Was haben das Roaming-Verhalten einer M2M-SIM-Karte, die Batterielaufzeit eines IoT-Geräts und der Straßenverkehr gemeinsam? Mehr, als man auf den ersten Blick vermuten würde.
Denn ähnlich wie ein Auto Kraftstoff verbraucht, wenn es im Stau immer wieder neu anfahren muss, verbraucht auch ein IoT-Gerät Energie, wenn es nach einem passenden Mobilfunknetz sucht und Verbindungsversuche wiederholt.
Doch genau diese Energie zählt bei batteriebetriebenen IoT-Anwendungen. Vor allem dann, wenn Geräte über viele Jahre hinweg zuverlässig funktionieren sollen und ein Batteriewechsel aufwendig oder kostspielig ist.
Will man die Batterielaufzeit möglichst maximieren, schauen die meisten zuerst auf offensichtliche Faktoren: Wie leistungsfähig ist die Batterie? Wie oft sendet das Gerät Daten? Wie stromsparend ist die verbaute Hardware? All das ist natürlich wichtig. Ein Faktor wird dabei allerdings häufig unterschätzt:
Wie findet das Gerät eigentlich ein Mobilfunknetz?
Bevor ein IoT-Gerät nämlich überhaupt Daten übertragen kann, muss es zunächst eine stabile Verbindung aufbauen. Je nachdem, wie frei es zwischen verfügbaren Mobilfunknetzen wählen darf (Stichwort: gesteuertes und ungesteuertes Roaming), hat dieser Prozess mehr Einfluss auf die Batterielaufzeit als gedacht.
Spoiler vorab: Muss ein Gerät mehrfach versuchen, sich in ein bevorzugtes Netz einzuwählen, verbraucht es bei jedem dieser Versuche Energie. Das passiert bei gesteuertem Roaming, denn das Endgerät kriegt von der SIM vorgegeben, mit welchem Netz es sich verbinden soll, egal wie gut oder schlecht der Empfang am Standort ist. Kann ein Endgerät dagegen direkt das Netz mit der besten verfügbaren Verbindung auswählen – so wie beim ungesteuerten Roaming–, kommt es schneller online, benötigt weniger Verbindungsversuche und verbraucht entsprechend weniger Energie.
Das bedeutet nicht, dass ungesteuertes Roaming automatisch immer die Batterielaufzeit verbessert. Es hilft jedoch dabei, unter schwierigen Netzbedingungen unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden. Warum ist das so?
Steered vs. Non-Steered Roaming: Warum manche Geräte immer die gleiche Route fahren
Um zu verstehen, wie sich IoT Geräte ins Mobilfunknetz einwählen können, bleiben wir noch kurz bei unserem Bild vom Straßenverkehr:
Wer mit dem Auto von Hamburg nach München fahren möchte, wählt vermutlich eine Route in seinem Navi und macht sich auf den Weg. Ändern sich die Verkehrsbedingungen unterwegs, wird die Route neu berechnet. Ein Stau hier, eine Sperrung dort und von ganz allein schlägt das Navi einen besseren Weg vor.
Die Freiheit, eigenständig den besten Weg zum Ziel zu wählen, beschreibt ziemlich treffend den Ansatz von ungesteuerten Roaming: Das IoT-Gerät kann ohne Vorgaben von außen die Verbindung in das beste Mobilfunknetz vor Ort aufbauen, um sein Ziel – eine stabile Übertragung von Daten – zu erreichen.
Wir alle wissen aus eigener Erfahrung, dass das Mobilfunknetz je nach Standort mal stärker, mal schwächer oder auch mal gar nicht da ist. Weil es IoT-Geräte gibt, die aber immer eine (sehr starke) Verbindung brauchen, gibt es unsere M2M SIM Karten, die diesen Geräten den Zugang zu mehreren Netzen innerhalb eines Landes ermöglichen (National Roaming). Und damit sie auch wirklich immer im stärksten Netz vor Ort unterwegs sind, gibt es ungesteuertes Roaming (Non-Steered Roaming).
Diese Freiheit genießen allerdings nicht alle IoT-Geräte.
Beim sogenannten gesteuerten Roaming (Steered Roaming) gibt der SIM-Anbieter vor, welches Mobilfunknetz vom Endgerät vorrangig genutzt werden soll. Das Gerät versucht daher zunächst immer, sich mit diesem Netz zu verbinden. Selbst dann, wenn ein anderes Netz am gleichen Standort eine bessere Verbindung bietet. Um auf unser Navi-Beispiel zurückzukommen: Ob Sperrung oder Stau, die Route wird nicht verändert – egal, wie lange es am Ende zum Zielort dauern wird. Diese Einwahlversuche erfolgen im schlechtesten Fall so lange, bis das bevorzugte Mobilfunknetz überhaupt nicht mehr erreichbar ist. Gesteuertes Roaming ist aus diesem Grund nicht für alle IoT-Anwendungen geeignet.
Exkurs: Wann passt gesteuertes, wann ungesteuertes Roaming?
Neben der Echtzeitübertragung von Daten gibt es weitere Faktoren, die bei der Wahl des Roamingverhalten beachtet werden sollten. Dazu gehören unter anderem:
Nicht jede Anwendung hat dieselben Anforderungen. Manche brauchen maximale Verfügbarkeit, andere maximale Laufzeit. Endgeräte, die kritische Echtzeitdaten wie Vitaldaten eines Patienten aus einem Krankenwagen übermitteln, haben mit gesteuertem Roaming ein erhöhtes Risiko für Verbindungsprobleme und würden im schlimmsten Fall Menschenleben gefährden. Bei einem Smart Meter, der nur einmal täglich einen Zählerstand überträgt, sind kurze Verzögerungen dagegen meist unkritisch.
Kritisch wird es erst dann, wenn die Batterie deutlich früher leer ist als geplant. Und genau hier lohnt sich ein Blick auf das Roaming-Verhalten eines Geräts.
Warum die Netzwahl Energie kostet
Gehen wir gedanklich noch einmal zurück zum Straßenverkehr. Denn tatsächlich lässt sich auch der Zusammenhang zwischen Roaming-Verhalten und Batterielaufzeit erstaunlich gut mit einem täglichen Arbeitsweg erklären.
Stellen wir uns vor, es geht jeden Morgen mit dem Auto zur Arbeit. Es gibt zwei Wege:
- Route A, die offiziell empfohlene Strecke und
- Route B, die jedoch an manchen Tagen freier und damit schneller ist.
Ist man jeden Morgen gezwungen, Route A zu fahren – unabhängig davon, wie viel auf der Strecke gerade los ist –, wäre man länger unterwegs, verbraucht mehr Kraftstoff und steht häufiger im Stau. Genauso verhält es sich bei IoT-SIM-Karten bzw. Endgeräten, die gezwungen sind sich immer vorrangig in ein bestimmtes Mobilfunknetz einzuwählen. Sie verbrauchen Energie bei dem wiederholten Versuch, sich in ein Netz zu verbinden, das eigentlich gar nicht gut genug für die gewünschte Datenübertragung ist.
Doch warum ist das so?
Die meisten Menschen gehen davon aus, dass ein IoT-Gerät hauptsächlich dann Strom verbraucht, wenn es Daten überträgt. Tatsächlich verbraucht es schon einiges an Energie, bevor überhaupt ein einziges Byte gesendet wird. Das liegt unter anderem daran, dass das Gerät vor der Datenübertragung
- verfügbare Mobilfunknetze suchen,
- eine Verbindung aufbauen,
- sich beim Netz anmelden und
- die Verbindung aufrechterhalten muss.
Man kann sich das wie einen Laptop vorstellen, der morgens gestartet wird. Das Öffnen einer E-Mail selbst dauert zwar nur wenige Sekunden, doch das Hochfahren des Betriebssystems, die Anmeldung und der Aufbau der Internetverbindung vorab benötigen ebenfalls Zeit und Energie.
Bei IoT-Geräten ist es genauso. Der eigentliche Versand eines Messwertes dauert häufig nur einen Bruchteil der gesamten Kommunikationszeit. Deswegen kann bei batteriebetriebenen Sensoren, die nur wenige Bytes pro Tag übertragen, der Verbindungsaufbau sogar mehr Energie verbrauchen als die eigentliche Datenübertragung. Muss ein Gerät aufgrund von gesteuerten Roaming zusätzlich mehrfach nach einem geeigneten Netz suchen oder wiederholt Verbindungsversuche starten, steigt dieser Energieverbrauch weiter an.
Oder um bei unserem Verkehrsbeispiel zu bleiben: Wer jeden Morgen ohne Umwege und Stau zur Arbeit kommt, verbraucht weniger Kraftstoff als jemand, der regelmäßig im Verkehr feststeckt oder mehrere Anläufe braucht, um ans Ziel zu gelangen.
Technical Deep Dive: Wo der Energieverbrauch im Mobilfunk tatsächlich entsteht
Werfen wir zum Abschluss noch einen etwas technischeren Blick auf die Hintergründe.
Dass ungesteuertes Roaming Energie sparen kann, liegt nicht nur daran, dass ein Gerät schneller online kommt. Auch auf technischer Ebene gibt es mehrere Effekte, die den Energieverbrauch beeinflussen.
1) Geringere Sendeleistung
Mobilfunkmodule passen ihre Sendeleistung an die Signalqualität an. Ist das Signal schwach, muss das Gerät selbst mit höherer Leistung senden, um vom Mobilfunknetz verstanden zu werden. Ist das Signal stark, reicht deutlich weniger Energie auf Geräteseite aus.
Man kann sich das wie ein Gespräch vorstellen: Wer seinem Gegenüber direkt gegenübersteht, spricht leiser als jemand, der quer über einen lauten Raum hinweg verstanden werden möchte.
2) Weniger Wiederholungen bei der Datenübertragung
Schlechte Funkbedingungen führen häufiger dazu, dass Datenpakete erneut übertragen werden müssen – wie bei einem Gespräch, in dem ein Satz nicht verstanden und wiederholt werden muss. Vielleicht sogar mehrfach.
Auch diese Wiederholungen kosten Energie. Eine stabile Verbindung sorgt daher nicht nur für eine höhere Verfügbarkeit, sondern reduziert gleichzeitig den unnötigen Stromverbrauch.
3) Mehr Zeit im Energiesparmodus
Viele moderne IoT-Geräte verbringen den Großteil ihres Lebens im Schlafmodus und wachen nur kurz auf, um Daten zu übertragen. LPWAN-Technologien (Low Power Wide Area Network) wie NB-IoT und LTE-M wurden beispielsweise genau für diesen Anwendungsfall entwickelt. Mithilfe von Stromsparfunktionen wie Power Saving Mode (PSM) und extended Discontinuous Reception (eDRX) können Geräte ihre Funkmodule für lange Zeiträume deaktivieren und dadurch Batterielaufzeiten von mehreren Jahren erreichen.
Diese Mechanismen funktionieren jedoch nur dann optimal, wenn die Kommunikation mit dem Mobilfunknetz zuverlässig funktioniert. Muss ein Gerät nach dem Aufwachen erst mehrfach nach einem geeigneten Netz suchen, Verbindungsabbrüche kompensieren oder wiederholt Daten senden, geht ein Teil des Energiesparpotenzials verloren. Je schneller die Kommunikation funktioniert, desto schneller kann das Gerät auch wieder in seinen stromsparenden Schlafmodus zurückkehren.
Ein Beispiel aus der Praxis
Nehmen wir einen Smart Meter im Keller eines Mehrfamilienhauses. Dort sind drei Mobilfunknetze verfügbar:
- Netz A mit schwachem Signal
- Netz B mit gutem Signal
- Netz C mit sehr gutem Signal
Bei Steered Roaming (gesteuerten Roaming) versucht das Gerät immer zuerst Netz A zu nutzen, weil dieses auf der Prioritätenliste ganz oben steht. Die Folge:
- Der Verbindungsaufbau dauert aufgrund des schwachen Signals länger.
- Es sind mehrere Versuche notwendig, bis die Verbindung da ist.
- Das Gerät selbst muss mit höherer Leistung senden (und mehr Energie verbrauchen).
- Es treten häufiger Verbindungsabbrüche auf.
Bei Non-Steered Roaming (ungesteuerten Roaming) würde das Gerät direkt Netz C auswählen.
- Die Verbindung steht schneller, bleibt stabiler und benötigt weniger Energie.
- Das Endgerät selbst muss weniger Energie für die Datenübermittlung aufbringen und legt sich schneller wieder schlafen.
Ein einzelner Verbindungsaufbau macht dabei kaum einen Unterschied, doch über mehrere Jahre Betriebszeit summieren sich diese kleinen Einsparungen. Dieser Effekt ist vor allem dort relevant, wo Geräte viele Jahre ohne Wartung funktionieren sollen:
- Smart Meter in Kellern
- Sensoren in der Gebäudeautomation
- Smart-City-Anwendungen
- Umwelt- und Pegelsensoren
- Industrial-IoT-Geräte an schwer zugänglichen Orten
Jeder vermiedene Verbindungsversuch hilft dabei, die Batterielaufzeit zu verlängern und damit die Wartungskosten zu reduzieren.
Fazit: Der kürzeste Weg spart Energie
Die Batterielaufzeit eines IoT-Geräts hängt von vielen Faktoren ab. Neben Batteriegröße, Hardware, Funktechnologie und Stromsparfunktionen spielt auch das Verhalten bei der Netzauswahl eine Rolle.
Dabei gibt es kein pauschales Richtig oder Falsch. Sowohl gesteuertes als auch ungesteuertes Roaming haben ihre Berechtigung, je nach Anwendung, technischer Umgebung und Projektanforderung.
Gesteuertes Roaming kann sinnvoll sein, wenn Netzverbindungen Geräte dauerhaft mit Strom versorgt werden oder bestimmte kommerzielle und regulatorische Vorgaben eingehalten werden müssen.
Geht es dagegen um batteriebetriebene IoT-Geräte, die über viele Jahre hinweg autonom arbeiten sollen oder sich in wechselnden Netzumgebungen bewegen, bietet ungesteuertes Roaming viele Vorteile. Die Möglichkeit, direkt das beste verfügbare Netz auszuwählen, hilft dabei, unnötige Verbindungsversuche zu vermeiden und den Energieverbrauch zu reduzieren.
Wichtig ist vor allem eine Erkenntnis: Die Wahl des Mobilfunknetzes beeinflusst nicht nur die Verbindungsqualität eines Geräts, sondern auch dessen Energieverbrauch. Oder um noch ein letztes Mal auf den Straßenverkehr zurückzukommen:
Wer ohne Umwege, Stau und ständiges Anfahren ans Ziel kommt, ist meist effizienter unterwegs.
