Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Energy Consumption of Low Power Wide Area Network Node Devices in the Industrial, Scientific and Medical Band
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Low-Power Wide-Area Networks, LPWANs, achieve long communication ranges with a low energy consumption by communicating at low bit rates. Most LPWAN devices are battery powered and are required to operate for an extended period of time, which stresses the requirements for energy efficiency. This thesis investigates the energy consumption of LPWAN devices operating in the Industrial, Scientific and Medical, ISM, band and how use cases affect the consumption. Specifically, LoRa/LoRaWAN and Sigfox are examined. Their key characteristics are described and energy consumption is modelled. The models are verified by comparing the model outputs with measured power consumption of LoRa and Sigfox devices. Through the models, design parameters are investigated with regards to consumption, and product lifetime are estimated. The influence of use cases on energy consumption is explored by measuring the Package Delivery Ratio, PDR, at different ranges using various bit transmission rates.The results showed that the bitrate, data redundancy and protocol overhead were among parameters which could be used to optimise energy efficiency. It was also shown, that the device lifetimes could be significantly increased by increasing the transmission interval and removing message acknowledgements. Realistically, LoRa devices can have a lifetime of more than 10 years and Sigfox 3 years, using a 2800 mWh battery. The use case tests showed that a 100 % PDR should not be expected at any bitrate, but lower bitrates and messaging redundancy increase the likelihood of a successful package delivery. Hence, there is a tradeoff between low energy consumption and range/reliability. Additionally, it was found that a low node to gateway distance and a high gateway density increase the probability of a successful transaction. Thus, the power consumption is tightly coupled to the network configuration.

Abstract [sv]

Low-Power Wide-Area Networks, LPWANs, uppnår långa kommunikationsräckvidder med låg energiförbrukning genom att kommunicera med låga bithastigheter. De flesta enheter är batteridrivna och måste operera över längre tid, vilket ökar kraven för energieffektivitet. Denna avhandling undersöker energiförbrukningen för LPWAN enheter i det industriella, vetenskapliga och medicinska ISM bandet och hur olika användningsfall påverkar förbrukningen. Specifikt undersöks LoRa/LoRaWAN och Sigfox. Deras viktigaste egenskaper beskrivs och deras energiförbrukning modelleras. Modellerna verifieras genom att jämföra resultaten från modellerna med uppmätt effektförbrukning av LoRa och Sigfox-enheter. Genom modellerna undersöks även designparametrar med avseende på strömkonsumtion och produktens livslängd uppskattas. Påverkan användningsfall har på energiförbrukning undersöks genom att mäta Package Delivery Ratio, PDR, vid olika avstånd och bitöverföringshastigheter.Resultaten visade att bitraten, dataredundansen och protokollstorleken var bland parametrar som kunde användas för att optimera energieffektiviteten. Det visades också att enhetens livslängd kunde ökas signifikant genom att öka överföringsintervallet och ta bort meddelandebekräftelser. Realistiskt kan LoRaenheter ha en livslängd på mer än 10 år och Sigfox 3 år, med ett batteri på 2800 mWh. Resultatet av olika test visade att en 100 % PDR inte bör förväntas vid någon bitrate, men lägre bitrater och redundans för meddelanden ökar sannolikheten för en paketleverans. Det finns därför en avvägning mellan låg energiförbrukning och räckvidd och sannolikheten för en lyckad packetleverans. Dessutom konstaterades att en låg nod till gateway-avstånd och en hög gateway-densitet ökar sannolikheten för att transaktioner lyckas. Således är energiförbrukningen tätt kopplad till nätverkskonfigurationen.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 96
Series
TRITA-EECS-EX ; 2019:587
Keywords [en]
LoRa, LoRaWAN, Sigfox, IoT, LPWAN, energy consumption, energy optimisation
Keywords [sv]
LoRa, LoRaWAN, Sigfox, IoT, LPWAN, strömforbrukning, energioptimering
National Category
Computer and Information Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-259508OAI: oai:DiVA.org:kth-259508DiVA, id: diva2:1351642
External cooperation
Prevas AB
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-09-16 Created: 2019-09-16 Last updated: 2019-09-16Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(7644 kB)25 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 7644 kBChecksum SHA-512
72f8c6affc25d73d5c6568eb8ed801985f03afdfc7e0baf5902d1392e4c51fd2deed0656577cebf34de69f499d50cdbcf7e4ccea6977b30bfd7833c617539a85
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS)
Computer and Information Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 25 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 54 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf