Power Consumption modeling of TCP and UDP over low power cellular networks for a constrained device

Abstract

Det økende antall ressursbegrensede Internet of Things-enheter utfordrer forskere og industri til å forbedre og utvikle ny kommunikasjonsteknologi, protokoller og enheter. Fremveksten av nye mobilnett LPWAN-teknologier som NB-IoT og LTE-M i rollen som forløpere for 5G har fått mye oppmerksomhet med løfter om ti års lang batterilevetid og billige enheter. Samtidig utvikles nye og forbedrede kommunikasjonsprotokoller, selv om de fleste fortsatt er basert på de velkjente UDP- og TCP-standardene. Det mangler forskning på hvor godt disse protokollene vil fungere for de nye mobilnettteknologiene, og denne oppgaven tar sikte på å vurdere dette.

Vi har utviklet en modell som kan brukes til å forutsi det totale strømforbruket til en mobil IoT-enhet som bruker den UDP-baserte CoAP-protokollen eller den TCP-baserte MQTT-protokollen over LTE-M eller NB-IoT. En utvikler kan bruke modellen uten omfattende kunnskap om mobil- eller protokollatferd for å estimere energibudsjettet for applikasjonen deres.

Vi baserte modellen på resultatene fra lineær regresjonsanalyse på målinger av energi brukt på overføringer med økende størrelse. Eksperimentene fant en lineær sammenheng mellom pakkestørrelse og energi for NB-IoT, mens det for LTE-M ikke ble funnet noen klar sammenheng. Imidlertid ble det også oppdaget at LTE-M er mer energieffektiv når meldingsstørrelsen overstiger en viss størrelse, gitt at modemet frigjøres tidlig fra nettverket etter overføring.

Et nRF9160 utviklingssett fra Nordic Semiconductor ble brukt til å samle data for eksperimentene og for å teste modellen. Estimater viser at 10-års batterilevetid er oppnåelig for en applikasjon som bruker CoAP eller MQTT over NB-IoT med overføringer på opptil 1280 byte hver 2. time, under antagelse av 4µA sovestrøm. Vi estimerte at den samme batterilevetiden er oppnåelig over LTE-M når du overfører samme datamengde hver fjerde time. CoAP presterte generelt bedre enn MQTT fra et energiforbrukssynspunkt.

The expanding number of constrained Internet of Things devices is challenging researches and industry to improve and develop new communication technology, protocols and devices. The emergence of new cellular LPWAN technologies like NB-IoT and LTE-M as precursors for 5G has garnered lots of attention with promises of decade-long battery life and cheap devices. Concurrently new and improved communication protocols are developed, though most are still based on the well known UDP and TCP standards. There is a lack of research on how well these protocols will perform on the new cellular technologies, which this thesis aims to assess.

We have devised a model that can be used for predicting the total power consumption of a cellular IoT device that uses the UDP based CoAP protocol or the TCP based MQTT protocol over LTE-M or NB-IoT. A developer can use the model without extensive knowledge about cellular or protocol behavior to estimate the energy budget of their application.

We based the model on the results from linear regression analysis on measurements of energy spent on transmissions with increasing payload sizes. The experiments found a linear relationship between payload size and energy for NB-IoT, while for LTE-M no clear relationship was found. However, it was also discovered that LTE-M is more energy efficient when the message payload exceeds a certain size, given that the modem is released early from the network after transmission.

An nRF9160 Development Kit from Nordic Semiconductor was used to gather data for the experiments and to test the model. Estimations show that 10-year battery life is achievable for an application using either CoAP or MQTT over NB-IoT with transmissions of up to 1280 bytes every 2 hours, under the assumption of 4µA sleep current. We estimated that the same battery life is achievable over LTE-M when transmitting the same amount of data every 4 hours. CoAP performed overall better than MQTT from an energy consumption standpoint.