Längere Batterielaufzeiten für Cellular-IoT-Geräte: LTE-M und NB-IoT optimal nutzen

Wie lässt sich der Energieverbrauch von batteriebetriebenen Geräten gezielt senken? Wir haben in aktuellen Projekten untersucht, wo die größten Energieverbrauchstreiber tatsächlich liegen – und welche Optimierungen in der Praxis den größten Effekt haben.

Batteriebetriebene und autarke IoT-Systeme müssen heute über Jahre hinweg zuverlässig kommunizieren und dabei mit möglichst wenig Energie auskommen. Die Kombination aus stabiler NB-IoT- oder LTE-M-Konnektivität mit minimalem Strombedarf stellt derzeit eine der größten Herausforderungen in der Produktentwicklung dar. Häufig verbrauchen Geräte trotz aktivierter Sleep-Modi mehr Energie als geplant, Attach-Zeiten variieren stark oder fallen unerwartet lang aus, und Schwankungen in der Netzverfügbarkeit wirken sich unmittelbar auf die Batterielaufzeit aus. 

Viele dieser Probleme entstehen durch die hohe Komplexität cellularer bzw. mobilfunkbasierter Kommunikation. Der Energieverbrauch eines Cellular-IoT-Geräts hängt dabei vom Zusammenspiel aus Modemfirmware, Carrier Settings, Embedded Software und Hardwaredesign ab.  

Herausforderungen bei energieeffizienten Cellular-IoT-Geräten

Ein besonders häufiger Energieverbrauchstreiber sind lange und stark schwankende Attach-Zeiten beim Verbindungsaufbau zum Mobilfunknetz. Während die Registrierung unter idealen Bedingungen nur wenige Sekunden dauert, wurden in Feldtests teilweise Attach-Zeiten von mehr als 30 Sekunden und in Einzelfällen sogar von über einer Minute beobachtet. Jeder Attach-Vorgang bedeutet, dass das Modem über einen länger aktiv bleibt und entsprechend Energie verbraucht. 

Auch Netzabdeckung, Zelllast und Betreiberkonfiguration beeinflussen die Sendeleistung, Latenz und Stabilität. 
Hinzu kommen Firmwarearchitektur, die Implementierung der Applikationslogik sowie das Hardwaredesign. Polling-basierte Softwarekonzepte, schlecht abgestimmte Carrier-Settings oder ein nicht optimiertes Antennendesign können die theoretisch erreichbare Batterielaufzeit erheblich reduzieren.

Kommunikationsprozesse für längere Batterielaufzeiten optimieren 

Ein wesentlicher Erfolgsfaktor für lange Batterielaufzeiten besteht darin, Kommunikationsprozesse bereits auf Architekturebene energieeffizient auszulegen. Dazu gehört insbesondere die Optimierung von Attach-Prozessen, die Minimierung unnötiger Netzregistrierungen sowie die intelligente Steuerung von Kommunikationsereignissen. 

Besonders wirkungsvoll hat sich dabei eine konsequent eventbasierte Firmwarearchitektur erwiesen. Diese vermeidet unnötige Prozessoraktivitäten und Wake-ups. In einem von Burger Engineering begleiteten Cellular-IoT-Projekt konnte die Anzahl der Wake-up-Ereignisse um mehr als 80 Prozent reduziert werden. 

PSM- und eDRX-Parameter sollten nicht pauschal übernommen werden. Eine optimale Konfiguration hängt stark vom tatsächlichen Kommunikationsprofil der Anwendung ab. Im beschriebenen Projekt führte die Optimierung dieser Parameter zu einer Reduktion des durchschnittlichen Modem-Energieverbrauchs um rund 30 Prozent.

5 Empfehlungen für die Entwicklung energieeffizienter Cellular-IoT-Geräte

Die Erfahrungen aus diesem und weiteren Cellular-IoT-Projekten zeigen, dass Energieeffi-zienz bereits in der Konzeptphase berücksichtigt werden muss. 

Folgende Punkte haben sich in der Praxis besonders bewährt:

1.    Energieverbrauch auf Systemebene betrachten
Nicht der Ruhestrom allein entscheidet über die Batterielaufzeit, sondern die Summe aller Kommunikationsereignisse.

2.    LTE-M und NB-IoT anwendungsspezifisch bewerten
NB-IoT kann bei stationären Anwendungen Vorteile bieten. LTE-M zeigt dagegen häufig Vorteile bei mobilen Geräten oder wechselnden Empfangsbedingungen.

3.    Kommunikationsereignisse minimieren
Eventbasierte Architekturen reduzieren unnötige Aktivierungen sowie überflüssige Netzregistrierungen und Verbindungsaufbauten.

4.    PSM- und eDRX-Parameter gezielt optimieren
Die optimale Konfiguration hängt stark vom tatsächlichen Kommunikationsprofil der Anwendung ab und sollte auf Basis realer Messdaten erfolgen. 

5.    Netzbedingungen frühzeitig testen
Carrier-spezifische Besonderheiten, unterschiedliche Netzqualitäten und regionale Unterschiede sollten bereits während der Entwicklung berücksichtigt werden. Auch das Antennendesign verdient besondere Aufmerksamkeit, da bereits geringe Ver-besserungen der Antennenanpassung die Signalqualität erhöhen können.

>> Die Detail-Version dieses Beitrags inklusive dem Fallbeispiel „Batteriebetriebene Füllstandsmessung“ finden Sie auf Elektronikpraxis.de!