Cosa hanno in comune il comportamento in roaming di una scheda SIM M2M, la durata della batteria di un dispositivo IoT e il traffico stradale? Più di quanto si possa pensare a prima vista.
Infatti, proprio come un'auto consuma carburante quando deve ripartire continuamente in un ingorgo, anche un dispositivo IoT consuma energia quando cerca una rete mobile compatibile e ripete i tentativi di connessione.
Ma è proprio questa autonomia che conta nelle applicazioni IoT alimentate a batteria. Soprattutto quando i dispositivi devono funzionare in modo affidabile per molti anni e la sostituzione della batteria risulta complessa o costosa.
Se si vuole massimizzare il più possibile la durata della batteria, la maggior parte delle persone considera innanzitutto i fattori più evidenti: qual è la capacità della batteria? Con quale frequenza il dispositivo invia dati? Quanto è efficiente dal punto di vista energetico l'hardware integrato? Tutto questo è ovviamente importante. C'è però un fattore che viene spesso sottovalutato:
Ma come fa il dispositivo a individuare una rete mobile?
Infatti, prima che un dispositivo IoT possa trasmettere dati, deve innanzitutto stabilire una connessione stabile. A seconda della libertà di cui dispone nella scelta tra le reti mobili disponibili (parola chiave: roaming controllato e non controllato), questo processo influisce sulla durata della batteria più di quanto si pensi.
Spoiler: se un dispositivo deve tentare più volte di connettersi a una rete preferita, consuma energia ad ogni tentativo. Questo accade nel roaming controllato, poiché la SIM indica al dispositivo a quale rete connettersi, indipendentemente dalla qualità della ricezione in quel luogo. Se invece un dispositivo può selezionare direttamente la rete con la migliore connessione disponibile – come nel roaming non controllato – si connette più rapidamente, richiede meno tentativi di connessione e consuma di conseguenza meno energia.
Ciò non significa che il roaming non controllato migliori automaticamente la durata della batteria. Tuttavia, contribuisce a evitare un consumo energetico superfluo in condizioni di rete difficili. Perché?
Roaming con instradamento vs. roaming senza instradamento: perché alcuni dispositivi seguono sempre lo stesso percorso
Per capire come i dispositivi IoT possano connettersi alla rete mobile, torniamo per un attimo alla nostra analogia con il traffico stradale:
Chi desidera recarsi in auto da Amburgo a Monaco di Baviera, probabilmente seleziona un percorso sul navigatore e si mette in viaggio. Se lungo il tragitto le condizioni del traffico cambiano, il percorso viene ricalcolato. Un ingorgo qui, una chiusura della strada là, e il navigatore suggerisce automaticamente un percorso migliore.
La libertà di scegliere autonomamente il percorso migliore per raggiungere l'obiettivo descrive in modo piuttosto accurato l'approccio del roaming non guidato: il dispositivo IoT può connettersi alla migliore rete mobile disponibile sul posto, senza indicazioni esterne, per raggiungere il proprio obiettivo, ovvero una trasmissione stabile dei dati.
Sappiamo tutti per esperienza diretta che la copertura della rete mobile varia a seconda della posizione: a volte è più forte, a volte più debole, altre volte addirittura assente. Poiché esistono dispositivi IoT che necessitano però sempre di una connessione (molto forte), abbiamo creato le nostre schede SIM M2M, che consentono a questi dispositivi di accedere a più reti all’interno di un paese (roaming nazionale). E affinché possano davvero operare sempre sulla rete più potente disponibile in loco, è disponibile il roaming non guidato (Non-Steered Roaming).
Non tutti i dispositivi IoT godono però di questa libertà.
Nel cosiddetto "roaming guidato" (Steered Roaming) , il fornitore della SIM stabilisce quale rete mobile debba essere utilizzata in via prioritaria dal dispositivo. Il dispositivo cerca quindi sempre, in primo luogo, di connettersi a tale rete, anche se un'altra rete nella stessa zona offre una connessione migliore. Per tornare al nostro esempio del navigatore: che si tratti di un blocco stradale o di un ingorgo, il percorso non viene modificato, indipendentemente dal tempo che ci vorrà per raggiungere la destinazione. Nel peggiore dei casi, questi tentativi di connessione continuano fino a quando la rete mobile preferita non è più raggiungibile. Per questo motivo, il roaming guidato non è adatto a tutte le applicazioni IoT.
Digressione: quando è opportuno il roaming controllato e quando quello non controllato?
Oltre alla trasmissione dei dati in tempo reale, vi sono altri fattori da tenere in considerazione nella scelta delle modalità di roaming. Tra questi figurano, tra l’altro:
Non tutte le applicazioni hanno le stesse esigenze. Alcune richiedono la massima disponibilità, altre la massima durata di funzionamento. I dispositivi terminali che trasmettono dati critici in tempo reale, come i parametri vitali di un paziente da un’ambulanza, presentano un rischio maggiore di problemi di connessione con il roaming controllato e, nel peggiore dei casi, potrebbero mettere a repentaglio vite umane. Nel caso di un contatore intelligente, che trasmette i dati di lettura solo una volta al giorno, i brevi ritardi sono invece solitamente irrilevanti.
La situazione diventa critica solo quando la batteria si scarica molto prima del previsto. Ed è proprio in questo caso che vale la pena dare un'occhiata al comportamento di roaming di un dispositivo.
Perché la scelta della rete comporta un consumo di energia
Torniamo con la mente al traffico stradale. Infatti, il rapporto tra il comportamento di navigazione in roaming e la durata della batteria si spiega sorprendentemente bene proprio con il tragitto quotidiano casa-lavoro.
Immaginiamo di andare al lavoro in auto ogni mattina. Ci sono due percorsi:
- Percorso A, il percorso ufficialmente raccomandato e
- Percorso B, che però in certi giorni è meno trafficato e quindi più veloce.
Se ogni mattina si fosse costretti a percorrere il percorso A – indipendentemente dal traffico presente lungo il tragitto – si impiegherebbe più tempo, si consumerebbe più carburante e ci si troverebbe più spesso nel traffico. Lo stesso vale per le schede SIM IoT o i dispositivi terminali che sono costretti a connettersi sempre in via prioritaria a una determinata rete mobile. Consumano energia nel tentativo ripetuto di connettersi a una rete che in realtà non è abbastanza buona per la trasmissione dati desiderata.
Ma perché è così?
La maggior parte delle persone pensa che un dispositivo IoT consumi energia soprattutto quando trasmette dati. In realtà, consuma già una discreta quantità di energia prima ancora che venga inviato un solo byte. Ciò è dovuto, tra l’altro, al fatto che il dispositivo, prima della trasmissione dei dati,
- cerca le reti mobili disponibili,
- stabilire una connessione,
- registrarsi sul sito e
- deve mantenere la connessione.
Si può immaginare la cosa come un computer portatile che viene avviato al mattino. Anche se l'apertura di un'e-mail richiede solo pochi secondi, l'avvio del sistema operativo, l'accesso all'account e la connessione a Internet richiedono anch'essi tempo ed energia.
Lo stesso vale per i dispositivi IoT. L'invio effettivo di un valore misurato richiede spesso solo una frazione del tempo totale di comunicazione. Per questo motivo, nel caso di sensori alimentati a batteria che trasmettono solo pochi byte al giorno, la creazione della connessione può consumare addirittura più energia della trasmissione dei dati stessa. Se un dispositivo, a causa del roaming controllato, deve cercare più volte una rete adeguata o effettuare ripetuti tentativi di connessione, il consumo energetico aumenta ulteriormente.
Oppure, per restare in tema di traffico: chi ogni mattina arriva al lavoro senza deviazioni né ingorghi consuma meno carburante rispetto a chi rimane regolarmente bloccato nel traffico o deve fare diversi tentativi per raggiungere la propria destinazione.
Approfondimento tecnico: dove si genera effettivamente il consumo energetico nella telefonia mobile
Per concludere, diamo uno sguardo un po’ più tecnico ai retroscena.
Il fatto che il roaming non controllato possa consentire un risparmio energetico non dipende solo dalla maggiore rapidità con cui un dispositivo si connette a Internet. Anche a livello tecnico vi sono diversi fattori che incidono sul consumo energetico.
1) Potenza di trasmissione ridotta
I moduli di telefonia mobile regolano la potenza di trasmissione in base alla qualità del segnale. Se il segnale è debole, il dispositivo deve trasmettere a una potenza maggiore per essere ricevuto dalla rete mobile. Se il segnale è forte, è sufficiente una potenza notevolmente inferiore da parte del dispositivo.
Si può immaginare la cosa come una conversazione: chi si trova di fronte al proprio interlocutore parla a voce più bassa rispetto a chi vuole farsi capire dall’altra parte di una stanza rumorosa.
2) Meno ripetizioni durante il trasferimento dei dati
Quando la ricezione del segnale è scarsa, capita spesso che i pacchetti di dati debbano essere ritrasmessi – proprio come in una conversazione in cui una frase non viene capita e deve essere ripetuta. A volte anche più volte.
Anche queste ripetizioni consumano energia. Una connessione stabile non solo garantisce una maggiore disponibilità, ma riduce anche il consumo inutile di energia elettrica.
3) Più tempo in modalità risparmio energetico
Molti dispositivi IoT moderni trascorrono la maggior parte del loro ciclo di vita in modalità sleep e si riattivano solo per brevi periodi per trasmettere dati. Le tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network), come NB-IoT e LTE-M, sono state sviluppate proprio per questo tipo di applicazione. Grazie a funzioni di risparmio energetico come la modalità Power Saving Mode (PSM) e l'extended Discontinuous Reception (eDRX), i dispositivi possono disattivare i propri moduli radio per lunghi periodi, raggiungendo così una durata della batteria di diversi anni.
Tuttavia, questi meccanismi funzionano in modo ottimale solo se la comunicazione con la rete mobile è affidabile. Se, dopo il risveglio, un dispositivo deve cercare più volte una rete adeguata, compensare le interruzioni di connessione o inviare ripetutamente i dati, parte del potenziale di risparmio energetico va perso. Più veloce è la comunicazione, più rapidamente il dispositivo può tornare alla modalità di sospensione a basso consumo energetico.
Un esempio concreto
Prendiamo ad esempio un contatore intelligente situato nel seminterrato di un condominio. In quel luogo sono disponibili tre reti di telefonia mobile:
- Rete A con segnale debole
- Rete B con buon segnale
- Rete C con ottimo segnale
Nel roaming guidato, il dispositivo cerca sempre di utilizzare prima la rete A, poiché questa si trova in cima alla lista delle priorità. Di conseguenza:
- A causa del segnale debole, la connessione impiega più tempo a stabilirsi.
- Ci vogliono diversi tentativi prima che si stabilisca la connessione.
- Il dispositivo stesso deve trasmettere a una potenza maggiore (e consumare più energia).
- Si verificano interruzioni di connessione più frequenti.
In caso di roaming non guidato, il dispositivo selezionerebbe direttamente la rete C.
- La connessione è più veloce, più stabile e consuma meno energia.
- Il dispositivo stesso consuma meno energia per la trasmissione dei dati e torna più rapidamente in modalità di sospensione.
Una singola connessione non fa quasi alcuna differenza, ma nel corso di diversi anni di funzionamento questi piccoli risparmi si sommano. Questo effetto è particolarmente rilevante nei casi in cui i dispositivi devono funzionare per molti anni senza necessità di manutenzione:
- Contatori intelligenti negli scantinati
- Sensori nell'automazione degli edifici
- Applicazioni per le città intelligenti
- Sensori ambientali e di livello
- Dispositivi IoT industriali in luoghi di difficile accesso
Ogni tentativo di connessione evitato contribuisce a prolungare la durata della batteria e, di conseguenza, a ridurre i costi di manutenzione.
Conclusione: la strada più breve fa risparmiare energia
La durata della batteria di un dispositivo IoT dipende da molti fattori. Oltre alle dimensioni della batteria, all’hardware, alla tecnologia di trasmissione wireless e alle funzioni di risparmio energetico, anche il comportamento nella scelta della rete gioca un ruolo importante.
Non esiste una risposta univoca giusta o sbagliata. Sia il roaming controllato che quello non controllato hanno la loro ragion d'essere, a seconda dell'applicazione, dell'ambiente tecnico e dei requisiti del progetto.
Il roaming controllato può rivelarsi utile quando i dispositivi sono alimentati in modo continuo tramite la rete o quando è necessario rispettare determinati requisiti commerciali e normativi.
Quando invece si tratta di dispositivi IoT alimentati a batteria, destinati a funzionare in modo autonomo per molti anni o che si spostano in contesti di rete mutevoli, il roaming non controllato offre numerosi vantaggi. La possibilità di selezionare direttamente la migliore rete disponibile contribuisce ad evitare inutili tentativi di connessione e a ridurre il consumo energetico.
Ciò che conta soprattutto è una cosa: la scelta della rete mobile non influisce solo sulla qualità della connessione di un dispositivo, ma anche sul suo consumo energetico. Oppure, per tornare ancora una volta al traffico stradale:
Chi arriva a destinazione senza deviazioni, ingorghi e continue ripartenze, di solito viaggia in modo più efficiente.
