Was ist LPWAN? Eine Einführung in die Low Power Wide Area Network-Technologie

Dank der bemerkenswerten Fortschritte in der IoT-Technologie sind Verbindungen zwischen Personen und Geräten heute Realität, die einst unmöglich waren. LPWAN hat sich zu einem heißen Thema in der IoT-Welt entwickelt und bietet Lösungen, die bisher unerreichbar waren. Für kurze Distanzen gab es beispielsweise WLAN, Bluetooth, Zigbee und andere. Und für größere Entfernungen gab es 2G-, 3G-, 4G-Mobilfunknetze und dergleichen.

Betrachtet man diese drahtlosen Technologien jedoch anhand ihres Stromverbrauchs und ihrer Reichweite, stellt man fest, dass es eine Lücke bei Optionen mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite gibt. Genau in diese Nische passt die LPWAN-Technologie. Sie füllt die Lücke, die bei den bisherigen drahtlosen Kommunikationsoptionen hinsichtlich kurzer Akkulaufzeit und hoher Reichweite fehlte.

Was ist LPWAN

LPWAN (Low Power Wide Area Network, manchmal auch LPWA genannt) ist ein relativ neuer Begriff, der weder einen Standard noch eine einzelne Technologie beschreibt. Vielmehr handelt es sich um einen allgemeinen Begriff, der verschiedene proprietäre und Open-Source-Protokolle umfasst. Im Wesentlichen bezeichnet LPWAN eine Familie von drahtlosen Netzwerken, die für die stromsparende Kommunikation zwischen Geräten über große Entfernungen konzipiert sind.

Die Kommunikationsreichweite von LPWAN-Technologien reicht von wenigen Kilometern in städtischen Gebieten bis zu über 10 Kilometern in ländlichen Gebieten. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die Kommunikation effizienter und kostengünstiger wird – d. h. wir können die Reichweite bei geringerem Stromverbrauch maximieren. Es ist davon auszugehen, dass LPWAN in naher Zukunft auf deutlich innovativere Weise breitere Anwendung finden wird.

Topologie und Architektur in LPWAN-Technologien

Aufgrund ihrer topologischen Struktur lassen sich LPWANs in zwei Hauptkategorien unterteilen: Stern- und Maschennetzwerke. Mobilfunktechnologien sind dabei typischerweise universell einsetzbar und unterstützen Mobilität. Stern- oder Stern-zu-Stern-Topologien werden aufgrund ihrer Kosteneffizienz für LPWANs gegenüber Maschennetzwerken bevorzugt.

Das Herzstück von LPWAN bilden die weiteren Komponenten einer einfachen LPWAN-Architektur, darunter drahtlose Konnektivität, das Internet und die Cloud. Die Basisstation/das Gateway sammelt Daten von zahlreichen verteilten Endknoten und reagiert auf Eingaben des LPWAN. Die Basisstation/das Gateway ist das Grenzgerät, das diese Daten empfängt, demoduliert und über eine Standard-TCP/IP-Backhaul-Verbindung wie Ethernet, Mobilfunknetz usw. an einen Back-End-Server sendet.

Bei öffentlichen LPWAN-Diensten werden die Daten über die Server des Netzbetreibers weitergeleitet, bevor sie an die Endbenutzeranwendung gesendet werden. Bei privat verwalteten LPWANs können die Daten direkt an das vordefinierte Backend des Endbenutzers weitergeleitet werden. Dies gewährleistet die Privatsphäre und Sicherheit der LPWAN-Gerätedaten.

LPWAN-Standards: zellulares LPWA und nicht-zellulares LPWA

Bevor wir uns mit LPWAN-Technologien befassen, ist es wichtig, die Hauptkategorien zu verstehen, in die sie fallen. LPWANs lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen: solche, die in lizenzfreien Frequenzbändern arbeiten (wie LoRa und SigFox), und Mobilfunktechnologien, die in lizenzierten Frequenzbändern arbeiten und den 3GPP-Standards entsprechen (wie LTE-M und NB-IoT). Im Folgenden untersuchen wir einige aktiv eingesetzte LPWAN-Technologieoptionen.

Zelluläres LPWAN (lizenziertes Spektrum)

Zelluläre LPWANs benötigen eine Genehmigung von Behörden oder Regulierungsbehörden und nutzen in der Regel die Infrastruktur bestehender Netzbetreiber. Sie benötigen jedoch eine zuverlässige Verbindung zwischen Gerät und Basisstation und eignen sich daher besser für dicht besiedelte Gebiete wie Stadtzentren, Wohngebiete und Industrieparks. Zu den zellularen LPWAN-Standards gehören EC-GSM-IoT, LTE Cat. M1 (LTE-M) und NB-IoT, die im LTE-Spektrum (700 MHz–3.5 GHz) betrieben werden.

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT (Extended Coverage GSM IoT) wurde erstmals von 3GPP in Release 13 eingeführt. Es handelt sich um eine zellulare LPWAN-Technologie auf Basis von eGPRS, die bestehende Mobilfunknetze und Infrastrukturen (meist 2G/GSM) für die IoT-Fernkommunikation nutzt. Sie nutzt lizenzierte Frequenzbänder für zuverlässige und sichere Kommunikation. Im Vergleich zu anderen Mobilfunktechnologien bietet GSM eine größere Abdeckung. Die verbesserte Version eGPRS/EDGE behält diesen Vorteil bei und unterstützt gleichzeitig höhere Datenraten.

Schmalband-IoT (NB-IoT)

NB-IoT (Narrowband Internet of Things) ist ein von 3GPP entwickelter LPWAN-Funktechnologiestandard zur Verbindung von IoT-Geräten. Als 3GPP CIoT-Technologie definiert NB-IoT die drahtlose Schnittstelle für die IoT-Kommunikation im Vergleich zu EC-GSM-IoT und LTE-M weiter. Es arbeitet innerhalb lizenzierter Frequenzbänder und nutzt eine schmale Bandbreite von etwa 180 kHz. NB-IoT wurde in Zusammenarbeit zwischen 3GPP und führenden Telekommunikationsausrüstern wie Nokia, Huawei und Ericsson standardisiert.

LTE-M

LTE-M (LTE-Machine-to-Machine), auch bekannt als eMTC (Enhanced Machine-Type Communication), ist eine weitere 3GPP-LPWAN-IoT-Technologie, die von LTE abgeleitet ist. Sie unterstützt im Vergleich zu NB-IoT höhere Datenraten und Mobilität (bis zu 350 km/h). LTE-M arbeitet im lizenzierten Spektrum und koexistiert mit 2G-, 3G-, 4G- und 5G-Mobilfunknetzen.

LTE-M hieß in 3GPP Release 12 zunächst „Low-Cost MTC“ und wurde später in Release 13 in „eMTC“ umbenannt. Verbesserungen in den 3GPP-Releases haben die Fähigkeiten von LTE-M erweitert. Release 14 und 15 ermöglichten die Unterstützung verbesserter Abdeckungsgrade mit Mobilität. Release 14 ergänzte die VoLTE-Funktion (Voice over LTE). Release 15 baute darauf auf und bot neue Anwendungsfälle für mobilere IoT-Geräte. Release 16 setzte die Entwicklung mit Verbesserungen für die Koexistenz mit 5G New Radio (NR) fort.

Nicht-zellulares LPWAN (unlizenziertes Spektrum)

Nicht-zellulare LPWANs arbeiten in lizenzfreien ISM-Frequenzbändern und sind nicht auf die Infrastruktur von Netzbetreibern angewiesen. Geräte übertragen Daten direkt oder über Gateways an Anwendungs-/Netzwerkserver. Neben LoRa gibt es weitere nicht-zellulare LPWANs wie Sigfox, Weightless, RPMA, Symphony Link, Wize, DASH7 usw., die das Sub-GHz-Frequenzband mit Kommunikationsgeschwindigkeiten von ca. 100 bps bis 250 kbps und Entfernungen von 2 km bis 100 km nutzen. Nicht-zellulare LPWANs werden typischerweise in abgelegenen Gebieten mit eingeschränkter Mobilfunkabdeckung, in Bergregionen, auf Inseln und für dedizierte Unternehmensnetzwerkimplementierungen eingesetzt.

LoRa/LoRaWAN

LoRa ist die PHY-Spezifikation des Protokollstapels und bezieht sich speziell auf die proprietäre Chirp Spread Spectrum-Modulation, die von Semtech entwickelt wurde. Die LoRaWAN Der Standard definiert das MAC-Layer-Protokoll und die Systemarchitektur, die über dem LoRa-PHY-Layer betrieben wird und von der LoRa Alliance verwaltet wird, die mit fast 500 Mitgliedsunternehmen weltweit schnell wächst.

LoRa ist in erster Linie für die Uplink-Kommunikation von mehreren Endgeräten zu Gateways vorgesehen. Dabei werden codierte Nachrichten über verschiedene Kanäle und Datenraten genutzt, um Kollisionen zu reduzieren und die Gateway-Kapazität zu erhöhen. Es eignet sich gut für Anwendungen mit geringen Datenmengen und seltener Kommunikation in städtischen und ländlichen/abgelegenen Gebieten. Ein einzelnes LoRaWAN-Gateway kann Verbindungen von mehreren Knoten und Endgeräten verarbeiten.

Sigfox

Sigfox ist eine der nicht-3GPP-LPWAN-Technologien, die weit verbreitet ist. Es handelt sich um eine proprietäre LPWAN-Technologie, benannt nach dem Unternehmen Sigfox, das sie erstmals eingeführt hat. Sie nutzt Ultraschmalbandfunk, um drahtlose IoT-Konnektivität mit extrem großer Reichweite und geringem Stromverbrauch zu erreichen.

Die geringe Bandbreite von Sigfox schränkt jedoch die Downlink-Fähigkeit zur Datenübertragung an Geräte stark ein. Zudem kann das ultraschmale Band zu potenziellen Interferenzen führen. Trotz dieser Einschränkungen bleibt Sigfox ein führender LPWAN-Anbieter und hat sich in Europa erfolgreich etabliert.

Schwerelos

Die Weightless Special Interest Group (Weightless SIG) wurde 2008 mit dem Ziel gegründet, die LPWAN-Technologie zu standardisieren. Zu den Mitgliedern der Fördergruppe gehören Accenture, M2COMM, ARM, Telensa und Sony Europe.

Weightless besteht aus drei Varianten, die auf unterschiedliche Anwendungsszenarien zugeschnitten sind: Weightless-W, Weightless-N und Weightless-P. Weightless-W arbeitet im TV-White-Space-Band (TVWS) und ist komplexer im Einsatz. Weightless-N ähnelt Sigfox und ist ein Schmalbandprotokoll, das im lizenzfreien Sub-GHz-Band läuft und von NWave genutzt wird. Insgesamt haben Weightless-N und Weightless-P im Vergleich zu Weightless-W mehr Aufmerksamkeit und Einsatz erfahren.

Symphonie-Link

Symphony Link ist ein LPWAN-Protokoll, das von Link Labs, einem Mitgliedsunternehmen der LoRa Alliance, entwickelt wurde. Link Labs verwendet zwar die LoRa-Bitübertragungsschicht-Chipsätze von Semtech, implementiert aber anstelle der offenen LoRaWAN-Spezifikation einen eigenen, benutzerdefinierten MAC-Schicht-Software-Stack namens Symphony Link.

Im Vergleich zum LoRaWAN-Standard liegen die Hauptunterschiede bei Symphony Link in einigen erweiterten Netzwerkfunktionen wie zuverlässiger Nachrichtenübermittlung und dynamischer Netzwerkerweiterung durch Hinzufügen von Gateways.

Anwendungen von LPWAN-Technologien

LPWAN ist der Gewinner in puncto Reichweite und Stromverbrauch. Der Einsatz von LPWAN ermöglicht die Fernerfassung von Sensordaten und die Verfolgung über große Entfernungen. In diesem Abschnitt werden einige praktische Anwendungsfälle erläutert.

Intelligente Gas- und Wassermessung

Automatisierte Zählerablesesysteme nutzen LPWANs zur drahtlosen Fernerfassung von Verbrauchsdaten von Versorgungsunternehmen wie Strom, Gas und Wasser. Die Zeiten, in denen Betreiber die Daten manuell prüfen und erfassen mussten, gehören der Vergangenheit an. Nutzer erhalten außerdem Einblick in die Menge ihrer täglich verbrauchten Verbrauchsdaten.

Intelligente Gebäude

Innerhalb von Gebäuden werden LPWANs in Wohn-, Gewerbe- und Industriegebäuden eingesetzt, um diese intelligenter zu gestalten. Smart-Home-Geräte wie intelligente Schlösser, HLK-Systeme und Beleuchtung können über LPWAN integriert und zentral verwaltet werden. In Büro- und Gewerbegebäuden ermöglicht LPWAN die zentrale Überwachung der Raumbelegung und von Sicherheitssystemen wie Türsensoren.

Intelligente Abfallwirtschaft

Intelligentes Abfallmanagement wird zunehmend für Smart-City-Initiativen eingesetzt. In Mülltonnen installierte Sensoren überwachen den Füllstand und übertragen die Daten über LPWAN an das zentrale System. Bei Erreichen eines festgelegten Füllstands werden Warnmeldungen für eine rechtzeitige Abholung und Entsorgung generiert. Darüber hinaus können Standortinformationen von Müllwagen erfasst werden, indem LPWAN-Tracker damit ausgestattet werden.

Intelligentes Parken

In intelligenten Parksystemen ermöglicht die LPWAN-Technologie die Echtzeitüberwachung und -verwaltung der Parkplatzbelegung. In Parkplätzen installierte Sensoren erfassen den Belegungsstatus präzise. Nutzer können über eine mobile App verfügbare Parkplätze prüfen und per Fernzugriff für das Parken bezahlen.

Intelligente Landwirtschaft

LPWANs werden zunehmend in intelligente Landwirtschaftssysteme integriert. Landwirte können verschiedene Sensoren (Bodenfeuchte, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht usw.) auf ihren Feldern installieren. Mithilfe von LoRaWAN oder anderen LPWANs wie NB-IoT können sie dann Daten von diesen Sensoren fernabrufen.

Beliebter Vergleich von lizenziertem und nicht lizenziertem LPWAN

Angesichts der Vielzahl verfügbarer LPWAN-Technologien ist eine sorgfältige Auswahl entscheidend. Laut Marktforschungsschätzungen von IoT Analytics werden bis 2024 über 97% der LPWAN-Systeme werden mit LTE-M, NB-IoT, Sigfox oder LoRa eingesetzt. Daher vergleichen wir die vier wichtigsten LPWAN-Technologien: NB-IoT, LTE-M, Sigfox und LoRa.

Eine Vergleichstabelle von NB-IoT vs. LTE-M vs. LoRaWAN vs. Sigfox

Die richtige LPWAN-Wahl treffen

NB-IoT ist eine 3GPP-LPWAN-Technologie, die bestehende LTE/GSM-Netze nutzt, um IoT-Geräten Konnektivität mit geringer Bandbreite zu ermöglichen. Sie verbessert den Stromverbrauch der Geräte, die Systemkapazität, die Spektrumeffizienz und die Reichweite und eignet sich für IoT-Anwendungsfälle in den Bereichen Industrie, Gebäudeautomation, Smart City, Gesundheitsüberwachung und Katastrophenhilfe.

LTE-M zielt auf ähnliche Anwendungen wie NB-IoT ab, bietet jedoch eine höhere Bandbreite, um höhere Datenraten und höhere Sicherheit zu ermöglichen, allerdings bei höherem Stromverbrauch. Es eignet sich für Anwendungen mit höherem Durchsatz, wie beispielsweise Videoüberwachung, bei denen die Strombeschränkungen weniger streng sind.

Sigfox und LoRaWAN sind Nicht-3GPP-Technologien, die im lizenzfreien Spektrum arbeiten. Ihre schmalen Bandbreiten ermöglichen einen extrem energiesparenden Betrieb für die seltene Übertragung kleiner Nutzdaten von Endpunkten, die eine mehrjährige Batterielebensdauer erfordern, jedoch mit Einschränkungen hinsichtlich der Datenrate. Sigfox legt Wert auf geringen Stromverbrauch und einfache Bereitstellung, verfügt jedoch nicht über einen Downlink für Firmware-Updates. LoRaWAN unterstützt die bidirektionale Geräteverwaltung zu geringen Kosten. Beide eignen sich für intelligente Landwirtschaft, Anlagenverfolgung und ähnliche IoT-Überwachungsszenarien mit geringem Datendurchsatz.

LPWAN ist die Zukunft

Als sich schnell entwickelnde neue Technologie befindet sich die LPWAN-Landschaft in der Entwicklungsphase und ist noch nicht ausgereift. Trotz der Vielzahl an Marktteilnehmern stehen die Gewinner noch nicht fest, insbesondere angesichts des unsicheren Marktwachstums. Auch die langfristige Leistungsfähigkeit der einzelnen LPWAN-Varianten ist weiterhin ungewiss, da sich viele noch in der Anfangsphase befinden und umfassende, groß angelegte Praxistests fehlen.

Tatsächlich deutet eine Studie von ABI Research auf einen erwarteten Anstieg der Nutzung von IoT-Geräten hin, mit einer geschätzten 5.3 Milliarden Prognosen zufolge werden IoT-Geräte bis 2030 LPWAN-Technologien nutzen. LPWAN ist der am schnellsten wachsende Konnektivitätsbereich im Markt. Treiber dieses Wachstums ist die Nachfrage nach Anwendungsfällen wie der Fernüberwachung, die seltene Datenübertragungen und batteriebetriebenen Betrieb erfordern – Eigenschaften, für die sich LPWAN-Technologien besonders gut eignen.

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