszać:

Rozmiar danych i częstotliwość transmisji. Każda transmisja zużywa energię, niezależnie od tego, jak wydajna jest sieć bazowa. Agregowanie danych w mniejszą liczbę większych transmisji, wysyłanie danych tylko w przypadku istotnych zdarzeń zamiast według stałego harmonogramu oraz dostosowywanie częstotliwości próbkowania do warunków (wyższa częstotliwość tylko wtedy, gdy faktycznie coś się zmienia) – wszystko to zmniejsza liczbę przypadków, w których moduł radiowy musi się wybudzić i nawiązać łączność.

Płynne radzenie sobie z awariami sieci. Urządzenie, które nieprawidłowo radzi sobie z przerwaniem połączenia, może wpaść w pętlę ponownego uruchamiania i ponownego łączenia się, co jest jednym z najszybszych sposobów na wyczerpanie baterii, która miała wystarczyć na dekadę. Zarządzanie polityką radiową oraz mechanizmy wycofywania się, które wykrywają ten schemat i spowalniają próby ponownego połączenia, zamiast nadmiernie obciążać sieć, chronią zarówno baterię urządzenia, jak i samą sieć. W przypadku wdrożeń mobilnych lub obejmujących wiele rynków ograniczenie skanowania sieci do operatorów i pasm częstotliwości, których urządzenie faktycznie potrzebuje, skraca również czas pozyskiwania sygnału, co jest kolejnym obszarem, w którym energia po cichu się traci.

Wybór protokołu. Lekkie protokoły stworzone z myślą o urządzeniach o ograniczonych zasobach – MQTT-SN, CoAP, zwykły UDP, w których sporadyczna utrata danych jest dopuszczalna – generują znacznie mniejsze obciążenie niż HTTP. W przypadku urządzenia zasilanego z baterii obciążenie związane z protokołem nie jest drobnostką – to czas transmisji, a czas transmisji to zużycie baterii.

Miejsce przetwarzania danych. Przetwarzanie danych na urządzeniu lub lokalnej bramie zamiast przesyłania surowych danych do chmury może znacznie zmniejszyć zużycie energii na komunikację, pod warunkiem, że dodatkowe lokalne przetwarzanie nie przewyższa oszczędności. Równowagę między przetwarzaniem brzegowym a transmisją należy oceniać w kontekście całego budżetu energetycznego, a nie tylko kosztów łączności radiowej, ponieważ ciągłe pomiary i obliczenia mogą niepostrzeżenie zniwelować korzyści wynikające z ograniczenia komunikacji.

Gdzie eSIM i iSIM zmieniają układ sił

Dwa osiągnięcia w dziedzinie łączności zmieniają to, co jest możliwe do osiągnięcia, a nie tylko to, jak starannie konfiguruje się istniejącą technologię.

Technologie eSIM i iSIM przenoszą kartę SIM z fizycznej, wymiennej karty do wlutowanego lub wbudowanego chipa. Oprócz korzyści operacyjnych – braku konieczności wysyłania serwisu w celu wymiany karty SIM oraz braku oddzielnych umów dla poszczególnych krajów – w szczególności iSIM integruje funkcjonalność karty SIM bezpośrednio z bezpiecznym procesorem urządzenia, co zmniejsza zużycie energii i zwalnia miejsce wewnątrz urządzenia, które można przeznaczyć na większą baterię, lepszą antenę lub zmniejszenie ogólnych wymiarów urządzenia. W przypadku urządzeń zaprojektowanych tak, by działały bez ingerencji przez dekadę, nie jest to drobny szczegół.

Karty SIM obsługujące wiele sieci mają również pośredni wpływ na żywotność baterii: urządzenie, które musi wielokrotnie szukać użytecznego sygnału, ponieważ jest powiązane z jednym operatorem o słabym zasięgu, zużywa energię podczas nieudanych prób nawiązania połączenia. Karta SIM, która niezawodnie znajduje najsilniejszą dostępną sieć już za pierwszym razem, ogranicza to ukryte zużycie energii, oprócz korzyści związanych z zasięgiem, dla których zazwyczaj jest wybierana.

Łączność IoT i konstrukcja baterii muszą być rozwiązywane wspólnie

Nic z tego nie zastępuje dobrej inżynierii akumulatorowej – dobór składu chemicznego, konstrukcja ogniw oraz dopasowanie napięcia do rzeczywistego profilu prądowego urządzenia nadal decydują o tym, czy akumulator działa zgodnie z oczekiwaniami pod obciążeniem, jakie nakłada na niego urządzenie. Jednak obciążenie akumulatora jest ustalane na wcześniejszym etapie – zależy od tego, jaką technologię sieciową wybrano, czy PSM lub eDRX pasują do danego zastosowania, jak duże są ładunki danych, jak często urządzenie nadaje oraz jak płynnie radzi sobie z słabym połączeniem.

Właściwe zaprojektowanie łączności na samym początku oznacza, że pojemność baterii jest dobierana w oparciu o realistyczny budżet energetyczny, a nie optymistyczny. Com4 współpracuje z zespołami zajmującymi się IoT właśnie w tym zakresie, oferując łączność LTE-M i NB-IoT zaprojektowaną z myślą o niskim zużyciu energii, obsługą PSM i eDRX, kartami SIM obsługującymi wiele sieci u ponad 750 operatorów w ponad 190 krajach oraz opcjami eSIM i iSIM, które zmniejszają pobór mocy na poziomie sprzętowym, dzięki czemu bateria, którą zespół ostatecznie wybierze, musi jedynie wykonywać swoją część zadania, a nie rekompensować decyzję dotyczącą łączności podjętą bez uwzględnienia zużycia energii.

Jeśli żywotność baterii stanowi ograniczenie, wokół którego projektowane jest Twoje kolejne wdrożenie IoT, warto omówić kwestię łączności przed rozmową o baterii, a nie po niej.