Co łączy sposób korzystania z roamingu karty SIM M2M, czas pracy baterii urządzenia IoT i ruch drogowy? Więcej, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka.
Podobnie jak samochód zużywa paliwo, gdy w korku musi ciągle ruszać z miejsca, tak samo urządzenie IoT zużywa energię, gdy szuka odpowiedniej sieci komórkowej i wielokrotnie próbuje nawiązać połączenie.
Jednak właśnie ta wydajność ma kluczowe znaczenie w przypadku zasilanych bateryjnie urządzeń IoT. Zwłaszcza wtedy, gdy urządzenia mają działać niezawodnie przez wiele lat, a wymiana baterii jest uciążliwa lub kosztowna.
Jeśli chcemy maksymalnie wydłużyć czas pracy baterii, większość z nas zwraca najpierw uwagę na oczywiste czynniki: jaka jest wydajność baterii? Jak często urządzenie przesyła dane? Jak energooszczędny jest zainstalowany sprzęt? Wszystko to jest oczywiście ważne. Jest jednak jeden czynnik, który często się nie docenia:
W jaki sposób urządzenie w ogóle wykrywa sieć komórkową?
Zanim urządzenie IoT będzie mogło w ogóle przesyłać dane, musi najpierw nawiązać stabilne połączenie. W zależności od tego, na ile ma ono swobodę wyboru spośród dostępnych sieci komórkowych (słowo kluczowe: roaming kontrolowany i niekontrolowany), proces ten ma większy wpływ na czas pracy baterii, niż mogłoby się wydawać.
Uwaga, spoiler: jeśli urządzenie musi wielokrotnie próbować połączyć się z preferowaną siecią, zużywa energię przy każdej z tych prób. Dzieje się tak w przypadku roamingu sterowanego, ponieważ karta SIM nakazuje urządzeniu końcowemu, z którą siecią ma się połączyć, niezależnie od tego, jak dobry lub zły jest zasięg w danej lokalizacji. Jeśli natomiast urządzenie końcowe może bezpośrednio wybrać sieć z najlepszym dostępnym połączeniem – tak jak w przypadku roamingu niekontrolowanego – szybciej łączy się z internetem, potrzebuje mniej prób połączenia i zużywa odpowiednio mniej energii.
Nie oznacza to, że swobodny roaming zawsze automatycznie wydłuża czas pracy baterii. Pomaga jednak uniknąć niepotrzebnego zużycia energii w trudnych warunkach sieciowych. Dlaczego tak jest?
Roaming kierowany a niekierowany: dlaczego niektóre urządzenia zawsze wybierają tę samą trasę
Aby zrozumieć, w jaki sposób urządzenia IoT mogą łączyć się z siecią komórkową, na chwilę wróćmy do naszego przykładu z ruchem drogowym:
Kto chce pojechać samochodem z Hamburga do Monachium, prawdopodobnie wybiera trasę w nawigacji i rusza w drogę. Jeśli po drodze zmieniają się warunki na drodze, nawigacja ponownie oblicza trasę. Korek tu, zamknięcie drogi tam – i nawigacja sama z siebie proponuje lepszą trasę.
Swoboda samodzielnego wyboru najlepszej drogi do celu dość trafnie opisuje zasadę działania roamingu bez sterowania: urządzenie IoT może, bez zewnętrznych wytycznych, nawiązać połączenie z najlepszą lokalną siecią komórkową, aby osiągnąć swój cel – stabilną transmisję danych.
Wszyscy wiemy z własnego doświadczenia, że zasięg sieci komórkowej bywa raz silniejszy, raz słabszy, a czasem w ogóle go nie ma, w zależności od lokalizacji. Ponieważ istnieją urządzenia IoT, które zawsze potrzebują (bardzo silnego) połączenia, oferujemy nasze karty SIM M2M, które umożliwiają tym urządzeniom dostęp do kilku sieci w obrębie jednego kraju (roaming krajowy). Aby urządzenia te zawsze korzystały z najsilniejszej sieci w danym miejscu, oferujemy roaming niekontrolowany (Non-Steered Roaming).
Nie wszystkie urządzenia IoT mogą jednak korzystać z tej swobody.
W przypadku tzw. roamingu kierowanego (Steered Roaming) operator karty SIM określa , z której sieci komórkowej urządzenie końcowe powinno korzystać w pierwszej kolejności. Urządzenie zawsze próbuje więc najpierw połączyć się z tą siecią, nawet jeśli w tej samej lokalizacji inna sieć zapewnia lepszy sygnał. Wracając do naszego przykładu z nawigacją: niezależnie od tego, czy chodzi o blokadę, czy korek, trasa nie ulega zmianie – bez względu na to, ile czasu ostatecznie zajmie dotarcie do celu. W najgorszym przypadku próby połączenia będą trwały tak długo, aż preferowana sieć komórkowa stanie się całkowicie niedostępna. Z tego powodu roaming sterowany nie jest odpowiedni dla wszystkich zastosowań IoT.
Dygresja: Kiedy warto skorzystać z roamingu z limitem, a kiedy bez limitu?
Oprócz transmisji danych w czasie rzeczywistym istnieją inne czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze trybu roamingu. Należą do nich między innymi:
Nie każda aplikacja ma takie same wymagania. Niektóre wymagają maksymalnej dostępności, inne – maksymalnego czasu działania. Urządzenia końcowe, które przesyłają krytyczne dane w czasie rzeczywistym, takie jak parametry życiowe pacjenta z karetki pogotowia, są w przypadku roamingu kontrolowanego narażone na zwiększone ryzyko problemów z połączeniem, co w najgorszym przypadku mogłoby zagrozić życiu ludzkiemu. Natomiast w przypadku inteligentnego licznika, który przesyła stan licznika tylko raz dziennie, krótkie opóźnienia są zazwyczaj nieistotne.
Sytuacja staje się krytyczna dopiero wtedy, gdy bateria wyczerpuje się znacznie wcześniej niż planowano. I właśnie w tym momencie warto przyjrzeć się zachowaniu urządzenia w roamingu.
Dlaczego wybór sieci wiąże się z kosztami energii
Wróćmy na chwilę myślami do ruchu drogowego. W rzeczywistości związek między korzystaniem z roamingu a czasem pracy baterii można zaskakująco dobrze wyjaśnić na przykładzie codziennej drogi do pracy.
Wyobraźmy sobie, że każdego ranka jedziemy do pracy samochodem. Są dwie trasy:
- Trasa A, oficjalnie zalecana trasa oraz
- Trasa B, która jednak w niektóre dni jest mniej zatłoczona, a przez to pozwala na szybszą jazdę.
Gdybyśmy każdego ranka byli zmuszeni jechać trasą A – niezależnie od tego, jak duże jest natężenie ruchu na tej trasie – podróż trwałaby dłużej, zużywano by więcej paliwa i częściej stawałoby się w korkach. Tak samo jest w przypadku kart SIM IoT lub urządzeń końcowych, które są zmuszone do priorytetowego łączenia się z określoną siecią komórkową. Zużywają energię, próbując wielokrotnie połączyć się z siecią, która w rzeczywistości nie jest wystarczająco dobra do żądanej transmisji danych.
Ale dlaczego tak jest?
Większość ludzi zakłada, że urządzenie IoT zużywa energię głównie podczas przesyłania danych. W rzeczywistości zużywa ono sporo energii, zanim jeszcze zostanie wysłany choćby jeden bajt. Wynika to między innymi z tego, że przed rozpoczęciem transmisji danych urządzenie
- wyszukaj dostępne sieci komórkowe,
- nawiązać połączenie,
- zalogować się do sieci i
- musi utrzymywać połączenie.
Można to sobie wyobrazić jak laptopa, który uruchamia się rano. Samo otwarcie wiadomości e-mail zajmuje co prawda tylko kilka sekund, ale wcześniejsze uruchomienie systemu operacyjnego, logowanie i nawiązanie połączenia z Internetem również wymagają czasu i energii.
Tak samo jest w przypadku urządzeń IoT. Samo wysłanie wartości pomiarowej zajmuje często tylko ułamek całkowitego czasu komunikacji. Dlatego w przypadku czujników zasilanych bateryjnie, które przesyłają tylko kilka bajtów dziennie, nawiązanie połączenia może zużywać nawet więcej energii niż sam transfer danych. Jeśli urządzenie musi dodatkowo wielokrotnie szukać odpowiedniej sieci z powodu kontrolowanego roamingu lub wielokrotnie podejmować próby nawiązania połączenia, zużycie energii jeszcze bardziej wzrasta.
Albo, pozostając przy naszym przykładzie dotyczącym ruchu drogowego: osoba, która każdego ranka dociera do pracy bez objazdów i korków, zużywa mniej paliwa niż ta, która regularnie utknęła w korku lub potrzebuje kilku prób, by dotrzeć do celu.
Analiza techniczna: Gdzie faktycznie powstaje zużycie energii w sieciach komórkowych
Na zakończenie przyjrzyjmy się nieco bardziej technicznie tłu tej kwestii.
To, że swobodny roaming pozwala oszczędzać energię, wynika nie tylko z tego, że urządzenie szybciej łączy się z internetem. Również na poziomie technicznym istnieje kilka czynników, które wpływają na zużycie energii.
1) Niższa moc nadawcza
Moduły telefonii komórkowej dostosowują moc nadawania do jakości sygnału. Jeśli sygnał jest słaby, urządzenie musi nadawać z większą mocą, aby sieć komórkowa mogła je odebrać. Jeśli sygnał jest silny, urządzenie potrzebuje znacznie mniej energii.
Można to sobie wyobrazić jak rozmowę: osoba stojąca twarzą w twarz z rozmówcą mówi ciszej niż ta, która chce, by jej głos dotarł do drugiego końca hałaśliwego pomieszczenia.
2) Mniej powtórzeń podczas przesyłania danych
Złe warunki łączności radiowej często powodują, że pakiety danych muszą być przesyłane ponownie – podobnie jak podczas rozmowy, w której nie zrozumiano zdania i trzeba je powtórzyć. Być może nawet kilka razy.
Również te powtórzenia pochłaniają energię. Stabilne połączenie zapewnia zatem nie tylko większą dostępność, ale jednocześnie ogranicza niepotrzebne zużycie energii elektrycznej.
3) Dłuższy czas pracy w trybie oszczędzania energii
Wiele nowoczesnych urządzeń IoT spędza większość czasu w trybie uśpienia i budzi się tylko na krótko, aby przesłać dane. Technologie LPWAN (Low Power Wide Area Network), takie jak NB-IoT i LTE-M, zostały opracowane właśnie z myślą o tym zastosowaniu. Dzięki funkcjom oszczędzania energii, takim jak tryb oszczędzania energii (PSM) i rozszerzony odbiór nieciągły (eDRX), urządzenia mogą wyłączać swoje moduły radiowe na długi czas, osiągając w ten sposób żywotność baterii wynoszącą kilka lat.
Mechanizmy te działają jednak optymalnie tylko wtedy, gdy komunikacja z siecią komórkową przebiega niezawodnie. Jeśli po wybudzeniu urządzenie musi najpierw kilkakrotnie szukać odpowiedniej sieci, kompensować przerwy w połączeniu lub wielokrotnie wysyłać dane, część potencjału oszczędności energii zostaje utracona. Im szybciej przebiega komunikacja, tym szybciej urządzenie może powrócić do energooszczędnego trybu uśpienia.
Przykład z praktyki
Weźmy na przykład inteligentny licznik w piwnicy budynku wielorodzinnego. Dostępne są tam trzy sieci komórkowe:
- Sieć A ze słabym sygnałem
- Sieć B z dobrym sygnałem
- Sieć C z bardzo dobrym sygnałem
W przypadku roamingu sterowanego urządzenie zawsze najpierw próbuje połączyć się z siecią A, ponieważ znajduje się ona na samym szczycie listy priorytetów. W rezultacie:
- Nawiązanie połączenia trwa dłużej z powodu słabego sygnału.
- Potrzeba kilku prób, zanim połączenie zostanie nawiązane.
- Urządzenie musi nadawać z większą mocą (i zużywać więcej energii).
- Coraz częściej dochodzi do przerw w połączeniu.
W przypadku roamingu niekontrolowanego urządzenie wybrałoby bezpośrednio sieć C.
- Połączenie nawiązywane jest szybciej, jest bardziej stabilne i zużywa mniej energii.
- Samo urządzenie końcowe zużywa mniej energii na przesyłanie danych i szybciej przechodzi w stan uśpienia.
Pojedyncze nawiązanie połączenia nie ma tu większego znaczenia, jednak w ciągu kilku lat eksploatacji te niewielkie oszczędności się sumują. Efekt ten ma znaczenie przede wszystkim w przypadkach, gdy urządzenia mają działać przez wiele lat bez konieczności konserwacji:
- Inteligentne liczniki w piwnicach
- Czujniki w automatyce budynkowej
- Aplikacje Smart City
- Czujniki środowiskowe i czujniki poziomu
- Urządzenia przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) w trudno dostępnych miejscach
Każda uniknięta próba nawiązania połączenia pomaga wydłużyć czas pracy baterii, a tym samym obniżyć koszty konserwacji.
Wniosek: Najkrótsza droga pozwala oszczędzać energię
Czas pracy baterii urządzenia IoT zależy od wielu czynników. Oprócz pojemności baterii, sprzętu, technologii bezprzewodowej i funkcji oszczędzania energii, istotną rolę odgrywa również sposób wyboru sieci.
Nie ma tu jednej uniwersalnej odpowiedzi, czy coś jest dobre, czy złe. Zarówno roaming kontrolowany, jak i niekontrolowany mają swoje uzasadnienie, w zależności od zastosowania, środowiska technicznego i wymagań projektu.
Roaming sterowany może być przydatny, gdy urządzenia są stale zasilane z sieci lub gdy konieczne jest spełnienie określonych wymogów handlowych i regulacyjnych.
Jeśli natomiast chodzi o urządzenia IoT zasilane bateryjnie, które mają działać autonomicznie przez wiele lat lub poruszają się w zmieniających się środowiskach sieciowych, niekontrolowany roaming oferuje wiele korzyści. Możliwość bezpośredniego wyboru najlepszej dostępnej sieci pomaga uniknąć niepotrzebnych prób nawiązania połączenia i zmniejszyć zużycie energii.
Najważniejsze jest jedno spostrzeżenie: wybór sieci komórkowej wpływa nie tylko na jakość połączenia urządzenia, ale także na jego zużycie energii. Albo, by jeszcze raz nawiązać do ruchu drogowego:
Kto dociera do celu bez objazdów, korków i ciągłego ruszania z miejsca, zazwyczaj podróżuje bardziej efektywnie.
