Gerçek hayat senaryolarında dar bant nesnelerin interneti ve kategori 1 LTE modülünün güç tüketiminin karşılaştırılması
Comparison of power consumption between narrowband-internet of things (NB-IOT) and category 1 (CAT1) lte devices in real-life scenarios
Yazar: FURKAN KİRAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ TARIK VELİ MUMCU
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Uzun yıllar önce insanların sadece arama yapabildiği hücresel haberleşme teknolojisi zaman içerisinde gelişerek global internete bağlanabildiğimiz bir araç haline gelmiştir. İnternet kavramı sonucunda sadece insanların birbiri ile iletişimi değil aynı zamanda akla gelebilecek tüm nesnelerinde bilgi aktarması veya kontrolü amacı ile internete bağlanabilmesi nesnelerin interneti (IoT) kavramını ortaya çıkarmıştır. IoT'nin günden güne büyümesi hücresel haberleşmenin de IoT kategorisinde bir hizmet verebilmesi ihtiyacını doğurmuş ve bunun sonucunda NB-IoT, LTE-M ve CAT1bis gibi IoT odaklı ve telefonlarımızda kullandığımızdan farklı 4G kategorileri kullanıma açılmıştır. 
Günümüzde, NB-IoT güç tüketimi konusunda ve CAT1bis hızlı veri transferi konusunda öne çıkan iki hücresel IoT kategorileri olarak karşımıza çıkmaktadır ve kullanımı son derece yaygındır. Fakat, her iki kategori arasında hangi IoT ürünü için hangi teknolojinin kullanılması gerektiği henüz kesin bir çizgi ile belirlenememektedir. Bu karmaşadaki en önemli etken ise düşük güç tüketimi ile öne çıkan NB-IoT kategorisi ile gönderilmek istenen veri boyutu arttıkça, NB-IoT'ye göre çok daha hızlı veri transferi yapabilen CAT1bis kategorisinin NB-IoT'den daha düşük güç tüketimi performansı gösterip gösteremeyeceği şeklinde kesin bir sonucun olmamasıdır.
Bu çalışma her iki kategorinin100 Bayt ve 100 kilobayt arasında değişen veri transferleri yapma durumunda hangi boyuttaki veri transferi için hangi kategorinin kullanımının güç tüketimi açısından daha iyi performans göstereceğini ortaya koymayı hedeflermiştir. Bu çalışma ilk olarak teorik bir sonuç ortaya koyarak, sonrasında gerçek hayat testleri ile hesaplanan bu teorik ölçümlerin doğruluğunu test etmiş ve her iki kategori arasındaki güç tüketimi performans farkını 100 Bayt ve 100KB arasında ortaya koymuştur. 
Testler yapılırken SIMCom marka bir adet NB-IoT ve bir adet CAT1bis destekli modüller kullanılmıştır. İlk etapta bu modüllerin katalog verilerinden teorik olarak bir güç tüketimi hesaplaması ortaya koyulmuştur. Teorik hesaplamanın doğruluğunu artırmak amacı ile gerçek hayat testleri yapılmıştır. Gerçek hayat testlerinde her bir modül için 100 Bayt – 100KB arasında 7 farklı veri boyutu seçilmiş ve her bir veri boyutunu modüller bir TCP sunucusuna aktarırken güç tüketimleri ölçülmüş, her bir test seçilen 7 farklı boyut için 10 defa tekrar edilip ortalaması alınmıştır. Aynı zamanda, modülerin bu verileri kendi desteklediği ağ hızlarından bağımsız olarak ne kadar sürede gönderdiği eş zamanlı ölçülerek, her bir modül ve her bir veri boyutu için ağ gecikme süreleri kayıt altına alınmıştır. Son olarak, güç tüketimleri ve ağ gecikme süreleri interpolasyon yöntemi ile bir fonksiyon haline getirilmiş ve bu fonksiyon sayesinde teorik hesaplamanın doğruluğu artırılmıştır. Sonuçlar, NB-IoT kategorisinin 53KB ve altında veri transferi yapılması durumunda daha düşük güç tüketimi sağladığını ortaya koymuştur.

Abstract:
Years ago, cellular communication technology, which initially allowed people to make calls, has evolved over time to become a tool through which we can connect to the global internet. The concept of the internet has not only revolutionized human communication but also led to the emergence of the Internet of Things (IoT), where all imaginable objects can connect to the internet for information transfer or control. The growth of IoT has created a need for cellular communication to provide services within the IoT category. As a result, IoT-focused 4G categories different from those used in our phones, such as NB-IoT, LTE-M, and CAT1bis, have been introduced. 
Today, NB-IoT stands out for its low power consumption, and CAT1bis is notable for its fast data transfer speeds. Both are widely used cellular IoT categories. However, it remains unclear which technology should be used for which IoT product. The most significant factor contributing to this confusion is whether CAT1bis, known for its faster data transfer compared to NB-IoT, can achieve lower power consumption performance than NB-IoT as the data size increases. 
This study aims to determine which category, NB-IoT or CAT1bis, performs better in terms of power consumption for data transfers ranging from 100 bytes to 100 kilobytes. Initially, the study provides theoretical results, followed by real-life tests to verify the accuracy of these theoretical measurements. The power consumption performance difference between the two categories for data sizes between 100 bytes and 100KB is demonstrated. 
During the tests, one NB-IoT and one CAT1bis supported module from SIMCom were used. Initially, a theoretical power consumption calculation was derived from the catalog data of these modules. To increase the accuracy of the theoretical calculation, real-life tests were conducted. In the real-life tests, seven different data sizes ranging from 100 bytes to 100 KB were selected for each module, and their power consumption was measured while the modules transmitted each data size to a TCP server. Each test was repeated 10 times for the selected seven different sizes, and the average was taken. Simultaneously, the time it took for the modules to send this data, regardless of their supported network speeds, was measured, and the network latency times were recorded for each module and each data size. Finally, the power consumption and network latency times were interpolated into a function, which increased the accuracy of the theoretical calculation. The results revealed that the NB-IoT category provided lower power consumption when transferring data sizes of 53 KB or less.