Energieverbrauch von LoRaWAN vs. NB-IoT im Asset-Tracking

LoRaWAN und NB-IoT sind zwei führende LPWAN-Technologien für Asset-Tracking, unterscheiden sich jedoch erheblich im Energieverbrauch. LoRaWAN ist energieeffizienter, da es asynchron arbeitet, extrem niedrigen Schlafstrom (1–2 µA) nutzt und seltene, kurze Übertragungen erlaubt – dies ermöglicht Batterielaufzeiten von 10+ Jahren. NB-IoT verbraucht mehr Energie, da es eine ständige Netzsynchronisation benötigt und beim Senden (bis zu 220 mA) deutlich mehr Strom zieht, kann aber durch bessere Netzabdeckung punkten. In städtischen Umgebungen ist LoRaWAN oft effizienter, während NB-IoT in entlegenen Regionen mit schwacher Netzversorgung funktioniert, dort aber erheblich mehr Energie verbraucht. Fazit: Für langlaufende, batteriebetriebene Tracker ist LoRaWAN meist die bessere Wahl, während NB-IoT Vorteile in bestehenden Mobilfunknetzen bietet.

Ich werde eine Untersuchung zum Energieverbrauch von LoRaWAN und NB-IoT speziell für Asset-Tracking-Anwendungen durchführen. Dabei werde ich mich auf akademische Studien konzentrieren, um eine fundierte Analyse zu liefern. Ich werde die Ergebnisse bald mit dir teilen.

Energieverbrauch von LoRaWAN vs. NB-IoT im Asset-Tracking

In Asset-Tracking-Szenarien (z.B. vernetzte GPS-Tracker für Güter) sind ein geringer Energieverbrauch und lange Batterielaufzeiten entscheidend. LoRaWAN und NB-IoT gehören zu den Low-Power-WAN-Technologien (LPWAN), die genau dies ermöglichen sollen. Trotz ähnlicher Zielsetzungen unterscheiden sie sich deutlich in ihrem Energiebedarf und Verhalten. Im Folgenden werden auf Basis wissenschaftlicher Studien die wichtigsten Aspekte – Stromverbrauch in Ruhe und beim Senden, erwartete Batterielaufzeit, Einfluss von Signalstärke/Netzabdeckung, Unterschiede in urbaner vs. ländlicher Umgebung sowie Datenrate und Sendeintervall – ausführlich verglichen.

Stromverbrauch im Ruhemodus vs. Sendezustand

LoRaWAN-Endgeräte (Klasse A) verbleiben die meiste Zeit in einem Tiefschlafmodus und wachen nur zum Senden oder für kurze Empfangsfenster auf. Dadurch ist ihr Standby-Stromverbrauch extrem gering – typischerweise im Bereich von ~1–2 µA (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). Im Empfangsbereitschaftsmodus (z.B. bei offenem Fenster nach einer Sendung) steigt der Bedarf auf rund 10–20 mA (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). NB-IoT-Module können durch den Power Saving Mode (PSM) ähnlich in einen Tiefschlaf gehen, liegen dort aber leicht höher bei etwa ~6–8 µA Ruhestrom (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). Wird kein PSM genutzt (um z.B. jederzeit empfangsbereit zu sein), verbraucht ein NB-IoT Gerät im Idle-Zustand typisch ca. 9 mA kontinuierlich (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption) – ein Wert, der deutlich über LoRaWANs Schlafmodus liegt und ohne PSM die Batterielaufzeit stark beeinträchtigen würde.

Im Sendebetrieb zeigen sich noch deutlichere Unterschiede in den Stromspitzen: LoRaWAN-Funkmodule benötigen beim Senden typischerweise einige Dutzend Milliampere. Ein Beispiel ist der Semtech SX1276 (LoRa-Chip), der bei 14 dBm Sendeleistung etwa 87 mA Strom zieht (). NB-IoT-Module senden meist mit höherer Leistung (bis 23 dBm) und ziehen entsprechend mehr Strom – z.B. ca. 130–240 mA im Durchschnitt, mit Spitzen bis ~0,5 A laut Datenblatt (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). Praktische Messungen eines U-Blox SARA N2 NB-IoT Moduls zeigen etwa 220 mA beim Uplink-Senden mit 23 dBm Ausgangsleistung (). In der Regel gilt: NB-IoT benötigt im Sendevorgang spürbar mehr Strom als LoRaWAN, was vor allem auf die breitere Bandbreite und die aufwendigeren Protokollabläufe (OFDMA/verschiedene Subcarrier bei NB-IoT) zurückgeführt wird (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). Allerdings ist zu beachten, dass diese hohen Ströme nur kurzzeitig während der Funkübertragung fließen und beide Technologien insgesamt einen duty-cycle von weit unter 1% haben.

Zusammenfassend kann festgehalten werden:

• LoRaWAN: Tiefschlaf ca. 1–2 µA (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption), Senden meist 40–100 mA (abhängig von Sendeleistung, hier 87 mA @14 dBm ()). Empfangsfenster kurz (~millisekunden) mit ~10–20 mA (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption), ansonsten Schlafmodus.
• NB-IoT: Tiefschlaf ca. 6–8 µA (PSM) (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption), aber im verbundenen Idle-Modus ~9 mA Dauerstrom (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). Senden typisch 130–220 mA (@23 dBm) (), ggf. mit kurzen Peaks höher.

Die effektive Energieaufnahme pro Nachricht hängt somit stark davon ab, wie effizient das Gerät Schlafphasen nutzen kann. Hier hat LoRaWAN (Klasse A) den Vorteil, komplett asynchron zu sein – das Gerät muss sich nicht dauerhaft an eine Netzinf rastuktur „ankoppeln“. NB-IoT kann mit PSM ähnliches erreichen, erfordert jedoch einen Netzattach und ggf. kurze Aufwachphasen für Netzaktualisierungen.

Batterielaufzeit in typischen Szenarien

Hersteller und Standardisierungsgremien versprechen für beide Technologien eine Batterielaufzeit im Bereich vieler Jahre. In der Praxis hängt diese aber von Sendehäufigkeit, Übertragungsdauer und Netzparameter ab. LoRaWAN ist speziell auf minimale Leistungsaufnahme optimiert und in vielen Anwendungen (z.B. Zähler, Umwelt-Sensoren) sind >10 Jahre Laufzeit mit einer Batterie realistisch (LoRaWAN vs NB-IoT). NB-IoT wurde von 3GPP ebenfalls mit dem Ziel 10 Jahre+ Laufzeit (bei typischen IoT-Datenraten) entwickelt. Allerdings zeigen direkte Vergleiche, dass LoRaWAN häufig eine längere Batterielebensdauer erzielt als NB-IoT unter ähnlichen Bedingungen (Survey of IoT for Developing Countries: Performance Analysis of LoRaWAN and Cellular NB-IoT Networks).

Eine detaillierte Messstudie (KTH, 2020) hat die Batterielaufzeiten beider Technologien unter gleichen Bedingungen hochgerechnet. Angenommen wurde ein 3000 mAh-Akku und eine Übertragung pro Stunde (100-Byte-Nachricht). Die Ergebnisse zeigen: LoRaWAN (SF7) könnte in diesem Szenario auf ca. 32,7 Jahre Laufzeit kommen, während NB-IoT auf etwa 19,8 Jahre kommt (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). Bei LoRaWAN mit einem sehr langsamen Datenrate-Modus (SF12) sank die erwartete Laufzeit auf rund 12,9 Jahre (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). LoRaWAN erreicht hier also im günstigsten Fall ~65% längere Lebensdauer als NB-IoT. NB-IoT lag in dem Szenario wiederum deutlich vor dem ungünstigsten LoRaWAN-Fall (SF12), da bei SF12 die Sendezeit extrem lang ist. Allgemein bestätigt die Studie, dass LoRaWAN mit niedrigen Spreading Factors die längste Batterielebensdauer bietet, während NB-IoT in guter Netzabdeckung besser abschneidet als LoRaWAN mit maximaler Spreizung (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption) (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). NB-IoT verbraucht mehr Energie u.a. wegen der notwendigen Synchronisation und der OFDM-basierten Übertragung (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption).

Auch andere Untersuchungen kommen zu ähnlichen Ergebnissen. Ein GSMA Report attestierte LoRaWAN eine 3–5× längere Batterielaufzeit gegenüber anderen LPWAN-Technologien einschließlich NB-IoT (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). In einer vergleichenden Messung verbrauchte NB-IoT für den Netzbeitritt und den Versand einer typischen Nutzlast signifikant mehr Energie: rund 2 mAh mehr allein für die Netzregistrierung und nochmals ~1,7 mAh zusätzlich pro 44-Byte-Datenpaket im Vergleich zu LoRaWAN (Survey of IoT for Developing Countries: Performance Analysis of LoRaWAN and Cellular NB-IoT Networks). Das heißt, bereits das Herstellen der Verbindung zu einem NB-IoT-Netz kostete hier so viel Strom wie bei LoRaWAN der Versand Hunderter Nachrichten. Entsprechend kann LoRaWAN in Anwendungen ohne Toleranz für verzögerte Sammelübertragungen eine bis zu zehnfach längere Batterielebensdauer erzielen als NB-IoT (). Allerdings bietet NB-IoT im Gegenzug andere Vorteile wie höheres Datenvolumen, Zuverlässigkeit und echte QoS (siehe unten), die in manchen Anwendungen den höheren Energiebedarf rechtfertigen ().

Wichtig ist zu beachten, dass angegebene Laufzeiten meist Idealwerte sind. Ein Praxisversuch in einem Gewächshaus (Precision Agriculture) zeigte, dass die tatsächliche Batterielebensdauer in realen Umgebungen deutlich unter den theoretischen Werten liegen kann (
Energy Consumption Analysis of LPWAN Technologies and Lifetime Estimation for IoT Application – PMC
) (
Energy Consumption Analysis of LPWAN Technologies and Lifetime Estimation for IoT Application – PMC
). Gründe dafür sind z.B. häufiger als geplant nötige Übertragungen (durch Wiederholungen bei Funkstörungen), Temperatur, Selbstentladung, sowie Abweichungen der Geräte vom Idealverbrauch. Dennoch lässt sich festhalten: LoRaWAN überzeugt in Sachen Energieeffizienz tendenziell mehr als NB-IoT, insbesondere bei Geräten, die selten senden. NB-IoT erreicht seine angepeilten >10 Jahre meist nur unter optimalen Einstellungen (PSM, lange Schlafintervalle, gute Signalbedingungen) – in der Praxis berichtet die Industrie eher von ~5–10 Jahren, während LoRaWAN-Geräte häufig >10 Jahre erreichen können (LoRaWAN vs NB-IoT).

Beispielhafte Vergleichswerte

Nachfolgend sind einige Kenngrößen tabellarisch gegenübergestellt, um die Unterschiede greifbarer zu machen:

Parameter	LoRaWAN	NB-IoT
Standby-Strom (Tiefschlaf)	ca. 1–2 µA (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption) (Kl. A Gerät schläft fast immer)	ca. 6–8 µA (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption) (mit PSM-Schlafmodus)
Idle-Strom (empfangsbereit)	~21 mA (im Empfangsfenster, sonst Schlaf) (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption)	~9 mA (angemeldet, PSM aus, eDRX idle) (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption)
Sende-Strom (Peak)	~87 mA @ 14 dBm Sendeleistung ()	~220 mA @ 23 dBm Sendeleistung ()
Sendezeit für 100 Byte	0,15–0,25 s (SF7) bis ~4 s (SF12) () ()	~1–2 s (einzelner NB-IoT Uplink bei guter Abdeckung) (Survey of IoT for Developing Countries: Performance Analysis of LoRaWAN and Cellular NB-IoT Networks)
Energie pro 12-Byte Paket	~0,3 mJ (SF7) bis 6,7 mJ (SF12) ()	stark variabel nach Empfang: z.B. +1,7 mAh (~18 J) mehr als LoRa bei 44 B (Survey of IoT for Developing Countries: Performance Analysis of LoRaWAN and Cellular NB-IoT Networks)
Batterielaufzeit (1 Msg/Std, 3Ah)	~33 Jahre (gute Funkbed., SF7) bis ~13 Jahre (SF12) (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption)	~20 Jahre (gute Abdeckung, minimaler Overhead) (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption)
Netzbeitritt (OTAA vs. Attach)	wenige kurze Frames (OTAA-Join, je nach SF 62–581 mJ) ()	hoher Initialaufwand: ~2 mAh Mehrverbrauch vs. LoRaWAN (Survey of IoT for Developing Countries: Performance Analysis of LoRaWAN and Cellular NB-IoT Networks)

Tab.: Vergleich wichtiger Energiekennzahlen von LoRaWAN vs. NB-IoT. (LoRaWAN-Werte für Klasse A, EU 868 MHz; NB-IoT für NB1 im PSM-Betrieb sofern nicht anders angegeben. Angaben können je nach Hardware leicht variieren.)

Einfluss von Netzwerkdichte und Signalstärke

Die Funkabdeckung und Signalqualität haben einen erheblichen Einfluss auf den Energieverbrauch beider Systeme. Grundsätzlich gilt: Je schlechter das Signal am Gerät (z.B. weite Entfernung zur Basisstation oder Gateway, Abschattungen), desto mehr Energie muss aufgewendet werden, um Daten erfolgreich zu übertragen. Allerdings gehen LoRaWAN und NB-IoT unterschiedlich damit um:

• LoRaWAN passt die Übertragungsparameter an (Adaptive Data Rate): Ein entferntes oder schlecht versorgtes LoRa-Gerät nutzt einen höheren Spreading Factor (SF) und evtl. höhere Sendeleistung, was die Reichweite erhöht, aber die Sendedauer exponentiell verlängert. Studien zeigen, dass ein LoRa-Paket bei SF12 etwa 32× mehr Energie verbraucht als das gleiche Paket bei SF7 (niedriger SF) (). Hintergrund: Bei SF12 ist die Luftzeit eines Datenpakets deutlich länger (mehr als 2 Sekunden für ~50 Byte) als bei SF7 (~50 Millisekunden) (), wodurch das Funkmodul wesentlich länger aktiv ist. Die höhere Energie pro Bit bei langsamer Modulation wurde experimentell bestätigt – z.B. benötigte DR0/SF12 in einem Test 6,69 mJ für 12 Byte gegenüber 0,30 mJ bei DR5/SF7 (). Diese 32-fache Differenz verdeutlicht den Preis der maximalen Reichweite. Immerhin skaliert der Energieverbrauch bei LoRaWAN kontinuierlich mit der Empfangsqualität: In besserer Abdeckung kann durch geringere SF (oder Reduktion der Sendeleistung via ADR) Energie eingespart werden.

• NB-IoT verwendet Wiederholungen und längere Verbindungszeiten („Coverage Enhancement“) bei schwachem Signal. Ist der Empfang schlecht, sendet das NB-IoT-Gerät jedes Datenpaket mehrfach (bis zu 128×) und nutzt alle verfügbaren Reserves (maximale Sendeleistung, längere Nachhörfenster). Dies erhöht die Erfolgswahrscheinlichkeit drastisch, geht aber zu Lasten der Energie. Messungen haben gezeigt, dass im schlechtesten Empfangsfall der durchschnittliche Energiebedarf pro Nachricht um das 37-fache höher sein kann als im Bestfall (). Konkret wurde berichtet, dass in sehr guter Abdeckung (RSSI ~ –80 dBm) ein Uplink im Mittel ~12 J Energie benötigt, während bei extrem schwachem Signal (RSSI ~ –130 dBm) der Mittelwert auf 247 mJ anstieg (). NB-IoT versucht also durch brachiales Wiederholen Reichweite zu erzielen, was die Batterie schnell leert, wenn ein Gerät dauerhaft im Funkloch arbeitet. Neben Wiederholungen verlängert ein NB-IoT Modul bei schlechtem Empfang auch die aktive Verbindungszeit pro Übertragung (Tactive): Es bleibt länger im verbundenen Zustand, bis eine Bestätigung vom Netzwerk kommt, was zusätzlichen Strom zieht () ().

Netzwerkdichte spielt hier eine wichtige Rolle. In dicht ausgebauten Netzen (viele NB-IoT Basisstationen bzw. LoRa-Gateways in der Umgebung) ist die empfangene Signalstärke im Mittel höher. Geräte können mit niedrigerer Sendeleistung auskommen bzw. LoRa-Knoten können mit niedrigerem SF senden. Zudem sind die Distanzen kürzer, was insbesondere bei LoRaWAN die Luftzeit verkürzt (da weniger hohe SF nötig sind). Eine hohe Gateway-Dichte verbessert bei LoRa auch die Diversität: Wenn mehrere Gateways ein Signal empfangen, steigt die Chance, dass es ankommt, ohne dass das Endgerät erneut senden muss – das Protokoll verarbeitet Duplikate automatisch. NB-IoT genießt in dichten Netzen den Vorteil, dass es dynamisches Power Control gibt: Nahe Basisstationen fordern das Gerät auf, die Sendeleistung zu reduzieren, was direkt Energie spart. Umgekehrt müssen Geräte am Rand der Zelle mit voller Leistung senden. In dünn abgedeckten NB-IoT-Netzen (große Zellradien) laufen die Geräte häufiger am Limit ihrer Sendeleistung und nutzen gegebenenfalls mehr Repetitionen – mit entsprechend höherem Energieaufwand.

Ein oft übersehener Aspekt ist der Einfluss von Netzwerktraffic und Kapazität. LoRaWAN nutzt Aloha-basierte Kanalzugriffe; bei sehr vielen Geräten in einem Gebiet steigt die Kollisionwahrscheinlichkeit. Kollisionen bedeuten verlorene Pakete, die ggf. erneut gesendet werden – unnötiger Energieverbrauch. NB-IoT vermeidet Kollisionen durch geplanten Zugriff (scheduled MAC); hier führt Überlast eher zu Wartezeiten statt zu Wiederholungen. Dennoch kann hohe Netzauslastung indirekt Energiekosten verursachen: z.B. längeres Aufrechterhalten der Verbindung bei NB-IoT, bis ein Sende-Slot zugewiesen wird, oder häufiger notwendige Retransmits bei LoRa. In einer Simulation mit 5000 LoRaWAN-Geräten sank die Paketzustellrate auf ~64%, was viele erneut senden mussten () () – in solchen Fällen könnte NB-IoT trotz höherem Einzelverbrauch effizienter sein, da es zuverlässiger jeden Frame durchbekommt.

Fazit dieses Aspekts: In guter Funkumgebung verbrauchen beide Technologien sehr wenig Energie pro Nachricht; LoRaWAN hat praktisch keinen Leerlaufverbrauch und NB-IoT nur minimalen (PSM). Bei abnehmender Signalstärke steigt der Energieverbrauch bei LoRaWAN moderat bis stark durch längere Pakete, bei NB-IoT sprunghaft durch Wiederholungen und längere Netzwerkaktivität. Die Bereitstellung einer dichten Infrastruktur (viele Gateways/Basisstationen) ist daher aus Energiesicht vorteilhaft – sie hält die Geräte im „grünen Bereich“ der obigen Skalen. In der Realität bedeutet das: Bei unternehmensinternen Asset-Trackern kann man durch zusätzliche LoRaWAN-Gateways auf dem Gelände die Batterielebensdauer verlängern (da alle Geräte mit SF7 statt SF12 senden können). NB-IoT-Nutzer sind auf den Netzausbau des Betreibers angewiesen; in Städten oft gut, in ländlichen Regionen mitunter spärlich, was dort zu höherem Geräteenergieverbrauch führt.

Energieeffizienz: Urban vs. Ländlich

Geografische Unterschiede wirken sich über die genannten Mechanismen (Dichte, Entfernung, Abschattung) auf den Energieverbrauch aus. Städtische und ländliche Einsatzorte weisen allerdings charakteristische Unterschiede auf, die hier betrachtet werden:

In Urbanen Gebieten ist typischerweise die Netzabdeckung durch Mobilfunkantennen dichter und die Distanzen sind geringer (ein NB-IoT-Gerät hat meist mehrere Basisstationen im Umkreis von wenigen Kilometern). Ebenso kann ein LoRaWAN-Netz in einer Stadt mit vielen verteilten Gateways aufgebaut sein. Das bedeutet: Geräte haben eher gute Signalpegel und benötigen weder maximale Sendeleistung noch extreme Modulationseinstellungen. Allerdings bringen urbane Gebiete auch Herausforderungen: Gebäudedämpfung (Keller, Stahlbeton) und Mehrwegeausbreitung können das Signal schwächen. NB-IoT adressiert dies durch tiefe Frequenzen (häufig 800 MHz-Band) und spezielle Modulation – tatsächlich wird NB-IoT eine überlegene Indoor-Durchdringung im Vergleich zu LoRa attestiert (LoRaWAN vs NB-IoT). LoRaWAN-Frequenzen um 868 MHz (EU) sind ähnlich, jedoch unkoordiniert; das Rauschen durch andere Geräte kann in der Stadt höher sein. Interessanterweise zeigen Untersuchungen, dass LoRaWAN in städtischer Umgebung mit hoher Gerätedichte leicht im Vorteil sein kann, was die effektive Abdeckung angeht. Durch die asynchrone Natur von LoRaWAN können mobile Knoten Nachrichten an beliebige empfangende Gateways liefern, ohne vorher einen Zellwechsel aushandeln zu müssen. LoRaWAN-Endgeräte „roamen“ implizit – bei Bewegung durch die Stadt wird das Signal einfach von der jeweils nächstgelegenen Gateway empfangen. NB-IoT-Geräte hingegen müssen bei Bewegung ihre Zelle wechseln (Handover) oder sich neu ins Netz einbuchen, was Energie kostet. Eine Vergleichsstudie in Brasilien ergab, dass LoRaWAN in dichten urbanen Gebieten eine etwas bessere Abdeckung erzielt als NB-IoT, was auf die Fähigkeit zurückgeführt wird, Mobilität und redundante Empfangspfade effizienter zu handhaben (Real-World Evaluation of Power Consumption and Performance of NB-IoT in Malaysia | Request PDF). Praktisch bedeutet das: In der Stadt, wo ein Asset-Tracker z.B. von einem Gebäude zum nächsten bewegt wird, kann LoRaWAN seine Nachrichten zuverlässiger irgendwo unterbringen, während NB-IoT eventuell zeitweise kein Netz hat oder einen erneuten Attach vornehmen muss (mit entsprechendem Energieaufwand) (Real-World Evaluation of Power Consumption and Performance of NB-IoT in Malaysia | Request PDF).

In Ländlichen Gebieten kehrt sich das Bild teilweise um. Hier punkten die lizenzierten NB-IoT-Netze oft mit größerer Reichweite pro Basisstation. Mobilfunkanbieter nutzen hohe Sendeleistungen und große Maststandorte, um weite Flächen abzudecken. Ist NB-IoT Empfang vorhanden, so erreicht ein einzelner Mast oft über 10 km Reichweite. LoRaWAN kann in ländlichen Regionen ebenfalls sehr weite Distanzen (>15 km) überbrücken (LoRaWAN vs NB-IoT), jedoch nur, wenn der Betreiber (z.B. der Bauer selbst, oder ein LoRaWAN-Dienst) entsprechende Gateways in ausreichender Höhe installiert hat. In dünn besiedelten Gegenden mit geringer Infrastruktur kann NB-IoT entweder gar nicht verfügbar sein oder das Gerät befindet sich am Rand einer weitläufigen Zelle. In letzterem Fall kommen die oben beschriebenen Coverage-Enhancement-Mechanismen zum Tragen – das NB-IoT-Gerät sendet mit voller Leistung und vielen Wiederholungen, was die Batterie belasten kann. LoRaWAN-Geräte in sehr ländlicher Umgebung müssen gegebenenfalls auf SF12 gehen, was ebenfalls am Akku zehrt. Eine Studie berichtet, dass NB-IoT eine etwas bessere Flächenabdeckung in dünn besiedelten Regionen erzielt, während LoRaWAN eher in städtischen Umgebungen brilliert (Real-World Evaluation of Power Consumption and Performance of NB-IoT in Malaysia | Request PDF). Das deutet darauf hin, dass in Ruralen Szenarien NB-IoT-Geräte eher ein Signal bekommen (wo LoRa mangels Gateway evtl. offline wäre), aber sie zahlen dafür mit höherem Energieeinsatz (viele Wiederholungen bei schwachem Empfang). Umgekehrt kann LoRaWAN in der Fläche sehr energieeffizient sein – jedoch nur, wenn genügend Gateways strategisch platziert sind. Bei fehlender Infrastruktur hat NB-IoT als Teil des öffentlichen Netzes hier einen Vorteil, da kein eigener Gateway nötig ist.

Zusammengefasst: In Städten können beide Technologien effizient arbeiten, LoRaWAN oft mit minimalem Energieaufwand dank kurzer Distanzen, NB-IoT mit moderatem Aufwand und guter Gebäudedurchdringung. In ländlichen Gebieten hängt die Energieeffizienz stark von der verfügbaren Netzabdeckung ab – NB-IoT hat Reichweitenvorteile, die aber durch hohes Sendeaufkommen erkauft werden, während LoRaWAN extrem energiesparend sein kann, sofern ein Gateway in Reichweite ist (anderenfalls funktioniert es dort gar nicht). Für Asset-Tracking, wo Objekte sich zwischen urbanen und ländlichen Zonen bewegen können, bedeutet dies: LoRaWAN-Tracker benötigen in entlegenen Gebieten eventuell lokale Gateways oder alternative Übertragungswege (Satelliten-LoRa), um funken zu können, während NB-IoT-Tracker dort vielleicht noch das letzte bisschen Netz nutzen – dann allerdings mit stark verkürzter Batterielaufzeit durch die notwendigen Verstärkungsmaßnahmen.

Datenrate, Übertragungsintervall und Energieverbrauch

Die Datenrate und das Sendeintervall einer Anwendung bestimmen maßgeblich, wie schnell eine Batterie verbraucht wird. Beide Technologien sind für kleine, infrequente Datenmengen optimiert, wie sie in Asset-Tracking (z.B. regelmäßig Positionsdaten) anfallen. Dennoch gibt es Unterschiede:

• LoRaWAN ist bei niedrigen Datenraten sehr effizient, skaliert aber schlecht zu höheren Throughputs. Die maximale Nutzrate von LoRaWAN liegt je nach Region und Duty-Cycle-Beschränkung bei wenigen Kilobit pro Sekunde. In der Praxis werden Datenintervalle von einigen Minuten bis Stunden angepeilt, um >5 Jahre Batterielaufzeit zu erreichen. Jeder zusätzliche Funkframe kostet direkt Energie. Die Beziehung ist ungefähr linear: Wer statt einmal pro Stunde nun stündlich 6 Nachrichten (alle 10 min) sendet, kann mit rund 1/6 der Laufzeit rechnen (abzüglich kleiner Overheads). Beispielsweise würde aus ~30 Jahren Lebensdauer bei 1 Stunde Intervall nur noch ~5 Jahre werden, wenn alle 10 Minuten gesendet wird (theoretisch). LoRaWAN hat hierbei aber einen Vorteil: Selbst bei kurzen Intervallen bleibt das Gerät die meiste Zeit in Tiefschlaf; es muss nicht „online“ bleiben. Allerdings stößt LoRaWAN bei sehr häufigen Übertragungen an regulatorische Grenzen (Duty Cycle 1% -> maximal ~36 sek Sendezeit pro Stunde). Hohe Datenraten erzwingen ggf. höhere Spreading Factors oder fragmentierte Übertragung, was die Effizienz verringert. Generell gilt: Kleine, seltene Pakete sind ideal für LoRaWAN, große oder häufige Pakete führen zu unverhältnismäßig höherem Energiebedarf oder sind schlicht nicht erlaubt.

• NB-IoT kann prinzipiell häufiger senden, hat aber einen Grundrauschen-Energieverbrauch, der beachtet werden muss. Bei sehr langen Sendeintervallen kann NB-IoT dank PSM-Schlaf fast so effizient sein wie LoRaWAN. Wenn jedoch häufig (sekündlich/minütlich) Daten gesendet werden, fällt bei NB-IoT ins Gewicht, dass das Gerät quasi dauerhaft im Netzwerk eingebucht bleibt. Ab einem gewissen Punkt verlässt man den echten Low-Power-Bereich: Das Modul könnte dann im eDRX-Modus verbleiben oder gar ständig im RRC Connected Mode sein, was Strom im zweistelligen mA-Bereich zieht (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). So würde z.B. ein NB-IoT-Tracker, der jede Minute sendet, kaum noch Schlafphasen haben – die Batterielaufzeit wäre dann deutlich unter 1 Jahr, selbst bei großer Batterie. LoRaWAN wäre in diesem Szenario möglicherweise ebenfalls überfordert (Duty Cycle), also hier ist eigentlich keine der beiden optimal. Für Asset-Tracking-typische Intervalle (oft 1× pro Stunde bis 1× pro Tag) zeigen Modelle, dass beide Lösungen lange Laufzeiten erzielen, LoRaWAN jedoch tendenziell länger: In dem bereits erwähnten Vergleich mit 1 Nachricht/Stunde wurden über 20 Jahre erreicht (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). Bei 1 Nachricht pro Tag wären theoretisch weit über 50 Jahre möglich – was natürlich durch Selbstentladung und andere Faktoren begrenzt wird. Wichtig ist auch, dass NB-IoT je nach Netzbetreiber eine regelmäßige Netzwerkmeldung (TAU) absetzen muss, selbst wenn keine Nutzdaten gesendet werden, um registriert zu bleiben. Dieser Tracking Area Update kann z.B. alle 1–24 Stunden erfolgen und verbraucht zusätzliche Energie. LoRaWAN kennt ein solches Periodikum nicht; ein Gerät kann monatelang stumm bleiben, ohne dass Overhead entsteht.

Betrachtet man die Pro-Bit-Energieeffizienz, so ist LoRaWAN bei niedrigen Datenraten extrem gut (wenige mJ pro Byte bei SF7) – verliert aber an Effizienz, je mehr Bits pro Zeit transportiert werden müssen. NB-IoT liefert konstantere Energie pro Bit, da es im lizenzierten Spektrum keine Duty-Cycle-Limits gibt und auch die Modulation fest eingestellt ist. Interessanterweise wird berichtet, dass bei NB-IoT die Modulationsauswahl (Datenrate) selbst kaum Einfluss auf den Energieverbrauch hat (). Das heißt, ob NB-IoT mit 1 Subcarrier oder 12 Subcarriern sendet, ändert den Energiebedarf pro übertragenem Bit wenig – die Dauer verkürzt sich entsprechend, aber der Stromverbrauch skaliert invers, sodass das Integrale ähnlich bleibt (). LoRaWAN hingegen zeigt einen starken Trade-off: Niedrige Datenrate = längere Airtime = mehr Energie. In diesem Sinne ist NB-IoT für höhere Datenmengen pro Nachricht etwas günstiger als LoRaWAN, da es keine exponentielle Verlängerung der Airtime gibt, sondern lineare Zuwächse. Allerdings wird dieser Vorteil durch den höheren Grundverbrauch oft aufgehoben, solange die Datenmengen im typischen IoT-Rahmen bleiben (einige Dutzend Bytes).

Übertragungsintervalle beeinflussen beide Technologien etwa linear, solange Schlafmodi genutzt werden können. Eine Studie stellte eine annähernd lineare Abnahme der Batterielaufzeit mit steigender Sendehäufigkeit fest – LPWAN-Geräte schaffen etwa 10+ Jahre bei stündlichen Meldungen, aber nur ~1 Jahr bei minütlichen Meldungen (
Energy Consumption Analysis of LPWAN Technologies and Lifetime Estimation for IoT Application – PMC
). Bei LoRaWAN war in einer Modellierung die Betriebsdauer mit stündlichen Sendungen ~10-fach höher als mit 10-minütlichen (
Energy Consumption Analysis of LPWAN Technologies and Lifetime Estimation for IoT Application – PMC
), was die Wichtigkeit langer Sleep-Phasen unterstreicht. NB-IoT ist ähnlich empfindlich, zumal häufige Aufweckvorgänge auch den Vorteil von PSM reduzieren. Die Entwickler empfehlen daher, die Sendeintervalle so weit wie möglich zu strecken und wo machbar Daten zu aggregieren, um seltener senden zu müssen. LoRaWAN erlaubt dies z.B., indem mehrere Messwerte in einem Paket gesammelt werden – das erhöht die Effizienz deutlich (wegen konstantem Protokoll-Overhead pro Paket) (). NB-IoT unterstützt größere Payloads und könnte somit z.B. Positionsdaten sammeln und in einem Rutsch übertragen, anstatt jede Position einzeln – allerdings muss das Gerät dafür eventuell länger verbunden bleiben. Generell gilt: Je weniger häufig gesendet wird, desto näher kommt man den optimalen >10 Jahre Laufzeit für beide Technologien. Umgekehrt kann zu häufiges Senden die Batterie innerhalb weniger Monate leeren.

Schlussbemerkung

Zusammenfassend beleuchten wissenschaftliche Untersuchungen konsistent, dass LoRaWAN im Asset-Tracking bezüglich Energieverbrauch meist vorteilhafter ist als NB-IoT. LoRaWANs asynchrones Aloha-Design und sehr niedriger Ruheverbrauch führen zu einer exzellenten Energieeffizienz – Geräte können jahrelang mit kleinen Batterien auskommen (LoRaWAN vs NB-IoT). NB-IoT benötigt zwar mehr Energie pro Übertragung (insbesondere durch Netz-Signalisierung und Synchronisation) (Survey of IoT for Developing Countries: Performance Analysis of LoRaWAN and Cellular NB-IoT Networks), punktet jedoch mit anderen Eigenschaften: in vorhandenen Mobilfunknetzen bietet es zuverlässige Abdeckung, höhere Datenraten und geringere Latenz, was für Echtzeit-Tracking oder QoS-kritische Anwendungen wichtig sein kann (Survey of IoT for Developing Countries: Performance Analysis of LoRaWAN and Cellular NB-IoT Networks). Die Netzabdeckung spielt eine große Rolle – in randnahen oder ländlichen Szenarien kann NB-IoT funktional sein, wo LoRaWAN ohne zusätzliches Gateway ausfällt, jedoch auf Kosten deutlich höheren Energieverbrauchs. In städtischen Umgebungen mit vielen Gateways kann LoRaWAN dagegen extrem stromsparend arbeiten und NB-IoT in Sachen Batterielebensdauer um ein Vielfaches übertreffen ().

Die Wahl zwischen LoRaWAN und NB-IoT im Asset-Tracking sollte daher neben der reinen Funkreichweite immer auch die Energiebilanz berücksichtigen. Wenn lange Batterielaufzeit und geringe Wartung oberste Priorität haben (und man die Infrastruktur selbst bereitstellen kann), tendiert die Waage zu Gunsten von LoRaWAN. Wenn hingegen eine bestehende Netzabdeckung genutzt werden soll und moderate Batteriewechsel akzeptabel sind, kann NB-IoT mit höherer Zuverlässigkeit und Datenrate aufwarten. Letztlich bestätigen die Studien, dass keine Technologie absolut überlegen ist, aber LoRaWAN aus energetischer Sicht in vielen typischen Asset-Tracking-Fällen effizienter arbeitet (
Energy Consumption Analysis of LPWAN Technologies and Lifetime Estimation for IoT Application – PMC
) (Survey of IoT for Developing Countries: Performance Analysis of LoRaWAN and Cellular NB-IoT Networks). Entscheidend ist, die Rahmenbedingungen – geographische Verteilung, Sendehäufigkeit, benötigte Datenmengen – abzuwägen, um die für den Anwendungsfall optimale Lösung auszuwählen (LoRaWAN vs NB-IoT).

Quellen: Die Analyse stützt sich auf eine Reihe wissenschaftlicher Veröffentlichungen und Messstudien, darunter direkte Messvergleiche von LoRaWAN- und NB-IoT-Modulen () (), energieorientierte LPWAN-Vergleiche in Journals (
Energy Consumption Analysis of LPWAN Technologies and Lifetime Estimation for IoT Application – PMC
) (Survey of IoT for Developing Countries: Performance Analysis of LoRaWAN and Cellular NB-IoT Networks) sowie akademische Abschlussarbeiten (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption) (Comparison of LoRa and NB-IoT in Terms of Power Consumption). Die zitierten Ergebnisse und Zahlen wurden den genannten Studien entnommen und liefern eine fundierte Grundlage für den hier dargestellten Vergleich.