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Zehn Jahre Strom für NB-IoT-Konnektivität mit einer einzigen Batterie

Container tracking harbor sunset

Ja, es ist möglich - mit den richtigen Einstellungen und unter den richtigen Umständen. Hier zeigen wir Ihnen, wie es geht.

NB‑IoT oder Narrowband IoT wird seit langem als Wegbereiter für extrem energiesparende IoT‑Anwendungen angepriesen und verspricht ein Jahrzehnt der Konnektivität mit einer einzigen Batterie. Die Technologie ist für die sporadische Übertragung kleiner Datenmengen optimiert und eignet sich für umfangreiche Anwendungsfälle wie Smart Metering für Versorgungsunternehmen, Smart Cities, Logistik und Güterlokalisierung (Asset Tracking) sowie Anwendungen in Landwirtschaft und Umweltschutz. Inzwischen reifen Netzwerke auf der ganzen Welt schnell heran, wobei Rollouts bei 50 nationalen Netzwerken bereits abgeschlossen sind und weitere folgen.

Ein ganzes Jahrzehnt Leistung mit einer einzigen Batterie ist ein starkes Verkaufsargument. Das bedeutet, dass die Sensoren nach der Implementierung jahrelang sich selbst überlassen werden können. Insbesondere bei Anwendungen an schwer zugänglichen Orten, wie z. B. unter der Erde, kann dies die Wartungskosten für einen Gerätepark erheblich senken. Und das ist noch nicht alles. Die mehrjährige Energieautonomie kommt zu den anderen Vorteilen von NB‑IoT hinzu, wie niedrige Gerätekosten, hohe Reichweite und hohe spektrale Effizienz.

Das klingt alles toll, aber die Entwicklung eines Geräts, das zuverlässig ein ganzes Jahrzehnt Konnektivität mit einer einzigen Batterie bietet, kann durchaus eine Herausforderung darstellen. Bei 3G‑Netzwerken war der Stromverbrauch der bestimmende Faktor: Man konnte ihn anhand eines bestimmten Nutzungsszenarios im Voraus berechnen. Bei NB‑IoT läuft das anders, denn hier können Entscheidungen des Mobilfunknetzbetreibers (Mobile Network Operator, MNO) – oft automatisiert – den Unterschied zwischen einem ganzen Jahrzehnt und nur wenigen Betriebsjahren ausmachen.

Seitdem wir 2016 die weltweit erste Vornorm‑NB‑IoT‑Nachricht über ein Live‑Netzwerk versendet haben, optimieren wir unsere NB‑IoT‑Module und sammeln Fachwissen. Damit wollen wir das Versprechen an unsere Kunden erfüllen, ein ganzes Jahrzehnt Konnektivität zu bieten.

Um die 10‑Jahres‑Grenze zu erreichen, sind fünf Dinge zu beachten:

1: PSM‑Parameter sinnvoll einstellen.

Wie andere LPWA‑Technologien spart auch NB‑IoT Energie, indem es die Zeit maximiert, die die Geräte im Schlafmodus verbringen.  Der Energiesparmodus (PSM, Power Save Mode) bietet dafür eine effiziente Möglichkeit, ohne das Modem vollständig auszuschalten. Im PSM können Geräte aufwachen und mit dem Netzwerk kommunizieren. Das Netzwerk kann das Gerät jedoch nicht erreichen.

PSM senkt den Stromverbrauch auf unter drei Mikroampere. Es verwendet Release Assistance, um dem Netzwerk zu signalisieren, dass das Modul keine Downlink‑Antwort auf seine Uplink‑Nachricht erwartet. Auf diese Weise kann es sofort vom Netzwerk freigegeben werden, anstatt zwischen 6 und 20 Sekunden auf das Timeout der Verbindung aufgrund von Inaktivität zu warten. Darüber kann ein Gerät im Energiesparmodus seine Registrierungsdaten beim Wechsel in den Schlafmodus behalten, so dass es für eine neue Kommunikation den stromfressenden Prozess der Wiederanbindung an das Funknetz nicht mehr durchlaufen muss.

Der Energiesparmodus wird über zwei +CPSMS‑Timer, T3324 und T3412, gesteuert, die das Gerät bei der Initialisierung dem Mobilfunkbetreiber vorschlägt. T3324 gibt an, wie lang ein Gerät vom Netzwerk aus erreichbar ist, bevor es in den Energiesparmodus geht. Die Dauer jedes PSM‑Intervalls wird durch die Differenz zwischen den beiden definiert.

NB‑IoT‑Parametereinstellungen

Abbildung: Zustände des NB‑IoT‑Modems nach der Registrierung im Netzwerk

 

2: Die Übernahme der PSM‑Timer‑Werte kann nicht erzwungen werden.

Angenommen, Sie haben den optimalen +CPSMS Timer gefunden, der die Energieautonomie und die Verfügbarkeit, die Ihre Anwendung benötigt, perfekt ausbalanciert. Also lassen Sie die Sektkorken knallen und feiern das Erreichte?

Nicht so schnell! Die +CPSMS‑Timer, die ein Mobilfunkbetreiber von einem Gerät erhält, werden von ihm lediglich als Vorschlag gesehen. Er ist nicht verpflichtet, sie entsprechend einzustellen, und er kann sie ausser Kraft setzen, wenn sie ausserhalb des gewünschten Bereichs liegen. Bevor Sie lautstark feiern, sollten Sie mit den entsprechenden AT‑Befehlen prüfen, welche Timer‑Werte das Netzwerk ihrem Gerät tatsächlich zugewiesen hat. Ausserdem sollten Sie die Timer kontinuierlich verfolgen, denn sie können sich jederzeit ändern. Dann können Sie schnell reagieren, wenn die Timer vom MNO zurückgesetzt werden.

3: eDRX sorgt dafür, dass Ihr Gerät länger empfangsbereit bleibt.

Wie wir bereits beim T3324‑Timer gesehen haben, können Sie vorschlagen, dass Ihr Gerät eine bestimmte Zeit lang empfangsbereit für das Netzwerk ist. Extended Discontinuous Reception, kurz eDRX, muss noch von MNOs eingeführt werden. Damit kann diese Zeit verlängert werden, wobei die Energieanforderungen nur leicht steigen. Im Grunde funktioniert es durch Ein- und Ausschalten eines Zustands mit niedriger Leistung, in dem der Stromverbrauch auf etwa drei Mikroampere sinkt.

Bei Verwendung von eDRX speichert die IoT‑Plattform des Mobilfunkbetreibers alle eingehenden Nachrichten, während sich das Gerät im Zustand mit niedriger Leistung befindet, und leitet sie beim Aufwachen an das Gerät weiter. Es sollte auch erwähnt werden, dass eDRX auch ohne PSM eingesetzt werden kann, insbesondere für Anwendungen, die zu unbekannten Zeiten Nachrichten empfangen müssen.

4: Coverage Classes liegen ausserhalb Ihrer Kontrolle.

Eine Möglichkeit, wie NB‑IoT Strom spart, ist das „Flüstern“ von Nachrichten über die Funkverbindung, anstatt sie zu „schreien“. Um sicherzustellen, dass alle Nachrichten im Bereich einer NB‑IoT‑Basisstation gehört werden, weist NB‑IoT jeder Nachricht bzw. sogar jedem Teil jeder Nachricht eine Abdeckungsklasse, die sog. Coverage Class, zu, die auf dem gemessenen Signal‑Rausch‑Verhältnis basiert.

Nachrichten, die über das Rauschen gut zu hören sind, fallen in die Coverage Class 0 (CO0), weniger klare in die Coverage Class 1 (CO1). Sie werden vom Gerät mit 10 dB Verstärkung abgegeben. Die Extremfälle gehören zu Coverage Class 2 (CO2), in der Nachrichten mit 20 dB Verstärkung gesendet werden.

Die Einstufung in CO1 oder CO2 kann zwar dafür sorgen, dass die Nachricht Ihres Geräts an die Basisstation weitergeleitet wird, aber das hat auch Nachteile. Da sie mit mehr Leistung gesendet und mehrfach wiederholt werden, ziehen sie deutlich mehr Strom aus der Batterie als die in CO0 gesendeten Nachrichten.

Das Problem mit Coverage Classes liegt darin, dass sie ausserhalb Ihrer Kontrolle liegen, obwohl sie ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Autonomie sind. Mobilfunkbetreiber sind in der Regel nicht in der Lage, transparente Richtlinien darüber bereitzustellen, in welche Coverage Class die gesendeten Nachrichten Ihres Geräts eingeordnet werden. Die einzige Möglichkeit, sich darüber Klarheit zu verschafften, ist die Überwachung des Stromverbrauchs Ihres Geräts, sobald es im Feld implementiert ist.

5: Letztendlich ist es ein Balanceakt.

Angenommen, Sie entwerfen intelligente Wasserzähler, die mit NB‑IoT Daten in die Cloud übertragen, wo Kommunen oder Wasserversorger den Zustand und den Verbrauch des Wassernetzes in Echtzeit überwachen können. In einem solchen Szenario wollen Sie Ihr Produkt wahrscheinlich nicht mit einer Batterielebensdauer von einem Jahrzehnt für die Konnektivität bewerben, wenn das nur der Fall ist, sofern es in Coverage Class 0 und 1 eingeordnet ist.

In Wahrheit ist der Kompromiss zwischen Batterielebensdauer und Coverage unumgänglich. Und wie wir gesehen haben, liegen viele der Schlüsselfaktoren, die die Leistung Ihres Geräts beeinflussen, nicht in Ihren Händen. Natürlich können Sie die Batterie jederzeit verbessern, aber das könnte einige Ihrer Kunden abschrecken. Die Entwicklung von Geräten für IoT ist immer ein Balanceakt, und das Gleiche gilt für Geräte, die über NB‑IoT‑Netzwerke kommunizieren.

Wenn Sie IoT‑Lösungen mit den Modulserien SARA‑R4/N4, SARA‑N3 oder SARA‑N2 entwickeln und Hilfe bei der Maximierung der Batterieautonomie oder zur Optimierung der Leistung benötigen, können wir Ihnen Werkzeuge zur Verfügung stellen, mit denen Sie Ihre Designs auf einem soliden Fundament aufbauen können.