Energieeffizientes IoT: Carbon-Footprint-Analyse von NB-IoT und mioty®

Im Rahmen des Hubs »Sensor-Edge-Cloud« wurde ein Benchmark zweier LPWAN-Technologien, NB-IoT und mioty®, in einem definierten industriellen Metering-Szenario durchgeführt. Im Folgenden werden die Global Warming Potentials (GWP) zweier Sensorsysteme miteinander verglichen. Beide Systeme erfassen die Temperatur und den Durchfluss einer Warmwasserleitung und übertragen die Messwerte mit einem festen Intervall von 15 Minuten an eine Cloud-Infrastruktur. Die Leistungsaufnahme für Sensorik und Datenverarbeitung wird in beiden Szenarien als identisch angenommen. Die hypothetische Lebensdauer der Systeme beträgt 10 Jahre. Der einzige Unterschied zwischen den betrachteten Systemen liegt in der verwendeten Übertragungstechnologie: NB-IoT versus mioty®.

Die GWPs der beiden Systeme werden ermittelt, indem die CO₂-Äquivalente der einzelnen Komponenten (integrierte Schaltungen, passive Bauelemente, Leiterplatte, Batterie etc.) berechnet und anschließend summiert werden.

Hardwarevergleich NB-IoT und mioty®

Als erster Schritt wurde die Bauteilliste beider Systeme untersucht. Die Bauteilgruppe des NB-IoT Systems unterscheidet sich in folgenden wesentlichen Bauteilen:

• Passive Komponenten: 13 zusätzliche Bauteile im Vergleich zu mioty® Sensorsystem
• Integrierte Schaltungen (ICs): zusätzliche SIM, Modem, Flash, µC, PA (Flächen: 30, 76, 12,6 und 4 mm²)
• Modem Oszillator: 2 zusätzliche Bauteile im Vergleich zu mioty® Sensorsystem
• Modem Shield: 0,7g Aluminium mehr im Vergleich zu mioty® Sensorsystem

Systemvergleich mit Fokus auf Energieverbrauch und GWP-Energieverbrauch

Um den Effekt auf den GWP durch die Funktechnologie isoliert zu betrachten, wird bei beiden Systemen lediglich die Payload Größe variiert. Folgende Graphik (Abbildung 1) stellt den Energieverbrauch pro Byte Payload der beiden Funktechnologien gegenüber.

Bei NB-IoT gibt es für den Uplink einen Subträgerabstand von 3,75kHz oder 15kHz.

Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, ist der Energieverbrauch des Uplinks mit 15kHz deutlich geringer. Daher wird im Folgenden von einer NB-IoT Konfiguration mit RAI1 – 15kHz im Uplink ausgegangen.

Es ist zu berücksichtigen, dass der reale Energieverbrauch von NB-IoT beispielweise durch höhere Wiederholraten, eine ungünstigere Subträgeraufteilung oder eine stärkere Netzauslastung voraussichtlich deutlich über den in diesem Szenario getroffenen Annahmen liegen würde. Die hier dargestellten Ergebnisse zugunsten von mioty® wären im realen Einsatz also noch ausgeprägter. Das betrachtete Szenario ist somit als Best-Case für NB-IoT zu verstehen.

GWP in der Herstellung

Das GWP steigt in beiden Use Cases mit zunehmender Payload, da hierfür jeweils größere Batterien erforderlich sind. Da der spezifische Energieverbrauch von NB-IoT bei großen Payloads günstiger wird, ergibt sich ein Break-Even-Point, ab dem das insgesamte GWP des NB-IoT Systems geringer ausfällt als das GWP des mioty® Systems. Nachfolgende Graphik in Abbildung 2 stellt diesen Verlauf des GWPs gegenüber.

Aus der Darstellung wird deutlich, dass der Break-Even-Point bei einer Payload von rund 800 Bytes liegt.

In der folgenden Tabelle 1 sind exemplarische GWP-Werte für mioty® und NB-IoT gegenübergestellt

Payload [Bytes]	GWP mioty® [kg CO2 eq]	GWP NB IoT [kg CO2 eq]
50	1,92	5,49
100	2,18	5,52
200	2,70	5,57
400	3,75	5,66
1000	6,9	5,95

Detailansicht des Breakeven Points bei 800 Byte Payload

Die nachfolgenden Diagramme in Abbildung 3 zeigen die Anteile die relativen Beiträge der einzelnen Komponenten zum gesamten GWP der beiden Systeme. In beiden Fällen entfällt der größte Anteil auf die Batterie. Beim NB-IoT-System ist zudem der Beitrag der integrierten Schaltungen (ICs) höher, da unter anderem eine SIM-Karte und ein Modem erforderlich sind.

Abschließend lässt sich festhalten, dass ein Sensorsystem mit mioty® bei kleinen Nutzlasten ein um ein Vielfaches geringeres GWP aufweist als ein vergleichbares Sensorsystem mit NB-IoT. Bei einer Payload von 50 Bytes und einem Sendeintervall von 15 Minuten ergibt sich eine GWP-Reduktion von rund 65 %, und selbst bei 400 Bytes liegt das Einsparpotenzial noch bei über 33 %. Damit lässt sich in den meisten Anwendungen im Metering das GWP des Funksensors durch den Einsatz von mioty® signifikant reduzieren.