5G en energiezuinig communiceren

Het is duidelijk dat 5G veel om ons heen gaat veranderen. De jongste telg in mobiele communicatie heeft drie belangrijke karakteristieken. Dit artikel gaat in op één van die karakteristieken, namelijk ‘massive machine type communications’. Wat is het, en wat kun je er nu al mee? Hoe zie het pad naar volledige invulling van die dienst eruit? En hoe kun je via 5G energiezuinig communiceren?

In het noorden van Nederland worden door 5Groningen sinds 2017 testen gedaan met 5G. 5Groningen is een samenwerkingsverband om ervaringen in ruraal gebied op te doen met toepassingen die stoelen op 5G. Gevestigd bij het aardbevingsgebied, worden in projectverband toepassingen gemaakt en getest die gebruik maken van (voorlopers van) 5G. Projecten waarbij altijd een MKB-er betrokken is en waarbij ook studenten van bijvoorbeeld de Hanzehogeschool Groningen innovatieve toepassingen ontwikkelen die gebruik maken van de nieuwste generaties mobiele communicatie.

De diensten van 5G worden vaak weergegeven in een driehoek. Elke van de hoeken typeert één van de diensten. De eerste hoek is ‘enhanced mobile broadband’: zeer hoge bandbreedtes (tot 20 Gbit/s) om bijvoorbeeld 8K 360°- streams mogelijk te maken. De tweede is ‘ultra-reliabe & low-latency communications’: het netwerk biedt een beschikbaarheid van vier of vijf negens achter de komma en een latentie (responsetijd) van 1 ms. Dat is nodig voor bijvoorbeeld zelfrijdende (groepen) auto’s, maar ook voor robots in de zorg en in de industrie. De derde hoek is ‘massive machine type communications’: kleine bandbreedtes gecombineerd met weinig energieverbruik gericht op bijvoorbeeld Internet of Things (IoT).

De diensten die 5G aanbiedt komen niet allemaal ineens beschikbaar, om zowel de commerciële als operationele risico’s te beperken. 5G komt middels meerdere (tussen)fasen tot volle wasdom. Via zogenaamde releases worden verbeteringen en uitbreidingen stapsgewijs toegevoegd. 3GPP (3rd Generation Partnership Project, zie 3gpp.org) is verantwoordelijk voor die releases en de releasekalender. De eerste ‘echte’ 5G-release is release 15 (5G phase 1), die vorig jaar officieel werd vastgelegd. Zodra een release formeel is, kunnen leveranciers aan de slag met het maken van de hard- en software. Daarna komen de operators die hun netwerk ermee kunnen doorontwikkelen.

Bij 3GPP release 13 (gelabeld als een LTE-release) is al een eerste stap gezet als opmaat naar massive machine type communications. Bij release 13 werd NarrowBand-IoT (NB-IoT, CAT NB-1) geïntroduceerd. NB-IoT is een low-power Wide Area Network (LPWAN) oplossing. Typische snelheden liggen zo rond de 20 kbit/s download en 60 kbit/s upload. Bij release 14 is NB-IoT voorzien van een aantal verbeteringen: CAT-NB2 is energiezuiniger en heeft hogere up- en downloadpieken (120 respectievelijk 160 kbit/s) en ondersteunt het single-cell multicast, handig om bijvoorbeeld massaal een firmware-upgrade naar IoT-devices te doen (zoals beschreven in dit pdf-document van Qualcomm).

Bij release 13 is ook LTE-M ingevoerd (CAT-M1) en doorontwikkeld in release 14 met CAT-M2. LTE-M biedt duidelijk meer bandbreedte (ongeveer 2 Mbit/s), maar verbruikt ook meer energie. Het is een soort NB-IoT-on-steroids. De combinatie van NB-IoT en LTE-M plaveit op die manier de weg voor massive machinetype communications in release 15 en 16 (5G phase 1 en 2).

Met NB-IoT moet het mogelijk zijn om sensoren hun werk lang te laten doen zonder dat de batterij vervangen hoeft te worden. Op zich is dat ook mogelijk met het huidige LoRaWAN, maar NB-IoT heeft een aantal voordelen en extra features, doordat het gebruik maakt van een gelicenseerd frequentiebereik (meer info in Vodafone pdf-document): het heeft minder last van interferentie, kent minder restricties aan het aantal berichten, heeft gemiddeld genomen meer bandbreedte en het ondersteunt standaard transportprotocollen (UDP/TCP). Dat biedt ongekende voordelen: je kunt een slimme sensor gedurende een aantal jaren laten werken zonder daar nog naar om te hoeven kijken.

Maar hoe gaat dat in de praktijk? Is het écht mogelijk? Wat komt daarbij kijken? Is de hardware er, en hoe zorg je er met de juiste programmeercode voor dat een slimme sensor daadwerkelijk heel zuinig is?

Een slimme NB-IoT-sensor bestaat uit een aantal onderdelen; een (embedded-)cpu, een aantal sensoren en een modem dat de data met behulp van een simkaart kan versturen. Dat uiteraard vergezeld van een batterij die alles van spanning voorziet. Ontwikkel­bordjes die het bovenstaande combineren zijn al op de markt beschikbaar. Bij Vodafone worden meerdere bordjes gebruikt, bijvoorbeeld die van Sodaq, ­Tweetonig en Pycom.

De Sodaq Sara R410M is voorzien van een aantal standaard sensoren (eCompass, gps, versnellingsmeter, temperatuurmeter), een ATSAMD21-processor en uBlox R410M-modem voor mobiele datacommunicatie. Er is daarnaast ook nog een aansluiting voor een zonnecel. Combineer het bordje met een NB-IoT-­abonnement, zoals verkrijgbaar bij Vodafone [6], en je kunt aan de slag. Bij dit artikel hebben we de Sodaq SARA Arduino Form Factor (AFF) R410M gebruikt, maar inmiddels is ook er een kleiner bordje, namelijk de Sodaq SARA Small Form Factor (SFF) R410M. De afmetingen daarvan zijn 5,0 bij 2,5 cm.

Met een Sodaq R410M is makkelijk een IoT-device te maken.

Het versturen van data met een NB-IoT-modem is eenvoudig. Bij LoRaWAN was er nog sprake van een gateway, maar bij NB-IoT kunnen berichten door middel van TCP- en UDP-sockets rechtstreeks verstuurd worden naar een IPv4- of IPv6-adres. De sockets zijn uiteraard bidirectioneel: ze kunnen zowel data versturen als ontvangen. Een provider kan daarbij overigens gebruik maken van whitelisting: het IMEI-nummer en het IP-adres waarmee gecommuniceerd wordt, moeten dan aan elkaar gekoppeld worden. Dat om misbruik van IoT-devices, bijvoorbeeld door hacking, te voorkomen. De socket-abstractielaag bestaat al jaren en is bij veel programmeurs bekend.

Voor het Sodaq-board zijn er inmiddels library’s beschikbaar die de vertaalslag doen tussen socket-­calls en bijbehorende AT-commando’s (en meer zoals parsen en het afhandelen van metadata) van het modem. Ook wordt versleutelde communicatie ondersteund: er zijn voorzieningen voor HTTPS/SSL en een lokale, afgesloten opslag van sleutels.

Als het gaat om het energieverbruik bij een NB-IoT-sensor, dan zijn er 3 consumerende onderdelen: de sensoren, de cpu en het modem.

Sensoren zijn er in vele soorten en maten en het energieverbruik van sensoren is geheel afhankelijk van het type sensor. Zo zijn er sensoren die voor betrouwbare metingen altijd aan moeten staan, er zijn sensoren die een (korte) opstarttijd nodig hebben en er zijn sensoren die instant gebruikt kunnen worden. Een voorbeeld: de bewegingssensor op het ontwikkelbord, die bijvoorbeeld een interrupt kan genereren als hij beweging constateert, heeft in low-power-modus ongeveer 5 µA stroom nodig. Dat lijkt niet veel, maar hou er rekening mee dat zo’n sensor zijn werk jarenlang moet kunnen doen.

Het stroomverbruik verschilt natuurlijk per type processor. De cpu van het Sodaq-bordje heeft in actieve stand (enigszins afhankelijk van de te verwerken code) ongeveer 3,5 mA nodig. Uitgaande van een batterij van 3000 mAh (zoals die in hedendaagse telefoons zit), betekent dit dat zo’n cpu theoretisch gezien zo’n 850 uur oftewel ongeveer 35 dagen mee kan gaan. In de praktijk zal dat wel een stukje korter zijn door de eigenschappen van de batterij. Een periode van 35 dagen is in veel situaties (veel) te kort. Dat betekent dat de cpu gedurende langere tijden op stand-by of uitgezet moet worden.

NB-IoT is bedoeld voor het af en toe versturen van kleine hoeveelheden data. Inherent aan het gebruik van NB-IoT is daarmee dat het modem niet de hele tijd staat te zenden of ontvangen. Een limiet op het aantal berichten per uur, zoals bij LoRaWAN gebruikt wordt, is er niet. Wel hebben providers een limiet op de hoeveelheid MB’s die in een maand of jaar verstuurd mogen worden.

Omdat het modem niet continu hoeft te zenden of ontvangen, kan het op verschillende manieren terugschakelen. Ten eerste kun je met de eDRX-para­meters spelen en op die manier aangeven dat je minder of kortere tijdslots nodig hebt voor het zenden en ontvangen. Het modem blijft daarbij wel verbonden met de zendmast. Het modem kan ook in deep-sleep gezet worden, zodat het opzetten van de verbinding bij het ontwaken snel gebeurt – dan wordt de registratiefase overgeslagen. Het modem heeft al met al dus drie modi: active, connected en deep-sleep (ook wel power save mode oftewel PSM genoemd). In de tabel hieronder staat het bijbehorende stroomverbruik.

De active-modus bij het verzenden of ontvangen van data kost veruit de meeste stroom. Dat betekent dat het zenden en ontvangen ook veruit het meeste invloed heeft op het batterijverbruik. De snelheid van zenden ligt, uiteraard afhankelijk van de kwaliteit van het signaal, in de orde van tientallen kbit/s.

Het stroomverbruik laat duidelijk de verschillen tussen de verschillende modi zien.

Hoe gaat het nu vervolgens daadwerkelijk in de praktijk? Twee voorbeelden, gebaseerd op pilot-use-cases van ­5Groningen, die een indruk geven.

Voor een specifieke toepassing is het nodig dat een NB-IoT-device twee metingen doet: de temperatuur en de grondvochtigheid. Dat moet met een frequentie van één keer per uur. Die metingen moeten een maal daags (in bulk) verstuurd worden. Het device bevindt zich daarbij overigens 20-30 cm onder de grond.

Naast het meten moet het device bij het constateren van beweging wakker kunnen worden en dan gedurende 5 minuten om de seconde aanvullende metingen doen (X, Y en Z). Na die korte periode moet de sensor weer overgaan naar één meting per uur en die weer elke dag versturen. De periode waarin dat moet werken (zonder handmatige tussenkomsten) is een volledig jaar. Bij dat scenario is op de volgende manieren energie bespaard:

• De cpu is zodanig geprogrammeerd dat hij via een alarm-interrupt (via de realtime-clock) om het uur wakker wordt gemaakt. De rest van de tijd slaapt de cpu. Na het ontwaken wordt de meting uitgevoerd. Een keer per dag na zo’n meting wordt alle verzamelde data van de voorgaande 24 uur verstuurd. De cpu moet daarnaast ook wakker worden zodra er beweging is. De bewegingssensor staat daarom continu stand-by. Zodra er beweging geconstateerd is, geeft de sensor een externe interrupt naar de cpu, die op basis daarvan ontwaakt.
• Het modem staat standaard in de power-save-­modus. Zodra er een dag om is, zal de cpu de verzamelde data willen versturen en wordt daarom het modem wakker gemaakt (via een speciale toggle-pin: SARA_R4XX_TOGGLE). Het modem zal opnieuw verbinding maken (re-attachen) met het netwerk (connected-modus) en daarna de berichten verzenden (active-modus). De tijd die het duurt vanaf het wakker worden tot en met het verzenden blijkt afhankelijk van de kwaliteit van het signaal. Bij een goede dekking kost dat zo’n 30-40 seconden. De afbeelding op deze pagina geeft een overzicht van het energieverbruik in de verschillende modi.
• Alle andere componenten op het bord zijn uitgezet (usb-poorten, ongebruikte sensoren).

Op basis van de specificaties van de gebruikte componenten zou bovenstaande device, gebruik makend van een 3000mAh accu, het zo’n 25 jaar moeten kunnen volhouden. Het opnieuw opzetten van de verbinding kost daarbij de meeste stroom, evenals het verzenden van data. Schroef je dat op naar twee keer per dag, dan halveert de batterijduur.

Met een digitale stroomsensor is het daadwerkelijk verbruik gemeten om te kijken of die waarden klopten. Daarbij bleek dat de theoretische waarden nagenoeg één op één overeenkomen met het daadwerkelijk verbruik. Een levensduur van meer dan 15 jaar is daarmee in de praktijk dus mogelijk. Omdat de behoefte echter maar een jaar is, kan er dus flink bespaard worden op de accugrootte om het uiteindelijke device kleiner en goedkoper te kunnen maken.

Bij scenario 2 is een NB-IoT-device nodig dat twee metingen doet: de bladnatvochtigheid en de relatieve luchtvochtigheid (bestaande uit luchtvochtigheid en temperatuur), met een frequentie van minimaal één keer per uur – maar bij voorkeur vaker. De metingen moet één keer per dag in bulk verstuurd worden. Dat moet gedurende een periode van vier maanden kunnen blijven werken. Daarbij zijn dezelfde technieken als bij het eerste scenario gebruikt. Door de iets andere aard van de sensoren was het verbruik van de sensoren niet helemaal vergelijkbaar. In het eindplaatje verdwijnt dat echter bijna volledig omdat het opnieuw verbinden en het zenden zoveel energie kosten.In de praktijk blijkt het in dit scenario echter mogelijk te zijn om, met gemak, elke 10 minuten te meten. Voor het betreffende doel meer dan genoeg.

Het aansluitschema voor het tweede scenario.

Het maken van energiezuinige op NB-IoT gebaseerde oplossingen is met release 13 en 14 al heel goed mogelijk. Gecombineerd met een aantal slimme programmeertechnieken die goed gebruik maken van de power-save-modi zijn er, bij een standaardbatterij van 3000mAh, oplossingen haalbaar die jaren blijven werken zonder dat je er nog naar om hoeft te kijken. De belangrijkste energievreter is het opnieuw verbinden met het netwerk en het zenden en ontvangen van data.

Een grootschalige inzet van NB-IoT-devices wordt met de komst van 5G daardoor realiteit. Het mooie is dat je niet eens hoeft te wachten op release 15, maar dat je nu al aan de slag kunt. Een voor de 410M geforkte bibliotheek kun je zelf downloaden.

Jos Bredek, voor c’t magazine

Jos Bredek is docent-onderzoeker aan de HBO-ICT Network & Security-opleiding van de School for Communication, ­Media & IT van de Hanzehogeschool Groningen. Daarnaast is hij verbonden aan de EFRO Proeftuin 5Groningen, mede mogelijk gemaakt door Economische Zaken, de Europese Unie – Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling, SNN en Provincie Groningen. Met dank aan Niek Beukema en Rogier de Boer.