Internet der Dinge über LPWAN – Anwendungen, Funktionsweise und Anbieter für das Funken im Fernbereich

Vernetze Geräte im Feld lösen bereits viele Probleme und das Potenzial ist bei Weitem nicht voll ausgeschöpft. Um das (industrielle) Internet der Dinge – (I)IoT – nutzen zu können, muss eine Verbindung zum Datentransfer hergestellt werden.

In der Werkshalle kann das meist das ohnehin vorhandene WLAN verwendet werden. Es gibt jedoch eine Vielzahl an Anwendungen für die eine Verbindung an entfernten und ggf. sich häufig ändernden Orten hergestellt werden muss. Noch problematischer wird es, wenn ein geringer Strombedarf der verteilten Geräte nötig ist.

Typische Beispiele sind

  • Asset Tracking
  • Zustandserkennung (Anlagen, Parkplätze,…)
  • Pegelstände
  • Umweltdaten (Feuchte, Temperatur, Eisbildung,…)
  • Smart Meter

Geringer Energieverbrauch und hohe Reichweite sind ein Zielkonflikt, dessen Entschärfung durch den dritten Parameter im System erreicht wird: Die Dauer der Übertragung.
Eine geringe Datenübertragungsrate muss also akzeptiert werden.
Genau das sind ist der Ansatz, der bei LPWAN gewählt wird. Die Abkürzung steht für Low Power Wide Area Network und der Name ist sehr zutreffen.

Die Eigenschaften von LPWAN machen es zu einer gute Lösung für spezielle Anwendungen

Gehen wir zunächst auf die wesentlichen Eingeschalten der Technologie ein, um den Anwendungsbereich einzugrenzen.

Ein Gateway kann in freiem Gelände einen Umkreis von mehr als 10 km abdecken, selbst bei Bebauung können mehrere Kilometer abgedeckt werden

Die reale Abdeckung wird natürlich stark von der Art und Beschaffenheit von Hindernissen, wie Gebäude, und dem Standort der Geräte und Gateways beeinflusst. Auch das Design der Antennen hat einen wesentlichen Einfluss.

Der geringer Strombedarf kann mehrere Jahre Laufzeit ohne Batteriewechsel ermöglichen

Da LPWAN Geräte gerne in Gebieten ohne Stromversorgung eingesetzt werden, kommt der Batterielaufzeit ein besondere Bedeutung zu. Neben dem Grunddesign tragen insbesondere die Verwendung von Sleep-Modi zu Erreichung einer langen Laufzeit bei.

Eine geringe Übertragungsrate muss für die Anwendung toleriert werden

Theorietisch können maximal wenige hundert kBit/s übertragen werden, die tatsächlichen Werte liegen jedoch meist deutlich darunter. Das ist für die niederfrequente Übertragung einzelner Sensordaten völlig ausreichend. Falls umfangreiche Daten anfallen, kann ein lokale Auswertung und der abschließende Versand des Resultates ein probates Mittel sein.

Geräte sind günstig

Das ist ein sehr pauschale Aussage und es mag Ausnahmen geben, aber die Komponenten sind preisgünstig und insbesondere LoRaWAN kann ohne Übertragungskosten betrieben werden. Das ist ein großer Vorteil gegenüber Mobilfunk, bei dem für jedes Gerät und für die übertragene Datenmenge gezahlt werden muss.

So funktioniert das Netz – Ein Aufbau mit vier wesentlichen Bestandteilen

Die folgenden Abbildung zeigt eine Übersicht über die wesentlichen Bestandteile des Netzaufbaus. Je nach Ausführung kommen weitere Komponenten hinzu, es geht hier aber zunächst um eine Übersicht. Die Kommunikation zwischen den Schichten wird über kryptografische Verfahren geschützt.

Die Geräte im Feld werden Nodes (dt. Knoten) genannt. Sie beinhalten die Sensoren oder Aktoren, einen Mircocontroller, das Radio, Antenne sowie eine Stomversorgung. Für viele Anwendungen kann zur Verlängerung der Batterielaufzeit ein Sleep-Modus genutzt werden. Diese Nodes können als fertige Produkte erworben werden oder als Adapter, die an bestehende Elektronik gekoppelt werden. Eine gute Zusammenstellung der Möglichkeiten ist in der TTN Wall of Fame zu finden: https://www.thethingsnetwork.org/device-repository/

Die Gateways empfangen die Übertragung und leiten weiter. Hier muss eine Verbindung mit dem Internet bestehen. Eine Verarbeitung der Daten findet nicht statt, es werden lediglich die empfangenen Pakete weitergeleitet.

Der Network Server dient zur Verwaltung des Netzes. Er hält die Liste der angemeldeten Nodes und Gateways und kennt auf den Gegenseite die Applikationen. Damit wird das korrekte Routing der Daten ermöglicht. Mit der Identitätsfeststellung wird auf dieser Ebene auch ein wichtiges Sicherheitsmerkmal umgesetzt.

Erst auf dem Application Server werden die bis hierhin verschlüsselten Daten entschlüsselt. Sie können dann durch die User Application genutzt werden.

Betrieben werden müssen die Nodes und ggf. die Gateways, wenn in der Region noch kein Netz verfügbar ist. Die Server können, müssen aber nicht in Eigenregie aufgesetzt werden.

Es gibt drei bedeutende Anbieter in Deutschland

Weltweit gibt es eine Vielzahl an Technologien und Anbieter. Wir beschränken uns hier auf die drei Größten in Deutschland.

LoRaWAN sendet in der EU im lizenzfreien Frequenzbereich von 868 MHz in dem beispielsweise auch Garagentoröffner oder Alarmanlagen kommunizieren. Damit die freien Frequenzen nicht überlastet werden, ist die maximale Belegungszeit (Duty Cycle) begrenzt. Zudem ist die Sendeleitung auf 25 mW gedeckelt. Es handelt sich um ein offenes Protokoll, das von LoRa Alliance, einem Firmenzusammenschluss, festgelegt wird. Ein lokales Netz kann somit jeder aufspannen. Zudem kann auf das Community Netz „The Things Network“ zurückgegriffen werden, das in Teilen Deutschlands eine gute Abdeckung bietet. Die Netzabdeckung kann hier überprüft werden: https://ttnmapper.org/
Dieses Protokoll hat die höchste Reichweite und Durchdringung, der hier vorgestellten Lösungen.

Auch Sigfox sendet im freier Frequenzbereich von 868 MHz, ist im Gegensatz zu LoRaWAN jedoch ein proprietärer Standard des gleichnamigen Französischen Unternehmens. Das Netz ist in weiten Teilen Europas ausgebaut.
Hier sorgt also ein einzelnes Unternehmen für Netzabdeckung und Verfügbarkeit.

Narrow Band IoT (NB IoT) ist ein Funkstandard des LTE Mobilfunks und nutzt einen Teil des LTE Frequenzraumes. Es findet also keine Teilung mit unbekannten Teilnehmern statt.
Der Energieverbrauch ist typischerweise etwas höher als bei den übrigen Lösungen, jedoch immer noch gut.
Anbieter zum Beispiel in Deutschland sind Telekom und Vodafone, die ein nahezu flächendeckendes Netz anbieten.

 LoRaWANSigfoxNB IoT
Übertragungsrate250 Bit/s .. 50 kBit/s100 .. 600 Bit/sbis zu 150 kBit/s
Energieeffizienzsehr hochsehr hochhoch
Link Budget
(entspricht Reichweite / Durchdringung)
154 dB151 dB150 dB
Frequenzbereichfreifreilizensiert
Netzabdeckung in Deutschlandlokale Netze und Community
Netz in Ballungsräumen
weitgehend verfügbarweitgehend verfügbar
Eigener Netzbetrieb möglichjaneinnein

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