Roamingbeteende: Hur valet av nätverk påverkar batteritiden för IoT-enheter

Styrd kontra icke-styrd roaming: Varför vissa enheter alltid tar samma väg

För att förstå hur IoT-enheter kan ansluta sig till mobilnätet ska vi stanna kvar ett ögonblick vid vår bild av vägtrafiken:

Den som vill köra bil från Hamburg till München väljer förmodligen en rutt i sin navigator och ger sig iväg. Om trafikförhållandena ändras under resan beräknas rutten om. En kö här, en avstängning där – och helt automatiskt föreslår navigatorn en bättre väg.

Friheten att självständigt välja den bästa vägen till målet beskriver ganska träffande principen bakom okontrollerad roaming: IoT-enheten kan, utan yttre styrning, ansluta sig till det bästa mobilnätet på plats för att nå sitt mål – en stabil dataöverföring. 

Vi vet alla av egen erfarenhet att mobilnätet kan vara starkare, svagare eller ibland helt frånvarande beroende på var man befinner sig. Eftersom det finns IoT-enheter som alltid behöver en (mycket stark) anslutning har vi våra M2M-SIM-kort, som ger dessa enheter tillgång till flera nätverk inom ett land (nationell roaming). Och för att de verkligen alltid ska använda det starkaste nätet på plats finns det icke-styrd roaming (Non-Steered Roaming).

Det är dock inte alla IoT-enheter som åtnjuter denna frihet.

Vid så kallad styrd roaming (Steered Roaming) anger SIM-leverantören vilket mobilnät som enheten i första hand ska använda. Enheten försöker därför alltid först ansluta sig till detta nät. Även om ett annat nät på samma plats erbjuder en bättre anslutning. För att återgå till vårt navigationssystemsexempel: Oavsett om det är en avstängning eller en trafikstockning ändras inte rutten – oavsett hur lång tid det i slutändan tar att nå destinationen. I värsta fall fortsätter dessa uppkopplingsförsök tills det föredragna mobilnätet inte längre är tillgängligt. Av denna anledning är styrd roaming inte lämplig för alla IoT-tillämpningar. 

Sidospår: När är styrd roaming lämpligt, och när är icke-styrd roaming det?

Förutom realtidsöverföring av data finns det ytterligare faktorer som bör beaktas vid valet av roaminglösning. Dessa inkluderar bland annat:

Alla applikationer har inte samma krav. Vissa kräver maximal tillgänglighet, andra maximal drifttid. Slutapparater som överför kritiska realtidsdata, till exempel en patients vitala data från en ambulans, löper med styrd roaming en ökad risk för anslutningsproblem och skulle i värsta fall kunna äventyra människors liv. För en smart mätare som endast överför mätvärden en gång om dagen är korta fördröjningar däremot oftast inte kritiska.

Det blir först kritiskt när batteriet tar slut betydligt tidigare än planerat. Och just här lönar det sig att ta en titt på enhetens roamingbeteende.

‍

Varför valet av nät kostar energi

Låt oss återvända till trafiksituationen i tankarna. För faktum är att sambandet mellan roamingbeteende och batteritid kan förklaras förvånansvärt väl med en daglig pendling till jobbet.

Låt oss tänka oss att vi varje morgon åker bil till jobbet. Det finns två vägar:

• Rutt A, den officiellt rekommenderade sträckan och
• Rutt B, som dock vissa dagar är mindre trafikerad och därmed snabbare.

Om man varje morgon tvingas köra rutt A – oavsett hur mycket trafik det är på vägen just då – skulle man vara ute längre, förbruka mer bränsle och hamna i kö oftare. Precis så är det med IoT-SIM-kort eller slutapparater som tvingas att alltid i första hand ansluta sig till ett visst mobilnät. De förbrukar energi genom upprepade försök att ansluta sig till ett nät som egentligen inte är tillräckligt bra för den önskade dataöverföringen.

Men varför är det så?

De flesta tror att en IoT-enhet främst förbrukar ström när den överför data. I själva verket förbrukar den en hel del energi redan innan en enda byte har skickats. Det beror bland annat på att enheten, innan dataöverföringen 

• söka efter tillgängliga mobilnät,
• skapa en förbindelse,
• logga in på nätet och
• måste upprätthålla förbindelsen.

Man kan föreställa sig det som en bärbar dator som startas på morgonen. Att öppna ett e-postmeddelande tar visserligen bara några sekunder, men att starta upp operativsystemet, logga in och upprätta internetanslutningen i förväg kräver också tid och energi. 

Det är precis samma sak med IoT-enheter. Själva sändningen av ett mätvärde tar ofta bara en bråkdel av den totala kommunikationstiden. Därför kan uppkopplingen till och med förbruka mer energi än själva dataöverföringen hos batteridrivna sensorer som bara överför några få byte per dag. Om en enhet på grund av styrd roaming dessutom måste söka efter ett lämpligt nät flera gånger eller upprepade gånger försöka ansluta, ökar denna energiförbrukning ytterligare.

Eller för att hålla oss till vårt trafikexempel: Den som varje morgon tar sig till jobbet utan omvägar och köer förbrukar mindre bränsle än den som regelbundet fastnar i trafiken eller måste göra flera försök för att nå sitt mål.

‍

Teknisk fördjupning: Var energiförbrukningen inom mobilnätet egentligen uppstår

Låt oss avslutningsvis ta en lite mer teknisk titt på bakgrunden.

Att okontrollerad roaming kan spara energi beror inte bara på att enheten kommer online snabbare. Även på teknisk nivå finns det flera faktorer som påverkar energiförbrukningen.

1) Lägre sändningseffekt

Mobilmoduler anpassar sin sändningseffekt efter signalens kvalitet. Om signalen är svag måste enheten sända med högre effekt för att kunna uppfattas av mobilnätet. Om signalen är stark räcker det med betydligt mindre energi från enhetens sida.

Man kan föreställa sig det som ett samtal: Den som står direkt framför sin samtalspartner talar tystare än den som vill göra sig hörd tvärs över ett bullrigt rum.

2) Färre upprepningar vid dataöverföringen

Dåliga radiovillkor leder ofta till att datapaket måste sändas om – precis som i ett samtal där en mening inte går att uppfatta och måste upprepas. Kanske till och med flera gånger.

Även dessa upprepningar förbrukar energi. En stabil anslutning säkerställer därför inte bara högre tillgänglighet, utan minskar samtidigt onödig energiförbrukning.

3) Längre tid i energisparläge

Många moderna IoT-enheter tillbringar större delen av sin livslängd i viloläge och aktiveras endast kortvarigt för att överföra data. LPWAN-teknik (Low Power Wide Area Network) som NB-IoT och LTE-M har till exempel utvecklats just för detta användningsområde. Med hjälp av energisparfunktioner som Power Saving Mode (PSM) och extended Discontinuous Reception (eDRX) kan enheterna inaktivera sina radiomoduler under långa perioder och därmed uppnå batteritider på flera år.

Dessa mekanismer fungerar dock endast optimalt om kommunikationen med mobilnätet är tillförlitlig. Om en enhet efter att ha vaknat först måste söka efter ett lämpligt nätverk flera gånger, kompensera för avbrutna anslutningar eller skicka data upprepade gånger, går en del av energibesparingspotentialen förlorad. Ju snabbare kommunikationen fungerar, desto snabbare kan enheten återgå till sitt energisnåla viloläge.

Ett exempel från verkligheten

Låt oss ta en smart mätare i källaren i ett flerbostadshus som exempel. Där finns tre mobilnät tillgängliga:

• Nät A med svagt signal
• Nät B med bra signal
• Nät C med mycket bra signal

Vid styrd roaming försöker enheten alltid först ansluta till nät A, eftersom detta står högst upp på prioritetslistan. Följden blir:

• Det tar längre tid att upprätta anslutningen på grund av den svaga signalen.
• Det krävs flera försök innan anslutningen upprättas.
• Enheten måste sända med högre effekt (och förbruka mer energi).
• Det förekommer oftare avbrott i anslutningen.

Vid icke-styrd roaming skulle enheten direkt välja nät C.

• Anslutningen upprättas snabbare, är stabilare och förbrukar mindre energi.
• Själva enheten behöver använda mindre energi för dataöverföringen och går snabbare tillbaka i viloläge.
  

En enskild anslutning gör knappast någon skillnad, men över flera års drift ackumuleras dessa små besparingar. Denna effekt är särskilt relevant där enheter ska fungera i många år utan underhåll:

• Smarta mätare i källare
• Sensorer inom fastighetsautomation
• Tillämpningar för smarta städer
• Miljö- och vattennivåsensorer
• Industriella IoT-enheter på svåråtkomliga platser

Varje anslutningsförsök som undviks bidrar till att förlänga batteriets livslängd och därmed minska underhållskostnaderna.

‍

Slutsats: Den kortaste vägen sparar energi

Batteritiden för en IoT-enhet beror på många faktorer. Förutom batteriets storlek, hårdvaran, trådlös teknik och energisparfunktioner spelar även valet av nätverk en viktig roll.

Det finns dock inget generellt rätt eller fel. Både styrd och ostyrd roaming har sina fördelar, beroende på användningsområde, teknisk miljö och projektkrav. 

Kontrollerad roaming kan vara lämpligt när nätanslutningar förser enheter med ström kontinuerligt eller när vissa kommersiella och lagstadgade krav måste uppfyllas. 

När det däremot gäller batteridrivna IoT-enheter som ska fungera autonomt under många år eller som rör sig i olika nätmiljöer, erbjuder okontrollerad roaming många fördelar. Möjligheten att direkt välja det bästa tillgängliga nätet bidrar till att undvika onödiga anslutningsförsök och minska energiförbrukningen.

Det viktigaste att komma ihåg är att valet av mobilnät inte bara påverkar en enhets anslutningskvalitet, utan även dess energiförbrukning. Eller för att återkomma till trafiken en sista gång: 

Den som tar sig fram till målet utan omvägar, trafikstockningar och ständiga stopp är oftast mer effektiv.

‍