Energieoptimierung mit PSM und eDRX in IoT-Netzen

In diesem Beitrag werfen wir einen genaueren Blick auf zwei Technologien, die dazu beitragen, die höchstmögliche Energieeffizienz in der IoT-Konnektivität zu gewährleisten. Wir werden Ihnen eine gründliche Einführung geben, ohne auf die Details der technischen Einrichtung einzugehen. Wenn Sie an den technischen Aspekten interessiert sind, empfehlen wir Ihnen die GSMA-Whitepapers, auf die wir in diesem Beitrag verweisen.

Warum also bringen stromsparende Technologien einen so großen Nutzen? Angesichts der explosionsartigen Zunahme von IoT-Geräten, die häufig mit Batterien betrieben werden, ist die Energieeffizienz zu einem Schlüsselfaktor für die Rentabilität von Projekten geworden. Aus diesem Grund wurden LPWAN-Technologien (Low-Power Wide-Area Network) wie NB-IoT (Narrowband IoT) und LTE-M (Long Term Evolution for Machines) speziell entwickelt, um den Stromverbrauch zu minimieren, damit IoT-Geräte jahrelang ohne Wartung laufen können. 

Die LPWAN-Technologien erreichen dies u. a. durch die Mechanismen PSM (Power Saving Mode) und eDRX (extended Discontinuous Reception), die die Batterielebensdauer für eine Vielzahl von Anwendungen auf über 10 Jahre verlängern können. 

Im Folgenden gehen wir darauf ein, was PSM und eDRX technisch bedeuten, worin sich diese Technologien unterscheiden und für welche Einsatzszenarien sie geeignet sind.

PSM und eDRX reduzieren die Häufigkeit, mit der Geräte im Netz „wach“ sein müssen, und senken so den Energieverbrauch drastisch. Beide Mechanismen sind in die NB-IoT- und LTE-M-Standards integriert, die es IoT-Geräten ermöglichen, Strom zu sparen, indem sie die Häufigkeit und Dauer der Kommunikation mit dem Netz begrenzen. Allgemein ausgedrückt, entspricht PSM einem Ruhezustand für das Gerät, während eDRX eine Art Schlaf-/Schlummermodus mit periodischem Aufwachen ist. Beide verlängern die Batterielebensdauer erheblich, funktionieren jedoch auf leicht unterschiedliche Weise und sind für verschiedene Zwecke geeignet.

Der in eingeführte 3GPP Release 12 Energiesparmodus ist eine Funktion, die es dem Gerät ermöglicht, für eine bestimmte Zeit in einen Ruhezustand zu wechseln. 

Wenn das Gerät PSM aktiviert, bleibt es im Netz registriert, trennt aber die Verbindung für einen längeren Zeitraum. In diesem Zustand hört das Gerät nicht auf eingehende Nachrichten und ist daher im Grunde unerreichbar für das Netz, bis es wieder aufwacht. 

Das Gerät und das Netz vereinbaren im Voraus mit Hilfe von Zeitgebern, wie lange der Ruhezustand dauern soll. Tatsächlich kann der PSM-Zeitraum auf bis zu 413 Tage konfiguriert werden, was dem Höchstwert in der Norm entspricht. Diese Grenze wird jedoch letztlich vom jeweiligen Betreiber festgelegt.

Während des PSM verbraucht das Gerät nur sehr wenig Strom – in der Regel im Mikroampere-Bereich, was im Vergleich zum Normalbetrieb nahe Null liegt. Das Gerät bleibt im Netz registriert, während es schläft, so dass es beim Aufwachen keine vollständige Neuverbindung oder Neuregistrierung im Netz vornehmen muss. Während die Registrierung im Netz selbst nicht viel Energie kostet, können sich wiederholte Neuverbindungen während der Lebensdauer des Geräts zu einem erheblichen Energieverbrauch summieren. Wenn dies durch PSM vermieden wird, verlängert sich die Lebensdauer der Batterie drastisch. 

PSM kann somit als ein Zustand betrachtet werden, der fast dem vollständigen Ausschalten des Geräts entspricht, jedoch mit dem wichtigen Unterschied, dass das Netz das Gerät in seinem System eingeschaltet lässt. Das Gerät wacht in der Regel in regelmäßigen Abständen auf, z. B. einmal pro Tag oder nach einem anderen festgelegten Intervall, um dem Netz kurz mitzuteilen, dass es noch vorhanden ist (ein so genanntes periodisches TAU – Tracking Area Update). Wenn dies geschieht, können alle Daten übertragen werden und das Gerät kann wieder in den Ruhezustand übergehen. Sollte während dieser Zeit ein kritisches Ereignis eintreten, z. B. wenn ein Sensor etwas Alarmierendes feststellt, kann das Gerät immer früher als geplant aufwachen und sofort senden – es muss also nicht warten, bis der PSM-Timer abläuft oder die Verbindung wiederhergestellt ist.

Der Nachteil ist, dass das Netzwerk das Gerät während des Ruhezustands nicht kontaktieren oder Nachrichten an das Gerät senden kann, bis es wieder aufwacht. PSM eignet sich daher für IoT-Geräte, die hauptsächlich Daten senden und nicht häufig Nachrichten oder Befehle empfangen müssen. Es kann sich auch um Geräte handeln, bei denen eine hohe Latenzzeit für eingehende Nachrichten akzeptabel ist. 

GSMA beschreibt PSM als ideal für Geräte mit seltener Datenübertragung, die Verzögerungen bei der eingehenden Kommunikation tolerieren können.

Extended Discontinuous Reception ist eine Erweiterung der bestehenden DRX-Funktion in Mobilfunknetzen. Im regulären LTE-Betrieb verwenden Geräte DRX (Discontinuous Reception), um den Empfänger wiederholt für sehr kurze Zeiträume auszuschalten, typischerweise für Millisekunden oder einige Sekunden am Stück, um Strom zu sparen, ohne dass Anrufe oder Nachrichten verloren gehen. eDRX greift dieses Konzept auf und erweitert die Zeiträume, in denen das Gerät nicht zuhört, auf viel längere Zeiträume als üblich. eDRX kann eigenständig oder in Kombination mit PSM verwendet werden.

Bei eDRX können das Gerät und das Netz ein längeres Abhörintervall vereinbaren. Das Gerät kann z. B. mehrere Minuten am Stück schlafen, bevor es kurz aufwacht und abhört, ob das Netz etwas für es hat. Das bedeutet, dass das Gerät im Gegensatz zu PSM, bei dem es über einen längeren Zeitraum überhaupt nicht lauscht, immer noch periodisch für Netznachrichten empfänglich ist.

Wie kurz das Intervall ist, hängt von den Einstellungen ab: eDRX verfügt über eine Reihe von vordefinierten Schlafperioden, und das Gerät kann das Netz um ein Intervall bitten, das seinen Bedürfnissen entspricht. Bei NB-IoT können diese Hör-Schlaf-Zyklen auf fast 3 Stunden ausgedehnt werden, bei LTE-M auf etwa 43 Minuten. Während dieser Ruhephase verbraucht das Gerät nur wenig Energie, da Teile seiner Schaltkreise abgeschaltet werden können, um Strom zu sparen.

Es ist zu beachten, dass das Gerät während des eDRX-Schlafs nicht kontaktierbar ist – alle Daten aus dem Netz werden in der Warteschlange gehalten und erst geliefert, wenn das Gerät im nächsten eDRX-Intervall erwacht. Das Gerät „schlummert“ also, und wenn keine Daten vorliegen, kann es wieder in den Ruhezustand gehen. 

Der Vorteil von eDRX besteht darin, dass Sie ein Gleichgewicht zwischen Reaktionszeit und Stromverbrauch herstellen können: Je länger das eDRX-Intervall, desto geringer der durchschnittliche Stromverbrauch, aber desto länger die Latenzzeit für den Empfang neuer Nachrichten. Die Entwickler können das für ihr Nutzungsszenario geeignete Schlafintervall wählen und es sogar im Laufe der Zeit anpassen, wenn sich die Anforderungen ändern.

Technisch gesehen kann eDRX sowohl im Ruhezustand des Geräts als auch im angeschlossenen Zustand funktionieren, je nach den Fähigkeiten des Standards. In der Praxis wird eDRX am häufigsten für Geräte verwendet, die von Zeit zu Zeit vom Netz aufgeweckt werden sollen, oder in Kombination mit PSM, um den Stromverbrauch noch weiter zu senken. Ein Gerät kann sich beispielsweise zunächst im eDRX-Modus befinden, in dem es alle 30 Minuten abgehört wird, und wenn es längere Zeit nichts gehört oder gesendet hat, kann es dann über PSM in den Ruhezustand übergehen.

Am wichtigsten ist, dass eDRX einen flexiblen Mittelweg zwischen ständigem Mithören des Netzwerks und völliger Stille bietet. Das Gerät kann mit relativ niedrigen Frequenzen verbunden bleiben, was ideal für IoT-Situationen ist, in denen Sie immer noch in der Lage sein wollen, Nachrichten an das Gerät zu senden, aber es spielt keine Rolle, dass es einige Zeit dauert, bis die Nachricht empfangen wird.

Obwohl sowohl PSM als auch eDRX darauf abzielen, Energie zu sparen, sind ihre Eigenschaften unterschiedlich. Als Faustregel gilt, dass eDRX geeignet ist, wenn das Gerät Daten innerhalb einer Latenzzeit von einigen Sekunden bis zu einigen Stunden empfangen muss, während PSM die bessere Wahl ist, wenn das Gerät für längere Zeit nicht verfügbar sein kann.

Beispielsweise muss ein Ortungsgerät an einem wertvollen Objekt in der Regel relativ schnell lokalisiert werden – eDRX mit einem Intervall von vielleicht ein paar Minuten oder Sekunden wäre ideal, damit der Tracker oft genug aufgeweckt werden kann, um eine Ortung nahezu in Echtzeit zu ermöglichen. Auch Systeme wie die Überwachung intelligenter Stromnetze oder die Sicherheitsüberwachung, die innerhalb von Minuten auf bestimmte Ereignisse reagieren müssen, kommen nicht ohne das regelmäßige Abhören des Geräts aus. eDRX sorgt dafür, dass Daten oder Auslösesignale innerhalb eines akzeptablen Zeitfensters (z. B. <3 Minuten) eintreffen. 

Umgekehrt kann ein Wasserzähler oder Bodenfeuchtesensor in der Landwirtschaft leicht die meiste Zeit des Tages inaktiv sein – hier ist PSM sinnvoller, da die Daten des Sensors nicht dringend benötigt werden und eine maximale Lebensdauer erreicht wird, wenn er zwischen den Messungen komplett offline bleibt. 

Es ist erwähnenswert, dass es nicht immer um ein Entweder-Oder geht. Einige Lösungen kombinieren beide Funktionen: Das Gerät kann eine Zeit lang intermittierend mit eDRX lauschen, wenn z. B. direkt nach einer Messung ein möglicher Befehl vom Server erwartet wird, und danach für einen längeren Ruhezustand in PSM übergehen. Häufig führen Entwickler detaillierte Stromverbrauchsberechnungen für verschiedene Konfigurationen von PSM/eDRX durch, bevor sie die endgültige Strategie für das Gerät festlegen.

Die erheblichen Energieeinsparungen durch PSM und eDRX eröffnen eine Reihe von IoT-Szenarien, die bisher durch Batteriekapazität oder Wartungskosten begrenzt waren. 

Statische Sensoren und Messgeräte wie intelligente Zähler und Umweltüberwachung

Dazu gehören Wasser-, Gas- und Stromzähler, die oft batteriebetrieben sind und über viele Jahre hinweg installiert sind, sowie Sensoren in der Landwirtschaft oder intelligente Stadtlösungen. 

Dank der hohen Innenraumabdeckung des NB-IoT-Netzes können solche Geräte sogar unterirdisch oder in Kellern platziert werden und bleiben trotzdem verbunden. PSM ermöglicht es dem Zähler/Sensor, beispielsweise einen einzigen täglichen Status zu senden und den Rest der Zeit inaktiv zu bleiben.

Mobile Ortungsgeräte, z. B. für die Verfolgung von Vermögenswerten und das Flottenmanagement

An Fahrzeugen wie Autos, E-Bikes und E-Scooter oder an Containern und Frachtgut montierte IoT-Geräte profitieren ebenfalls von PSM und eDRX. In diesen Fällen wird häufig das LTE-M-Netz verwendet, da es die Mobilität besser unterstützt. 

Für Peilsender, die häufiger Meldungen machen müssen, z. B. jede Minute oder bei Bewegung, wird in der Regel eDRX aktiviert, damit das Gerät alle Befehle, einschließlich Pings oder Konfigurationsänderungen, in regelmäßigen Abständen empfangen und häufige Positionsaktualisierungen senden kann.

Viele moderne GPS-Tracker kombinieren bei Bedarf sogar beide Techniken. Das Ergebnis ist, dass selbst batteriebetriebene Tracker jahrelang halten können. 

Diese Beispiele zeigen, wie PSM und eDRX die Realisierung von IoT-Lösungen ermöglichen, die bisher nicht praktikabel waren. Die Funktionen tragen dazu bei, die Batterielebensdauer zu verlängern, so dass es realistisch ist, IoT-Projekte auf Tausende von Geräten zu skalieren, ohne dass der Wartungsaufwand zu hoch ist. Gleichzeitig bleiben die Vorteile von Mobilfunknetzen – Abdeckung, Zuverlässigkeit und Zwei-Wege-Kommunikation – erhalten, allerdings bei sehr geringem Energieverbrauch.

Die Energieoptimierung ist ein entscheidender Erfolgsfaktor für die große Mehrheit der IoT-Implementierungen. PSM und eDRX sind dabei zwei der effektivsten Werkzeuge, um dies zu erreichen. Durch das Verständnis und die Nutzung dieser Fähigkeiten können IoT-Spezialisten und Entscheidungsträger Lösungen entwerfen, bei denen Geräte jahrelang mit Batteriestrom betrieben werden und der Bedarf an physischer Wartung minimal ist. Dies senkt die Gesamtkosten und ermöglicht eine wirtschaftlich nachhaltige Datenerfassung auch an entlegenen oder unzugänglichen Orten. 

NB-IoT- und LTE-M-Technologien wurden mit Blick auf dieses Gleichgewicht zwischen niedrigem Stromverbrauch, guter Abdeckung und ausreichender Datenkapazität entwickelt, und PSM/eDRX sind konkrete Beispiele dafür, wie die Standards dieses Versprechen einlösen.

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Wenn Sie tiefer in die Technologien hinter NB-IoT und LTE-M eintauchen möchten, empfehlen wir Ihnen die GSMA-Berichte und technischen Whitepapers für weitere Details zur Implementierung von PSM/eDRX in der Praxis, darunter: GSMA – „Development Guide for Industrial IoT using NB-IoT“ (2019), GSMA – „Mobile IoT Deployment Guide“ (2022) und GSMA – „Improving Energy Efficiency for Mobile IoT“ (2022).