یکی از چالشهای اصلی اینترنت اشیا (IoT) تأمین انرژی دستگاههای مستقر شده است. شبکههای سلولی سنتی برای دستگاههای محاسباتی شخصی طراحی شدهاند که کاربران میتوانند بهراحتی آنها را شارژ کنند. اما در حوزه اینترنت اشیا، جایی که ممکن است هزاران دستگاه بدون نظارت فیزیکی منظم مستقر شوند، راهحل مشابهی بهندرت وجود دارد.
در این مقاله، دو راهحل بالقوه برای این مشکل، یعنی PSM (حالت صرفهجویی در انرژی) و eDRX را بررسی میکنیم، بهویژه در زمینه فناوریهای شبکه گسترده کممصرف (Low Power Wide Area Network) مانند NB-IoT و LTE-M.
فهرست مطالب
PSM چیست؟
PSM یا حالت صرفهجویی در انرژی (Power-Saving Mode)، یکی از ویژگیهای جدید شبکههای سلولی است که بهطور خاص برای دستگاههای اینترنت اشیا طراحی شده است. همانطور که از نامش پیداست، این ویژگی به دستگاههای غیرفعال اجازه میدهد در حالت کممصرف قرار گیرند و در زمانی که دستگاه IoT استفاده نمیشود، حداکثر انرژی را ذخیره کنند.
این ویژگی کنترل بیشتری بر زمان و میزان مصرف انرژی فراهم میکند. PSM نقش کلیدی در کاهش هزینههای مرتبط با انرژی، کاهش ترافیک شبکه و افزایش طول عمر دستگاهها دارد. کاربران میتوانند این ویژگی را بر اساس قوانین و نیازهای خود فعال یا غیرفعال کنند.
eDRX چیست؟
مانند PSM، ویژگی eDRX (Extended Discontinuous Reception) نیز یک قابلیت صرفهجویی در انرژی در شبکههای سلولی است. با این حال، این ویژگی بهطور خاص برای دستگاههای موبایلی طراحی شده است، نه صرفاً برای بخش اینترنت اشیا.
تفاوت اصلی eDRX با PSM در زمان اتصال دستگاهها به شبکه است. eDRX به دستگاهها اجازه میدهد در صورت نیاز از شبکه قطع شده و دوباره متصل شوند، که این امر زمان صرفشده در حالت رومینگ را کاهش میدهد و در نتیجه مصرف انرژی را کم میکند.
eDRX یک حالت خواب است که میتواند برای چند دقیقه، چند ساعت یا حتی چند روز ادامه داشته باشد. مشابه PSM، این ویژگی به کاربران اجازه میدهد قوانین و نیازهای خود را برای فعالسازی آن تنظیم کنند.
اهمیت افزایش طول عمر باتری
ویژگیهای PSM و eDRX برای دستگاههای اینترنت اشیا، بهویژه دستگاههای مجهز به باتری مانند حسگرها (sensors)، از اهمیت بالایی برخوردارند. دلایل این اهمیت عبارتاند از:
- کاهش نیاز به نگهداری: ویژگیهایی که طول عمر باتری دستگاههای موبایلی را افزایش میدهند، نیاز به نگهداری این دستگاهها را کاهش میدهند. بهعنوان مثال، دستگاهها زمان کمتری به شارژر متصل خواهند بود. در نتیجه، هزینههای تعویض باتری کاهش مییابد و نیاز به تعامل فیزیکی با دستگاهها کمتر میشود.
- صرفهجویی در پهنای باند شبکه: کاهش مصرف انرژی در شبکه سلولی معمولاً به معنای کاهش استفاده دستگاه از شبکه یا حتی خاموش شدن کامل آن است. این امر پهنای باند ارزشمندی را در شبکه ذخیره میکند و شبکه را برای سایر کاربران سریع و کارآمد نگه میدارد.
- افزایش طول عمر دستگاه: افزایش طول عمر باتری میتواند طول عمر خود دستگاه را نیز افزایش دهد. همه حسگرها و دستگاههای مجهز به باتری، باتری قابل تعویض ندارند و حتی آنهایی که باتری قابل تعویض دارند، همیشه در مکانهای قابلدسترس مستقر نمیشوند. افزایش طول عمر باتری این چالشها را کاهش میدهد.
ویژگیهایی مانند PSM و eDRX در درازمدت باعث صرفهجویی در هزینههای انرژی و نگهداری میشوند، که با افزایش تعداد دستگاههای اینترنت اشیا، به یک نقطه قوت فروش ارزشمند تبدیل میشود.
صرفهجویی در انرژی با NB-IoT و LTE-M
NB-IoT (اینترنت اشیای باند باریک) بهطور ذاتی یک اتصال سلولی کممصرف است. این شبکهها از کانال سلولی متفاوتی نسبت به اتصالات 5G و LTE استفاده میکنند و گزینهای کممصرف را بهطور اختصاصی برای دستگاههای اینترنت اشیا فراهم میکنند. LTE-M و LTE Cat M1 نیز گزینههای شبکهای مشابهی برای دستگاههای IoT هستند که بهطور پیشفرض کممصرف طراحی شدهاند.
این شبکهها پهنای باند پایینی دارند، به این معنا که فقط اجازه ارسال بستههای داده کوچک را به تجهیزات کاربران (User Equipment) میدهند. با این حال، برای دستگاههای IoT مانند حسگرها، این میزان توان کافی است. این ویژگی مانع از تخلیه باتری دستگاهها به دلیل مصرف انرژی غیرضروری شبکه میشود.
فعالسازی PSM
PSM اساساً “حالت خواب” برای دستگاههای اینترنت اشیا است. در نتیجه، دستگاههای IoT (بهویژه حسگرها) نیازی به حفظ ارتباط کامل با شبکه سلولی در تمام طول روز ندارند.
در عوض، PSM دستگاه را بیشتر اوقات در حالت خواب نگه میدارد. دستگاه بهصورت دورهای به شبکه متصل میشود تا دادهها را ارسال کند، برای دریافت دادهها و دستورات در حالت غیرفعال (idle) قرار میگیرد و سپس به حالت خواب ناشی از PSM بازمیگردد.
برای فعالسازی PSM، هم شبکه و هم دستگاه موبایلی باید از این ویژگی پشتیبانی کنند. در طول فرآیندهای Attach یا Tracking Area Update، دستگاه موبایلی PSM را با مذاکره درباره دو تایمر با شبکه فعال میکند: تایمر فعال T3324 و تایمر بهروزرسانی دورهای گسترده T3412.
شبکه ممکن است این مقادیر تایمر را بپذیرد یا مقادیر جدیدی تنظیم کند. همچنین اگر شبکه از PSM پشتیبانی نکند، ممکن است درخواست را کاملاً رد کند. تفاوت بین این دو تایمر، مدتزمانی است که دستگاه میتواند در حالت صرفهجویی در انرژی باقی بماند (T3412 – T3324).
فعالسازی eDRX
eDRX حالت غیرفعال (idle mode) را مدیریت میکند، نه اینکه حالت خواب را القا کند. این ویژگی به کاربر نهایی اجازه میدهد تا تنظیم کند که دستگاه چه زمانی وارد حالت غیرفعال شود، چه عملکردهایی در این حالت در دسترس باشند و چه مقدار انرژی در این حالت مصرف شود. eDRX بسته به اپراتور شبکه در دسترس است.
ابتدا، دستگاه کاربر در طول فرآیندهای ATTACH و TAU پارامترهای eDRX را درخواست میکند. سپس، شبکه موبایلی ممکن است بر اساس پیکربندی شبکه، درخواست دستگاه را بپذیرد یا رد کند.
شبکه همچنین میتواند پارامترهای eDRX متفاوتی نسبت به درخواستشده پیشنهاد دهد. با این حال، دستگاه همیشه باید پارامترهای ارسالی توسط شبکه را اعمال کند.
پس از مذاکره موفق پارامترهای eDRX بین دستگاه و شبکه، شبکه میداند چه زمانی باید دستگاه را پیدا کرده و پیامرسانی (paging) کند. در طول eDRX، هرگونه داده یا پیامی که به دستگاه ارسال شود، در صف قرار میگیرد و زمانی که گیرنده دستگاه دوباره روشن شود، تحویل داده میشود.
معایب این ویژگیها
اگرچه PSM و eDRX راهحلهای قدرتمندی برای کسبوکارهای اینترنت اشیا هستند، اما چند عیب نیز دارند. ممکن است اپراتور شما هیچکدام از این فناوریها را ارائه ندهد. علاوه بر این، دستگاههای مجهز به PSM در فواصل زمانی منظم غیرقابلدسترس خواهند بود، که در برخی شرایط ممکن است مشکلساز شود.
منبع: iotforall