Wat hebben het roaminggedrag van een M2M-simkaart, de batterijduur van een IoT-apparaat en het wegverkeer met elkaar gemeen? Meer dan je op het eerste gezicht zou denken.
Want net zoals een auto brandstof verbruikt wanneer hij in de file steeds opnieuw moet optrekken, verbruikt ook een IoT-apparaat energie wanneer het naar een geschikt mobiel netwerk zoekt en herhaaldelijk verbinding probeert te maken.
Maar juist die energie is van cruciaal belang bij batterijgevoede IoT-toepassingen. Vooral wanneer apparaten jarenlang betrouwbaar moeten functioneren en het vervangen van de batterij omslachtig of kostbaar is.
Als men de levensduur van de batterij zo veel mogelijk wil verlengen, kijken de meesten eerst naar voor de hand liggende factoren: hoe krachtig is de batterij? Hoe vaak verstuurt het apparaat gegevens? Hoe energiezuinig is de ingebouwde hardware? Dat is natuurlijk allemaal belangrijk. Eén factor wordt daarbij echter vaak onderschat:
Hoe vindt het apparaat eigenlijk een mobiel netwerk?
Voordat een IoT-apparaat überhaupt gegevens kan verzenden, moet het namelijk eerst een stabiele verbinding tot stand brengen. Afhankelijk van de mate waarin het vrij kan kiezen tussen beschikbare mobiele netwerken (trefwoord: gecontroleerde en ongecontroleerde roaming), heeft dit proces meer invloed op de batterijduur dan gedacht.
Spoiler vooraf: als een apparaat meerdere keren moet proberen verbinding te maken met een voorkeursnetwerk, verbruikt het bij elk van deze pogingen energie. Dit gebeurt bij gestuurd roamen, omdat het eindapparaat van de simkaart de opdracht krijgt met welk netwerk het verbinding moet maken, ongeacht hoe goed of slecht de ontvangst op die locatie is. Als een eindapparaat daarentegen direct het netwerk met de beste beschikbare verbinding kan kiezen – zoals bij ongestuurd roamen – komt het sneller online, zijn er minder verbindingspogingen nodig en verbruikt het dienovereenkomstig minder energie.
Dat betekent niet dat ongecontroleerd roamen automatisch altijd de batterijduur verlengt. Het helpt echter wel om onnodig energieverbruik te voorkomen bij moeilijke netwerkomstandigheden. Waarom is dat zo?
Geleide versus niet-geleide roaming: waarom sommige apparaten altijd dezelfde route volgen
Om te begrijpen hoe IoT-apparaten verbinding kunnen maken met het mobiele netwerk, blijven we nog even bij ons voorbeeld van het wegverkeer:
Wie met de auto van Hamburg naar München wil rijden, kiest waarschijnlijk een route in zijn navigatiesysteem en gaat op weg. Als de verkeerssituatie onderweg verandert, wordt de route opnieuw berekend. Een file hier, een wegafsluiting daar, en het navigatiesysteem stelt vanzelf een betere route voor.
De vrijheid om zelfstandig de beste route naar het doel te kiezen, geeft een vrij treffende beschrijving van de aanpak van ongestuurd roaming: het IoT-apparaat kan zonder externe instructies verbinding maken met het beste mobiele netwerk ter plaatse om zijn doel – een stabiele gegevensoverdracht – te bereiken.
We weten allemaal uit eigen ervaring dat het mobiele netwerk, afhankelijk van de locatie, soms sterker, soms zwakker of soms helemaal niet aanwezig is. Omdat er IoT-apparaten zijn die echter altijd een (zeer sterke) verbinding nodig hebben, bieden wij onze M2M-simkaarten aan, die deze apparaten toegang geven tot meerdere netwerken binnen één land (nationaal roaming). En om ervoor te zorgen dat ze daadwerkelijk altijd op het sterkste lokale netwerk actief zijn, is er ongestuurd roaming (Non-Steered Roaming).
Niet alle IoT-apparaten genieten echter van deze vrijheid.
Bij zogenaamd gestuurd roaming (Steered Roaming) bepaalt de simkaartaanbieder welk mobiel netwerk het toestel bij voorkeur moet gebruiken. Het toestel probeert daarom altijd eerst verbinding te maken met dit netwerk. Zelfs als een ander netwerk op dezelfde locatie een betere verbinding biedt. Om terug te komen op ons navigatiesysteemvoorbeeld: of het nu gaat om een wegafsluiting of een file, de route wordt niet gewijzigd – ongeacht hoe lang het uiteindelijk duurt om de bestemming te bereiken. In het ergste geval gaan deze inbelpogingen door totdat het voorkeursnetwerk helemaal niet meer bereikbaar is. Om deze reden is gestuurd roaming niet geschikt voor alle IoT-toepassingen.
Terzijde: wanneer is gecontroleerd roaming geschikt en wanneer ongecontroleerd roaming?
Naast de realtime overdracht van gegevens zijn er nog andere factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van het roaminggedrag. Hiertoe behoren onder andere:
Niet elke toepassing stelt dezelfde eisen. Sommige vereisen maximale beschikbaarheid, andere een maximale gebruiksduur. Eindapparaten die kritieke realtimegegevens, zoals de vitale functies van een patiënt vanuit een ambulance, doorgeven, lopen bij gecontroleerde roaming een verhoogd risico op verbindingsproblemen en zouden in het ergste geval mensenlevens in gevaar brengen. Bij een slimme meter, die slechts één keer per dag een meterstand doorgeeft, zijn korte vertragingen daarentegen meestal niet kritiek.
Het wordt pas kritiek als de batterij aanzienlijk eerder leeg is dan gepland. En juist dan is het de moeite waard om eens te kijken naar het roaminggedrag van een apparaat.
Waarom het kiezen van een netwerk energie kost
Laten we even teruggaan naar het verkeer. Het verband tussen roaminggedrag en de levensduur van de batterij laat zich namelijk verbazingwekkend goed vergelijken met een dagelijkse woon-werkverplaatsing.
Stel je voor dat je elke ochtend met de auto naar je werk gaat. Er zijn twee routes:
- Route A, de officieel aanbevolen route en
- Route B, die op sommige dagen echter minder druk en dus sneller is.
Als je elke ochtend gedwongen bent om route A te nemen – ongeacht hoeveel verkeer er op dat moment op de weg is – ben je langer onderweg, verbruik je meer brandstof en sta je vaker in de file. Hetzelfde geldt voor IoT-simkaarten of eindapparaten die gedwongen zijn om altijd bij voorkeur verbinding te maken met een bepaald mobiel netwerk. Ze verbruiken energie door herhaaldelijk te proberen verbinding te maken met een netwerk dat eigenlijk niet goed genoeg is voor de gewenste gegevensoverdracht.
Maar waarom is dat zo?
De meeste mensen gaan ervan uit dat een IoT-apparaat vooral stroom verbruikt wanneer het gegevens verzendt. In werkelijkheid verbruikt het al behoorlijk wat energie voordat er ook maar één byte is verzonden. Dat komt onder andere doordat het apparaat vóór de gegevensoverdracht
- beschikbare mobiele netwerken zoeken,
- verbinding maken,
- inloggen op het netwerk en
- de verbinding in stand moet houden.
Je kunt het vergelijken met een laptop die ’s ochtends wordt opgestart. Het openen van een e-mail zelf duurt weliswaar maar een paar seconden, maar het opstarten van het besturingssysteem, het inloggen en het tot stand brengen van de internetverbinding kosten vooraf ook tijd en energie.
Bij IoT-apparaten is het precies hetzelfde. Het daadwerkelijke verzenden van een meetwaarde duurt vaak slechts een fractie van de totale communicatietijd. Daarom kan bij batterijgevoede sensoren, die slechts enkele bytes per dag verzenden, het tot stand brengen van de verbinding zelfs meer energie verbruiken dan de daadwerkelijke gegevensoverdracht. Als een apparaat vanwege gestuurde roaming meerdere keren naar een geschikt netwerk moet zoeken of herhaaldelijk verbindingspogingen moet ondernemen, stijgt dit energieverbruik nog verder.
Of om bij ons verkeersvoorbeeld te blijven: wie elke ochtend zonder omwegen en files naar zijn werk rijdt, verbruikt minder brandstof dan iemand die regelmatig in de file staat of meerdere pogingen nodig heeft om zijn bestemming te bereiken.
Technische verdieping: waar het energieverbruik in de mobiele telefonie daadwerkelijk plaatsvindt
Laten we tot slot nog eens wat dieper ingaan op de technische achtergronden.
Dat ongecontroleerd roamen energie kan besparen, komt niet alleen doordat een apparaat sneller verbinding maakt. Ook op technisch vlak zijn er verschillende factoren die het energieverbruik beïnvloeden.
1) Lager zendvermogen
Mobiele modules passen hun zendvermogen aan de signaalkwaliteit aan. Als het signaal zwak is, moet het apparaat met een hoger vermogen zenden om door het mobiele netwerk te worden ontvangen. Als het signaal sterk is, is er aan de kant van het apparaat aanzienlijk minder energie nodig.
Je kunt het vergelijken met een gesprek: wie recht tegenover zijn gesprekspartner staat, spreekt zachter dan iemand die door een rumoerige ruimte heen verstaan wil worden.
2) Minder herhalingen bij de gegevensoverdracht
Slechte ontvangst zorgt er vaker voor dat datapakketten opnieuw moeten worden verzonden – net als bij een gesprek waarin een zin niet wordt begrepen en moet worden herhaald. Misschien zelfs meerdere keren.
Ook deze herhalingen kosten energie. Een stabiele verbinding zorgt daarom niet alleen voor een hogere beschikbaarheid, maar vermindert tegelijkertijd het onnodige stroomverbruik.
3) Meer tijd in de energiebesparingsmodus
Veel moderne IoT-apparaten brengen het grootste deel van hun levensduur door in de slaapstand en worden slechts kort geactiveerd om gegevens te verzenden. LPWAN-technologieën (Low Power Wide Area Network) zoals NB-IoT en LTE-M zijn bijvoorbeeld speciaal voor dit toepassingsgebied ontwikkeld. Met behulp van energiebesparende functies zoals Power Saving Mode (PSM) en extended Discontinuous Reception (eDRX) kunnen apparaten hun radiomodules voor lange tijd uitschakelen en zo een batterijduur van meerdere jaren bereiken.
Deze mechanismen werken echter alleen optimaal als de communicatie met het mobiele netwerk betrouwbaar verloopt. Als een apparaat na het ontwaken eerst meerdere keren naar een geschikt netwerk moet zoeken, verbroken verbindingen moet herstellen of herhaaldelijk gegevens moet verzenden, gaat een deel van het energiebesparingspotentieel verloren. Hoe sneller de communicatie verloopt, hoe sneller het apparaat ook weer naar zijn energiezuinige slaapstand kan terugkeren.
Een praktijkvoorbeeld
Laten we eens kijken naar een slimme meter in de kelder van een flatgebouw. Daar zijn drie mobiele netwerken beschikbaar:
- Netwerk A met een zwak signaal
- Netwerk B met een goed signaal
- Netwerk C met een zeer goed signaal
Bij gestuurd roaming probeert het apparaat altijd eerst netwerk A te gebruiken, omdat dit bovenaan de prioriteitenlijst staat. Het gevolg:
- Het tot stand brengen van de verbinding duurt langer vanwege het zwakke signaal.
- Er zijn meerdere pogingen nodig voordat de verbinding tot stand is gebracht.
- Het apparaat zelf moet met een hoger vermogen uitzenden (en meer energie verbruiken).
- Er treden vaker verbindingsstoringen op.
Bij non-steered roaming (ongestuurde roaming) zou het apparaat direct netwerk C kiezen.
- De verbinding is sneller, blijft stabieler en verbruikt minder energie.
- Het eindapparaat zelf hoeft minder energie te verbruiken voor de gegevensoverdracht en gaat sneller weer in slaapstand.
Een enkele verbinding maakt daarbij nauwelijks verschil, maar over een periode van meerdere jaren lopen deze kleine besparingen op. Dit effect is vooral van belang wanneer apparaten vele jaren zonder onderhoud moeten functioneren:
- Slimme meters in kelders
- Sensoren in de gebouwautomatisering
- Smart City-toepassingen
- Milieu- en waterstandsensoren
- Industriële IoT-apparaten op moeilijk bereikbare plaatsen
Elke vermijdende verbindingspoging draagt bij aan het verlengen van de levensduur van de batterij en daarmee aan het verlagen van de onderhoudskosten.
Conclusie: de kortste weg bespaart energie
De batterijduur van een IoT-apparaat hangt van veel factoren af. Naast de grootte van de batterij, de hardware, de draadloze technologie en de energiebesparingsfuncties speelt ook het gedrag bij de netwerkselectie een rol.
Er is echter geen algemeen geldend ‘goed’ of ‘fout’. Zowel gecontroleerde als ongecontroleerde roaming hebben hun nut, afhankelijk van de toepassing, de technische omgeving en de projecteisen.
Gecontroleerde roaming kan zinvol zijn wanneer apparaten via netwerkverbindingen continu van stroom worden voorzien of wanneer aan bepaalde commerciële en wettelijke voorschriften moet worden voldaan.
Als het daarentegen gaat om batterijgevoede IoT-apparaten die jarenlang autonoom moeten functioneren of zich in wisselende netwerkomgevingen bevinden, biedt ongecontroleerde roaming tal van voordelen. De mogelijkheid om direct het beste beschikbare netwerk te kiezen, helpt onnodige verbindingspogingen te voorkomen en het energieverbruik te verminderen.
Eén ding is vooral belangrijk: de keuze van het mobiele netwerk is niet alleen van invloed op de verbindingskwaliteit van een apparaat, maar ook op het energieverbruik ervan. Of om nog één keer terug te komen op het wegverkeer:
Wie zonder omwegen, files en voortdurend optrekken op zijn bestemming aankomt, is meestal efficiënter onderweg.
