Время автономной работы конечного устройства (далее - КУ) от одной батарейки в первую очередь определяется энергоэффективностью радио протоколов системы, рассмотренная в предыдущей статье.
Иногда можно встретить банальные ошибки, например, как в рекламном тексте, где в качестве основного аргумента в пользу срока автономной работы приводится следующее утверждение: «Устройства передают радиосигнал мощностью до 25 мВт. Это в 8 раз ниже мощности, излучаемой NB-IoT-радиомодемом.» Мощности излучения для определения автономности сравнивать некорректно, сравнивать необходимо только энергию, потребляемую от батарейки на передачу одного сообщения.
Кроме энергоэффективности радио протокола, есть еще несколько факторов, определяющих время автономной работы КУ:
- Потребление на передачу полезной информации;
- Потребление измерительного элемента КУ;
- Потребление на служебные и контрольные сообщения;
- Потребление на работу с обратным каналом;
- Потребление схемы управления конечного устройства в режиме ожидания.
Потребление измерительного элемента КУ накладывает ограничения на возможности использования различных чувствительных и измерительных элементов в составе конечного устройства. Кроме того, что измерительный элемент должен быть дешевым, он еще должен потреблять очень мало энергии. Большинство современных «мэмс» датчиков температуры, влажности, давления, акселерометры и гироскопы попадают в нужную категорию, необходимо только сделать правильный выбор и разработать соответствующие микро потребляющие алгоритмы взаимодействия.
Обычно на работу с датчиком можно зарезервировать не более половины энергии батарейки, значит его среднее потребление должно лежать в пределах 10-20 мкА. Есть и набор «прожорливых» датчиков, когда среднее потребление снизить не удается по принципиальным физическим причинам, это может быть датчик содержания CO2 или бытового газа в воздухе, или, например, трекер GPS.
Потребление на служебные и контрольные сообщения особенно принципиально для устройств близкой к охранной тематики, когда надо быть постоянно уверенным в работоспособности датчика и приходится периодически посылать в эфир контрольные подтверждающие сообщения. На эти контрольные сообщения нельзя тратить существенную часть ресурса батарейки. Оптимальным временем «контроля канала» в LPWAN будет несколько раз в день.
Обратный канал – один из потенциально самых затратных элементов LPWAN систем, мы запланировали детально разобрать вопросы обратного канала в отдельной статье.
Для разработчиков устройств важно также уметь минимизировать фоновое потребление конечного устройства. Большинство современных микроконтроллеров такой режим обеспечивают, но для его полной реализации надо правильно управлять всеми режимами процессора.
В основе NB-IoT лежит синхронная связь с большими накладными расходами и требованиями к квотированию, что очень сильно истощает энергию батарейки. Ситуация с энергоэффективностью у безлицензионных систем LoRaWAN и SigFox в разы лучше, чем у NB-IoT. Из общедоступных источников известно, что протокол SigFox позволяет передать около 15-20 тысяч сообщений от одной батарейки 3.6 V, емкостью 2 200 мАЧ. Стандартный датчик GoodWAN - передает около 50 000 сообщений от одной литиевой батарейки 2 200 мАЧ, обеспечивая автономность работы датчика в течении 5 лет при передаче сообщения раз в час. Более подробно об энергоэффективности LPWAN систем можно прочитать в нашей статье на Хабре .
- В любых радиосетях всегда существует вероятность потери отдельного сообщения.
- Асинхронный характер передачи сообщений всегда предполагает не нулевую вероятность их коллизий в эфире.
- Доставка сообщения с получением квитанции в LPWAN сетях практически никогда не реализуется из-за особенностей работы обратного канала.
SigFox для повышения вероятности доставки применяет троекратный повтор каждого сообщения в эфире. GoodWAN разделяет весь информационный поток от КУ на два типа сообщений – «мониторинг состояния» и «важное событие». «Мониторинг состояния» передается с помощью одной посылки, а доставка «важного события» обеспечивается за счет нескольких повторов посылок (от 3 до 5 повторов).
Сеть GoodWAN строится исходя из вероятности потери одного не критичного сообщения 10-1 и обеспечивает вероятность потерь для критичных сообщений 10-5.
Сравнение площадей out-door покрытия в реальных городских условиях для различных типов LPWAN систем проще всего оценивать в вероятности пропуска сообщения в зависимости от расстояния.
Количество переданных и принятых сообщений в зависимости от расстояния до шлюза в реальной городской застройке для outdoor покрытия.
На текущем графике приведены результаты сравнительных испытаний шлюзов GoodWAN и LoRaWAN(Actility) в реальных городских условиях в Москве. Шлюзы были установлены в одинаковых условиях на 15-этажном здании и их антенны периодически менялись местами. Конечные устройства работали с частотой передачи 10 секунд и устанавливались в салон автомобиля, который ездил по улицам города по произвольным маршрутам в радиусе от 3 до 9 километров от шлюзов. Контролировалось общее число переданных сообщений (теоретический предел приема) и число реально полученных каждым шлюзом сообщений - в зависимости от расстояния.