Energioptimering med PSM og eDRX i IoT-netværk

Vi vil i dette indlæg se nærmere på to teknologier, som er med til at sørge for højest muligt energieffektivitet inden for IoT connectivity. Vi giver jer en grundig introduktion, dog uden at gå helt ned i detaljerne om den tekniske opsætning, hvor vi her anbefaler, at I rådfører jer med GSMA’s whitepapers, som vi løbende linker til. 

Så hvorfor giver strømbesparende teknologier så stor værdi?I takt med den eksplosive vækst af IoT-enheder, som ofte er drevet af batterier, er energieffektivitet blevet en nøglefaktor, når det kommer til at sikre projekters rentabilitet. Af samme årsag er LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) teknologier som NB-IoT (Narrowband IoT) og LTE-M (Long Term Evolution for Machines) designet specifikt til at minimere strømforbrug, så IoT-enheder kan køre i årevis uden vedligeholdelse. 

En af måderne LPWAN-teknologierne gør det på, er gennem PSM (Power Saving Mode) og eDRX (extended Discontinuous Reception) mekanismerne, som kan strække batterilevetiden til over 10 år for en lang række anvendelser. 

I det følgende gennemgår vi, hvad PSM og eDRX indebærer rent teknisk, hvordan de adskiller sig, og hvilke brugsscenarier de egner sig til.

PSM og eDRX reducerer, hvor ofte enhederne behøver at være “vågne” på netværket, hvilket drastisk mindsker energiforbruget. Begge mekanismer er indbygget i NB-IoT og LTE-M standarderne, som giver IoT-enheder mulighed for at spare strøm ved at begrænse hvor ofte og hvor længe de kommunikerer med netværket. Overordnet set kan man sige, at PSM svarer til en dvaletilstand for enheden, mens eDRX er en form for søvn/slumretilstand med periodiske opvågninger. Begge dele forlænger batterilevetiden markant, men de fungerer på lidt forskellige måder og egner sig til forskellige formål.

Power Saving Mode blev introduceret i 3GPP Release 12 og er en funktion, der lader enheden gå i en dyb dvaletilstand i en aftalt periode. Når enheden aktiverer PSM, forbliver den registreret i netværket, men den slår forbindelsen fra i en længere periode. I denne tilstand lytter enheden ikke efter indkommende beskeder, og den er derfor som udgangspunkt ikke kontaktbar fra netværkets side, indtil den vågner op igen. 

Enheden og netværket aftaler på forhånd, hvor længe dvalen varer, ved hjælp af timere. Faktisk kan PSM-perioden konfigureres helt op til 413 dage, som er den maksimale værdi i standarden. Grænsen er dog i sidste ende noget den enkelte operatør definerer.

Under PSM bruger enheden meget lidt strøm – typisk i mikroampere-niveau, hvilket er tæt på nul set i forhold til normal drift. Enheden forbliver registreret i netværket, mens den sover, så når den vågner, skal den ikke igennem en fuld genforbindelse eller ny netværksregistrering. Selvom det at registrere sig ved netværket ikke i sig selv koster meget energi én gang, kan gentagne gen-tilslutninger over hele enhedens liv løbe op i et betydeligt ekstra forbrug. Ved at undgå dette gennem PSM bliver batterilevetiden forlænget betragteligt. 

PSM kan således betragtes som en tilstand næsten svarende til at slukke enheden helt, men med den vigtige forskel, at netværket lader enheden stå som aktiveret i dets system. Enheden vil typisk vågne periodisk, fx en gang i døgnet eller efter et andet fast interval, for kort at melde til netværket, at den stadig er til stede (en såkaldt periodic TAU – Tracking Area Update). Når dette sker, kan eventuelle data overføres, hvorefter den igen kan gå i dvale. Skulle en kritisk hændelse opstå imens, fx at en sensor registrerer noget alarmerende, kan enheden altid selv vågne tidligere end planlagt og transmittere med det samme – den behøver ikke vente på udløb af PSM-timeren eller tilslutte igen.

Ulempen er, at mens enheden er i dvale, kan netværket ikke kontakte den og fx ikke pushe en besked ud til enheden før den vågner igen. PSM egner sig derfor til IoT-enheder, der primært sender data ud, og ikke har brug for at modtage beskeder eller kommandoer ofte. Det kan også være udstyr, hvor en høj latency for indkommende beskeder er acceptabel. 

GSMA beskriver således PSM som ideel til enheder med sjælden dataforsendelse, der kan tolerere forsinkelse på indkommende kommunikation.

Extended Discontinuous Reception er en udvidelse af den eksisterende “DRX”-funktion i mobilnetværk. I almindelig LTE-drift bruger enheder DRX (discontinuous reception) til at slukke for modtageren i meget korte perioder gentagne gange, typisk i millisekunder eller få sekunder ad gangen, for at spare strøm uden at miste opkald eller beskeder. eDRX tager dette koncept og strækker de perioder, hvor enheden ikke lytter, til at være meget længere end normalt. eDRX kan bruges selvstændigt eller kombineres med PSM.

Med eDRX kan enheden og netværket aftale et forlænget lytteinterval, så enheden sover i fx flere minutter ad gangen, inden den kortvarigt vågner og lytter efter om netværket har noget til den. Dette betyder, at enheden stadig er periodisk modtagelig for netværksbeskeder modsat PSM, hvor den slet ikke lytter i en længere periode.

Hvor kort et interval er, afhænger af indstillingerne: eDRX har et sæt af foruddefinerede søvnperioder, og enheden kan anmode netværket om et interval, der passer til dens behov. For NB-IoT kan disse lytte-søvn-cyklusser strækkes helt op til næsten 3 timers varighed, og for LTE-M op til omkring 43 minutter. I denne søvnperiode bruger enheden kun minimal energi, da dele af dens kredsløb kan slås fra for at spare strøm.

Det er værd at bemærke, at mens enheden er inde i en eDRX-søvnperiode, er den ikke kontaktbar – eventuelle data fra netværket vil blive holdt hen/queues og først blive leveret, når enheden vågner op ved næste eDRX-interval. Enheden “slumrer” således, og hvis der ikke er data, kan den gå tilbage i søvn. 

Fordelen ved eDRX er, at man kan balancere mellem responstid og strømforbrug: Jo længere eDRX-interval, desto lavere gennemsnitligt strømforbrug, men desto længere latency på at modtage nye beskeder. Udviklere kan vælge det søvninterval, der passer til deres brugsscenarie, og endda justere det over tid, hvis behovene ændrer sig.

Teknisk set kan eDRX fungere både i enhedens idle-tilstand og i dens connected-mode, alt efter standardens muligheder. I praksis vil eDRX oftest blive brugt alene for enheder, der gerne vil kunne vækkes af netværket ind imellem, eller i kombination med PSM for at presse strømforbruget endnu længere ned. Fx kan en enhed først være i eDRX, hvor den måske lytter hvert 30. minut, og hvis den intet har hørt eller sendt i lang tid, kan den derefter gå i dvale via PSM for først at vågne efter mange timer. 

Det vigtigste er, at eDRX tilbyder en fleksibel mellemvej mellem konstant netværkslytning og total tavshed. Enheden kan forblive forbundet med relativ lav frekvens på lytningen, hvilket er ideelt til de IoT-situationer, hvor man stadig ønsker mulighed for at sende beskeder til enheden, men hvor der godt må gå noget tid, før beskeden modtages.

Selvom både PSM og eDRX har til formål at spare energi, er deres egenskaber. En tommelfingerregel er, at eDRX er passende, hvis enheden skal kunne modtage data inden for en latency på ca. få sekunder op til nogle timer, mens PSM er et bedre valg, hvis enheden godt kan være utilgængelig i længere perioder.

For eksempel vil en sporingsenhed på en værdifuld genstand typisk have brug for at kunne blive lokaliseret relativt hurtigt – her vil eDRX med et interval på måske nogle få minutter eller sekunder være oplagt, så trackeren kan vækkes ofte nok til at give næsten realtidssporing. Tilsvarende kan systemer i fx smart grid-overvågning eller sikkerhedsmonitorering, hvor der skal reageres inden for minutter ved visse hændelser, ikke undvære at enheden lytter jævnligt. eDRX vil sikre, at data eller trigger-signaler når frem inden for et acceptabelt vindue (fx <3 minutter). 

Omvendt kan en vandmåler eller en jordfugtighedssensor i landbruget sagtens være i dvale det meste af døgnet – her giver PSM bedre mening, da sensorens data ikke haster, og man opnår maximal levetid ved at lade den være helt offline mellem målingerne. 

Det er værd at nævne, at valget ikke altid er enten-eller. Nogle løsninger kombinerer begge funktioner: Enheden kan lytte periodisk med eDRX i en periode, hvis der f.eks. lige efter en måling kan forventes en eventuel kommando fra serveren, hvorefter den går i PSM for en længere dvale. Ofte vil udviklere lave detaljerede beregninger af strømforbrug for forskellige konfigurationer af PSM/eDRX, inden de fastlægger den endelige strategi for enheden.

De betydelige energibesparelser fra PSM og eDRX åbner op for en række IoT-scenarier, hvor man tidligere var begrænset af batterikapacitet eller vedligeholdelsesomkostninger. 

Statiske sensorer og målere, herunder smart metering og miljøovervågning

Dette omfatter bl.a. vand-, gas- og elmålere, der ofte er batteridrevne og installeret i mange år ad gangen, samt sensorer i landbrug eller smart city løsninger. 

Med NB-IoT-netværkets dybe indendørs dækning kan sådanne enheder endda placeres under jorden eller i kældre og stadig holde forbindelsen. PSM gør det muligt for måleren/sensoren at sende fx en enkelt daglig status og være i dvale resten af tiden.

Mobile sporingsenheder herunder asset tracking og flådestyring

IoT-enheder, der monteres på køretøjer, herunder biler, el-cykler og el-løbehjul samt containere og gods, drager også nytte af PSM og eDRX. I disse tilfælde benyttes ofte LTE-M-netværket, da det understøtter mobilitet bedre. 

For trackere, der skal rapportere hyppigere, fx hvert minut eller ved bevægelse, vil eDRX typisk være aktiveret, så enheden kan modtage eventuelle kommandoer, herunder pings eller konfigurationsændringer, med jævne mellemrum og sende hyppige positionsopdateringer. Mange moderne GPS-trackere kombinerer faktisk begge teknikker efter behov. Resultatet er, at selv batteridrevne sporingsbokse kan holde i årevis.

Disse eksempler illustrerer, hvordan PSM og eDRX gør det muligt at realisere IoT-løsninger, der tidligere ikke var praktisk mulige. Funktionerne er med til at forlænge batterilevetiden, hvilket gør det realistisk at skalere IoT-projekter op i tusindvis af enheder uden et uoverkommeligt vedligeholdelsesarbejde. Samtidig bevarer man fordelene ved mobilnetværk – dækning, pålidelighed og tovejskommunikation – blot med meget lavt energiforbrug.

Energioptimering er en afgørende faktor for succes i langt de fleste IoT-implementeringer, og PSM og eDRX er to af de mest effektive værktøjer til at opnå dette. Ved at forstå og udnytte disse funktioner kan IoT-specialister og beslutningstagere designe løsninger, hvor enhederne kører i årevis på batteri, og hvor behovet for fysisk vedligeholdelse er minimalt. Det reducerer de totale omkostninger og gør det muligt at indsamle data selv fra fjerne eller utilgængelige steder på en økonomisk bæredygtig måde. 

NB-IoT og LTE-M teknologierne er skabt med denne balance mellem lavt strømforbrug, god dækning og tilstrækkelig datakapacitet for øje, og PSM/eDRX er konkrete eksempler på, hvordan standarderne leverer på det løfte.

En IoT-specialiseret connectivity-leverandør som NexCon.io kan rådgive om global NB-IoT/LTE-M support, samt optimering af enhedens firmware til at håndtere sleep-cyklus korrekt. 

Vi forstår vigtigheden af connectivity-løsninger, der er både innovative og pålidelige. Som NexCon.io kunde kan du købe IoT- og M2M-SIM-kort direkte i vores webshop og nemt administrere dem i dashboardet bagefter med flere tilgængelige funktioner som datapuljer, masseredigering og IMEI locking. Opret en gratis konto her for at komme i gang.

Hvis du vil dykke dybere ned i teknologierne bag NB-IoT og LTE-M, anbefaler vi at kigge på GSMA’s rapporter og tekniske whitepapers for flere detaljer om implementering af PSM/eDRX i praksis, herunder: GSMA – “Development Guide for Industrial IoT using NB-IoT” (2019), GSMA – “Mobile IoT Deployment Guide” (2022) samt GSMA – “Improving Energy Efficiency for Mobile IoT” (2022).