Expertenbeitrag

 Harald  Naumann

Harald Naumann

tekmodul GmbH

Low Power Wide Area Energieverbrauch LPWAN im Upload und Download

Autor / Redakteur: Harald Naumann / Sebastian Human

Niedrigenergienetzwerke (Low-Power-Wide-Area-Networks, LPWAN) versprechen uns niedrige Kosten, geringen Energiebedarf und eine große Reichweite. Mit den LPWANs sind Anwendungen mit regelmäßigen, kleinen Datenmengen geplant. Wie steht es um den Energieverbrauch bei LoRaWAN, Sigfox und NB-IoT?

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Upload und Download sind im Kontext von LPWAN zwei Seiten der gleichen Medaille – in beiden Fällen braucht es Energie, doch nicht immer gleich viel.
Upload und Download sind im Kontext von LPWAN zwei Seiten der gleichen Medaille – in beiden Fällen braucht es Energie, doch nicht immer gleich viel.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Die Reichweiten von LPWAN-Technologien bieten im Gegensatz zu WAN (GSM, UMTS, LTE) bis zu 20 dB mehr Linkbudget (dt. Leistungsträgerbilanz). Je höher das Linkbudget, desto weiter die Reichweite oder umso besser die Durchdringung der Wände. 10 dB Zugewinn bedeuten eine Verdopplung der Reichweite. Mit 20 dB erhalten wir eine zweifache Duplizierung. Aus zum Beispiel 1 km mit GPRS werden 4 km Entfernung mit NB-IoT. NB-IoT und LTE-M sind die neuen LPWAN-Technologien von Deutsche Telekom und Vodafone mit über 40.000 Basisstationen in Deutschland.

Die vereinfachten LPWAN-Funkprotokolle reduzieren die Komplexität im Hardware-Design und senken die Gerätekosten. Die große Reichweite in Kombination mit einer Sterntopologie verringert die Kosten für die Infrastruktur. Für NB-IoT und LTE-M reduzieren sich die Aufwände für die Antennensysteme auf 0 Euro, weil keine neuen errichtet werden müssen. Die Ausgaben für das Frequenzspektrum belaufen sich bei NB-IoT ebenfalls auf 0 Euro, wenn man auf die ungenutzte Frequenzlücke zwischen zwei LTE Bändern zurückgreift. All dies führt am Ende zu Kosten für die SIM-Karte von nur 1 bis 1,60 Euro pro Jahr.

Durch die Optimierung des Energiebedarfs können Geräte mit LPWAN-Modulen mit kleinen, preiswerten Batterien angeblich 10 - 15 Jahre lang betrieben werden. Das reduziert die Wartungskosten und schont die Umwelt. Soweit die Theorie.

Welcher Energieverbrauch fällt an?

Beim Energieverbrauch buhlt jede der LPWAN-Technologien um den ersten Platz. Es ist wie bei den Marktschreiern Aale-Dieter, Käse-Rudi und Wurst-Herby auf dem Hamburger Fischmarkt: Alle drei haben die besten Lebensmittel und verkünden das lautstark.

Bei LPWAN ist das ähnlich. Die Schreier (Mitarbeiter im Marketing) von NB-IoT, LoRaWAN und Sigfox behaupten von sich, die höchste Reichweite, den besten Preis und den niedrigsten Verbrauch zu haben. Wer am lautesten schreit oder seine Botschaft am häufigsten wiederholt, gewinnt den Kunden. Wenn wir die Marktschreier mit GPRS zum Vergleich heranziehen, dann haben alle drei bei der hohen Reichweite auf den ersten Blick Recht. Wenn wir die Marketingaussagen aber genauer gegenüberstellen, entdecken wir die Unterschiede.

Wenn man das Linkbudget (und indirekt somit die Reichweite) zwischen den LPWAN-Knoten und dem Antennensystem zwischen 134, 144 und 154 dB variiert, sieht es schon ganz anders aus. Kommt der Vergleich mit der Nutzlast von 12, 24, 64 und 512 Byte hinzu, trennt es sich schnell. LoRaWAN und Sigfox wird zur Spreu und NB-IoT migriert zum Weizen. Gemeinsam mit Wilhelm Oelers habe ich dies mit Tausenden von Messungen analysiert und in einer Studie1 offengelegt.

12, 24, 64 und 512 Byte bei 134, 144 und 154 dB Linkbudget
12, 24, 64 und 512 Byte bei 134, 144 und 154 dB Linkbudget
(Bild: Studie LPWAN Energy Comparision)

In der Studie zum Energieverbrauch betrachten wir den Upload von Daten aus der Perspektive zweier IoT- beziehunsgweise M2M-Veteranen. NB-IoT ist in der Untersuchung der klare Gewinner. Datenkommunikation besteht nicht nur aus Upload von Daten. Für Quittungsbetrieb, Senden von Stellparametern an den Aktor oder Firmwareupdates wird auch Download benötigt. Betrachten wir den Ist-Zustand zum Download der unterschiedlichen Funktechniken etwas genauer.

Sigfox

Das Sigfox-Protokoll2 kann nur Daten am Funkknoten empfangen, wenn zuvor gesendet wurde. Obendrein bietet das Funkprotokoll nur 8 Byte im Download und das nur viermal am Tag. Für diese 8 Byte muss das Sigfox-Modul dann ein Empfangsfenster für 25 Sekunden öffnen. 25 Sekunden x 3,3 Volt x 15 mA ergeben 1.237 mWs für nur 8 Byte, unabhängig vom Linkbudget. 19,32 mWs pro Bit ist sehr viel Energie. Da das Empfangen nur nach dem Senden möglich ist, muss man den Energieaufwand beim Senden eigentlich noch hinzurechnen. Praktisch wird das Sigfox-Protokoll im Download kaum genutzt. Die meisten Anwendungen von Sigfox finden wir im Upload von Daten.

LoRaWAN

Beim LoRaWAN-Protokoll3 sieht es nicht viel besser aus. Durch die Begrenzung auf 10 % Duty-Cycle im Download für das LoRaWAN-Gateway bleiben bei 1.000 Teilnehmern am Gateway nur 360 ms pro Teilnehmer übrig. Da eine Quittung bei SF12 deutlich mehr Zeit als 360 ms benötigt, ist ein Quittungsbetrieb mit 1.000 Teilnehmern bei LoRaWAN nahezu ausgeschlossen. Das Gateway hat nicht genug Sendezeit, um alle 1.000 Knoten in einer Stunde mit Daten im Download zu versorgen. Der Download von Daten ist durch das Duty-Cycle4 des Gateways technisch annähernd unmöglich.

Die Gegenmaßnahme ist der Einsatz von geringeren Spreizfaktoren. Wenn von Spreizfaktor 12 (SF12) auf Spreizfaktor (SF11) geändert wird, reduziert sich die Zeit auf dem Kanal um ca. 50 %. Wem dies nicht ausreicht, der muss am Ende von SF12 auf SF7 reduzieren. Mit jeder Änderung verringert sich aber die Empfindlichkeit des Knotens und des Gateways um ca. 3 dB pro Veränderung des Faktors. 5 x 3 dB ergeben 15 dB Verschlechterung der Empfindlichkeit und eine Verminderung der Reichweite um mehr als die Hälfte. Die Fläche eines Kreises berechnet sich aus Radius x Radius x Pi. Reduzieren wir den Radius um die Hälfte, geht dies quadratisch in die Fläche ein. Die abgedeckte Fläche wird viermal kleiner und die Anzahl der notwendigen Gateways und somit die Kosten werden viermal höher. Wer sein eigenes privates LPWAN errichtet, muss sich zwischen großer Reichweite und hohem Datendurchsatz entscheiden.

Im Upload gibt es eine Begrenzung auf 1 % Duty-Cycle pro Knoten. Das 1 % steht aber nur bei drei Kanälen mit 14 dB Sendeleistung zur Verfügung. Wenn man 8 Kanäle mit allen Knoten gleichmäßig benutzen möchte, muss man sich mit 0,1 % Duty-Cycle begnügen. Das bedeutet 3,6 Sekunden maximale Sendezeit pro Stunde. Da 12 Byte mit SF12 den Kanal 1574 Millisekunden belegen, sind dann nur zwei Telegramme pro Stunde möglich.

Die Gegenmaßnahme ist hier ebenfalls die Reduzierung des Spreizfaktors. Die Änderung von SF12 auf SF11 reduziert die Belegungszeit des Kanals um die Hälfte. Damit wären schon 4 Meldungen pro Stunde erreichbar. 50 % Paketverlust sind durch das Aloha-Verfahren und Störungen durch andere Teilnehmer im lizenzfreien Band nicht unüblich. Streckenweise muss mit höheren Verlusten als 50 % gerechnet werden. Wenn Messdaten im 15 Minutentakt übertragen werden sollen und mit einem Verlust von 50 % der Datenpakete kalkuliert wird, dann müssen 8 Pakete übertragen werden. Damit dies möglich ist, sollte man sich auf SF10 beschränken. Hier muss sich der Betreiber eines privaten LPWAN zwischen der Anzahl der Pakete pro Stunde und der Reichweite entscheiden. Mit Verringerung der versorgten Fläche optimiert man den Datendurchsatz und minimiert die Verluste des Aloha-Verfahrens. Störungen und Paketverluste durch andere Teilnehmer im lizenzfreien Band kann man nur durch Feldtests ermitteln. Diese muss man zyklisch wiederholen, um frühzeitig festzustellen, dass weitere Teilnehmer den Funkverkehr stören.

Wer sein privates LPWAN an der Grenze der Netzlast aufbaut, wird spätestens dann eine böse Überraschung erleben, wenn ein zweites in der gleichen Region errichtet wird. Wer sein Funknetz auf einem Betriebsgelände betreibt, Antennen an den Gateways mit Richtwirkung einsetzt und obendrein den Neigungswinkel anpasst, kann Probleme durch fremde Netze begrenzt vermeiden. Wer aber im öffentlichen Raum ein stadtweites Funknetz plant, muss mit Störungen durch andere Netzbetreiber im gleichen Frequenzband rechnen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass LoRaWAN durch das europäische Duty-Cycle keinen symmetrischen Download bietet. In den USA oder in Australien sieht es deutlich besser raus, weil es dort kein Duty-Cycle gibt. Die Gateways und Knoten können dort unbegrenzt in beide Richtungen senden und empfangen. LoRaWAN-Knoten in der Betriebsart Klasse A können nur empfangen, wenn diese vorher gesendet haben. Dies ist somit ähnlich wie bei Sigfox. In Klasse C ist das LoRaWAN-Modul dauerhaft eingeschaltet und benötigt konstant 13 mA. Diese 13 mA beim Empfang mit Aloha und Paketverlust stellen wir nun NB-IoT gegenüber.

NB-IoT

Das NB-IoT-Protokoll5 bietet uns den Seeteufel zum Preis von Sprotten. NB-IoT nutzt das lizenzierte Frequenzband 8 und 20. In einem lizenzierten Band ist es ausgeschlossen, dass Störungen durch andere Funkteilnehmer auftreten. Die drei deutschen Netzbetreiber Deutsche Telekom, Vodafone und Telefonica besitzen in diesen beiden Bändern jeweils Frequenzscheiben von 10 MHz beziehungsweise 15 MHz. Die beiden Frequenzbänder befinden sich unterhalb 1000 MHz und sind daher gut für die Durchdringung von Wänden geeignet.

Die Störung in der zugeteilten Frequenzscheibe wird bei NB-IoT durch ein Halbduplex mit Time Division Multiple Access(TDMA)6 ausgeschlossen. Beim Halbduplex kann ein Funkknoten nur senden oder empfangen. Das vereinfacht den Aufbau des Funkmoduls und senkt somit die Kosten. TDMA ist eine digitale Mobilfunktechnologie. Sie ermöglicht es vielen Benutzern, sich dieselbe Frequenz ohne Interferenzen zu teilen. Die Technologie unterteilt einen Kanal in verschiedene Zeitschlitze und erhöht die Datenübertragungskapazität. TDMA benötigt eine genaue Synchronisation zwischen Sender und Empfänger. Die einzelnen Mobilstationen vergeben zyklisch eine Frequenz für die exklusive Nutzung eines Zeitintervalls. Das Senden und Empfangen ist mit den Zeitschlitzen geregelt. Unsere bewährten GSM-Telefone nutzen TDMA und NB-IoT / LTE-M ebenso.

Damit unsere Mobilfunktelefone einen Anruf entgegennehmen können, müssen diese alle 2,56 Sekunden in den Empfangskanal reinhören und prüfen, ob ein Ruf eingeht. Ein gutes altes GSM-Telefon von Nokia konnte aufgeladen konstant eine Woche empfangen und darauf warten, dass ein Anruf eingeht. Die Empfänger im Stand-By-Betrieb in den GSM-Telefonen von Nokia waren schon recht gut. Mit den Smartphones hat sich der dauerhafte Empfangsbetrieb stark reduziert. An dem bekannten Verfahren, alle 2,56 Sekunden zu prüfen, ob ein Anruf eingeht, hat sich nichts geändert. Auch NB-IoT-Module arbeiten nach diesem Verfahren. Das wird DRX (Discontinuous Reception) genannt.

Der Ruhezustand wird alle 1,28 Sekunden oder 2,56 Sekunden unterbrochen und in den Empfangsbetrieb gewechselt. Mit der 3GPP Release 13 wurde eDRX (Extended Discontinuous Reception) eingeführt. Die 3GPP ist der Dachverband, welcher die Mobilfunkstandards reguliert. Die maximale Ruhezeit für NB-IoT-Module mit eDRX reicht bis zu drei Stunden. Die minimale Schlafzeit beträgt 10,24 Sekunden. Bei eDRX bestimmt das Gerät und nicht das Netzwerk die Dauer des Ruhezustands. Da ein Gerät nicht erreichbar ist, wenn es sich im Ruhezustand befindet, hängt die Zeit, um ein Gerät zu erreichen, davon ab, wie lange der eDRX-Zyklus gewählt wurde. Diese Möglichkeit, die Länge des eDRX-Zyklus einzustellen, bietet uns viel mehr Flexibilität. Wir können die Erreichbarkeit eines Geräts gegen den Energieverbrauch abwägen. Die eDRX-Timer gibt es auch bei LTE-M. Wenn die Anwendung einen Zyklus von 80 Sekunden wählt, kann ein Cloud-Server das NB-IoT-Gerät alle 80 Sekunden erreichen. In einem hypothetischen Use Case eines Gewächshauses würde eine Anfrage der Position, das Einschalten der Bewässerungspumpe oder das Schließen der Fenster mit 80 Sekunden Verzögerung ausgeführt werden.

Ein weiteres Beispiel sind intelligente Gaszähler. Staatliche Vorschriften schreiben es oft vor, dass das für den Zähler verantwortliche Unternehmen in der Lage sein muss, die Gaszufuhr in einem Gebäude bei Feueralarm schnell abzuschalten. Die Firma muss dann innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitspanne von zum Beispiel zwei Minuten nach Erhalt der Meldung der Feuerwehr die Gaszähler in der Nähe des Ortes des Feuers abschalten. Ein Gaszähler ist aber ein Gerät ohne externe Energieversorgung. Daher ist eDRX eine wichtige Funktion, den Energieverbrauch von der Batterie zu senken.

Evolution beim eDRX in NB-IoT/LTE-M-Modulen Quectel BG77 und BG770

(Bild: Harald Naumann)

Das Quectel BG777 hat einen eDRX-Strom von 660 uA bei 80,2 Sekunden Empfangszyklus bei NB-IoT oder LTE-M. Das neue BG7708 benötigt aber mit 14 uA einen 47 x niedrigeren Stromverbrauch bei 80,2 Sekunden eDRX. Wenn man andere Ströme auf der Platine mit theoretischen 0 uA annimmt, dann kann die teure Batterie im Gaszähler 47 Mal kleiner werden. Vergleichen wir es mit dem weltweit ersten Kombimodul Quectel BG96 mit NB-IoT, LTE-M und GPRS, dann benötigt dies 10 uA im PSM-Modus. PSM ist die Abkürzung für Power-Save-Mode. Der PSM-Modus bedeutet, dass ein NB-IoT-Gerät ausgeschaltet ist und nichts mehr empfangen kann.

Vollständig ausgeschaltet ist es aber nicht, da sich das Funkmodul die Anmeldedaten zur Basisstation merkt. Das erneute Anmelden aus dem Wechsel vom PSM-Mode in den Standardbetrieb mit abschießendem Senden von Daten geht viel schneller und energieärmer. Beim neuen BG770 liegt der PSM-Strom bei ca 3 uA. Bei der Betriebsspannung hat sich ebenfalls etwas getan. Die 3,6 Volt bei den ersten NB-IoT/LTE-M-Modulen ist beim BG770 auf 2,1 Volt gesunken. Weniger Spannung und Strom repräsentiert einen deutlich kleineren Energieverbrauch.

Referenzdesign Mona-Lisa-Tracker

Mona-Lisa-Tracker und Silhouette der Mona Lisa im Louvre
Mona-Lisa-Tracker und Silhouette der Mona Lisa im Louvre
(Bild: Harald Naumann)

Der Mona-Lisa-Tracker mit dem Quectel BG770 hat eine Stückliste <15 USD. Die Mobilfunk- und GNSS-Antennen werden in die Hauptplatine integriert und kosten 0 USD. Es wird 0,5 bis 1 dB mehr Antennengewinn als bei Standard-Chip-Antennen erwartet. Bei der MCU plant man einen STM32 mit Cortex M0+. Der Mona-Lisa-Tracker soll an teuren Kunstobjekten montiert werden. Er soll sich beispielsweise hinter den Gemälden im Louvre befinden und meldet sich einmal pro Woche. Sein 80-Sekunden-eDRX-Timer macht den Tracker zyklisch erreichbar. Der Bewegungssensor weckt das drahtlose IoT-Gerät aus dem PSM-Modus auf oder ein Steuerbefehl im eDRX-Modus schaltet in den aktiven Tracking-Modus. Der Mona-Lisa-Tracker kann auch zum Tracken von Skiern, Surfbrettern, Kinderwagen, Schmuckkästchen, Haustieren, E-Bikes und vielen anderen wertvollen Gegenständen verwendet werden.

Quellen

1Vgl. Naumann, Harald/Wilhelm Oelers: LPWAN Vergleich – Niedriger Energieverbrauch mit NB-IoT, LoRaWAN und Sigfox, in: Akoriot.com, 15.02.2021, [online] https://www.akoriot.com/white-papers/.

2Vgl. Sigfox Device Radio Specifications: in: Sigfox, [online] https://build.sigfox.com/sigfox-device-radio-specifications.

3Vgl. LoRa Alliance: LoRaWAN resource hub, in: LoRa Alliance, 03.03.2021, [online] https://lora-alliance.org/.

4Vgl. Funkanlagen geringer Reichweite (SRD): in: Bundesnetzagentur, [online] https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Sachgebiete/Telekommunikation/Unternehmen_Institutionen/Frequenzen/Allgemeinzuteilungen/allgemeinzuteilungen-node.html.

5Vgl. Flynn, Kevin: Standards for the IoT, in: 3GPP, [online] https://www.3gpp.org/news-events/1805-iot_r14.

6Vgl. DATACOM Buchverlag GmbH: TDMA (time division multiple access), in: ITWissen, 06.02.2014, [online] https://www.itwissen.info/TDMA-time-division-multiple-access-TDMA-Verfahren.html.

7Vgl. Triptec: Quectel BG77 NB-IoT, LTE-M, GNSS module, in: Akoriot.com, 27.02.2021a, [online] https://www.akoriot.com/quetel-bg77-lte-module/.

8Vgl. Triptec: Quectel BG770 NB-IoT/ LTE-M, GNSS module, in: Akoriot.com, 27.02.2021, [online] https://www.akoriot.com/quectel_bg770/.

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