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

Heute, Die bemerkenswerten Fortschritte in der IoT-Technologie haben einst unmögliche Verbindungen zwischen Personen und Geräten Wirklichkeit werden lassen. LPWAN hat sich zu einem heißen Thema in der IoT-Welt entwickelt, Lösungen anzubieten, die bisher unerreichbar waren. Für kurze Distanzen, Wir hatten Dinge wie W-lan, Bluetooth, Zigbee und andere. Und für längere Distanzen, es gab 2G, 3G, 4G Mobilfunknetze und so.

Aber wenn man diese drahtlosen Technologien anhand ihres Energiebedarfs und ihrer Reichweite betrachtet, Sie werden feststellen, dass es eine Lücke für Low-Power gibt, Langstreckenoptionen. Das ist die Nische, in die die LPWAN-Technologie perfekt passt. Es füllt die kurze Akkulaufzeit aus, Es gibt eine Lücke, die in der Palette der drahtlosen Kommunikationsoptionen, die wir bisher hatten, fehlte.

Was ist LPWAN?

LPWAN, oder Low Power Wide Area Network (manchmal auch LPWA genannt) ist ein relativ neuer Begriff, bei dem es sich nicht um einen Standard oder eine einzelne Technologie handelt. Stattdessen, Dabei handelt es sich eher um einen allgemeinen Begriff, der verschiedene proprietäre und Open-Source-Protokolle umfasst. Im Wesentlichen, LPWAN bezeichnet eine Familie drahtloser Netzwerke, die für einen geringen Stromverbrauch ausgelegt sind, Fernkommunikation zwischen Geräten.

Die Kommunikationsentfernung von LPWAN-Technologien reicht von einigen Kilometern in städtischen Gebieten bis 10 mehr Kilometer in ländlichen Gebieten. Dies bedeutet im Wesentlichen die Kommunikation, effizienter und kostengünstiger zu werden – d.h.. Wir sind in der Lage, die Reichweite bei geringerem Stromverbrauch zu maximieren. Es wird davon ausgegangen, dass dies in naher Zukunft der Fall sein wird, LPWAN wird eine breitere Anwendung auf viel innovativere Weise ermöglichen.

Topologie und Architektur in LPWAN-Technologien

Aus der topologischen Struktur, LPWANs können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Stern und Netz. In dieser Hinsicht, Mobilfunktechnologien sind in dieser Hinsicht typischerweise universell und unterstützen die Mobilität. Stern- oder Stern-zu-Stern-Topologien werden aufgrund ihrer Kosteneffizienz für LPWANs gegenüber Mesh-Netzwerken bevorzugt.

Das Herzstück von LPWAN, Zu den anderen Komponenten einer einfachen LPWAN-Architektur gehört die drahtlose Konnektivität, das Internet, und Wolke. Die Basisstation/das Gateway sammelt Daten von zahlreichen entfernt verteilten Endknoten und reagiert auf Eingaben vom LPWAN. Die Basisstation/das Gateway ist das Grenzgerät, das diese Daten empfängt, demoduliert und über eine Standard-TCP/IP-Backhaul-Verbindung wie Ethernet sendet, Mobilfunk, etc., an einen Back-End-Server.

Für öffentliche LPWAN-Dienste, Die Daten werden dann über die Server des Netzwerkbetreibers weitergeleitet, bevor sie an die Endbenutzeranwendung gesendet werden. In privat verwalteten LPWANs, Die Daten können direkt an das vordefinierte Backend des Endbenutzers weitergeleitet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die LPWAN-Gerätedaten privat und sicher sind.

LPWAN-Standards: zelluläres LPWA und nicht-zelluläres LPWA

Bevor wir uns mit LPWAN-Technologien befassen, Es ist wichtig, die Hauptkategorien zu verstehen, unter die sie fallen. LPWANs können grob in zwei Gruppen eingeteilt werden: diejenigen, die in nicht lizenzierten Frequenzbändern arbeiten (wie LoRa und SigFox), und Mobilfunktechnologien, die innerhalb lizenzierter Frequenzbänder funktionieren und den 3GPP-Standards entsprechen (wie LTE-M und NB-IoT). Unten, Wir werden einige aktiv eingesetzte LPWAN-Technologieoptionen untersuchen.

Mobilfunk-LPWAN (Lizenziertes Spektrum)

Mobilfunk-LPWANs erfordern eine Genehmigung durch Regierungs- oder Regulierungsbehörden und nutzen in der Regel bestehende Netzwerkbetreiber’ Infrastruktur. jedoch, Sie erfordern eine zuverlässige Verbindung zwischen Gerät und Basisstation, Daher eignet es sich besser für dicht besiedelte Gebiete wie städtische Zentren, Wohngebiete, und Industrieparks. Zu den Mobilfunk-LPWAN-Standards gehört EC-GSM-IoT, LTE-Kat. M1 (LTE-M) und NB-IoT, Betrieb im LTE-Spektrum (700MHz-3,5 GHz).

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT oder Extended Coverage GSM IoT wurde ursprünglich von 3GPP in Release eingeführt 13. Es handelt sich um eine zellulare LPWAN-Technologie, die auf eGPRS basiert, Ziel ist es, die vorhandenen Mobilfunknetze und -infrastrukturen zu nutzen (Meistens 2G/GSM) zum Aufbau einer Remote-IoT-Kommunikation. Es nutzt lizenzierte Frequenzen, um zuverlässige und sichere Kommunikation bereitzustellen. Im Vergleich zu anderen Mobilfunktechnologien, GSM bietet eine größere Abdeckung. Seine verbesserte Version, eGPRS/EDGE, behält diesen Vorteil bei und unterstützt gleichzeitig höhere Datenraten.

Schmalband-IoT (NB-IoT)

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

LTE-M

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

LTE-M wurde in der 3GPP-Version ursprünglich als Low-Cost MTC bezeichnet 12 und später in Release in eMTC umbenannt 13. Verbesserungen in allen 3GPP-Versionen haben die Fähigkeiten von LTE-M erweitert. Veröffentlichungen 14 und 15 aktivierte Unterstützung für verbesserte Abdeckungsniveaus mit Mobilität. Freigeben 14 VoLTE hinzugefügt (Voice-over-LTE) Fähigkeit. Freigeben 15 Darauf aufbauend mit neuen Anwendungsfällen für IoT-Geräte mit höherer Mobilität. Freigeben 16 setzte die Entwicklung mit Verbesserungen für die Koexistenz mit 5G New Radio fort (NR).

Nicht-zellulares LPWAN (Nicht lizenziertes Spektrum)

Nicht-zellulare LPWANs arbeiten in nicht lizenzierten ISM-Frequenzbändern und sind nicht auf die Infrastruktur des Netzbetreibers angewiesen. Geräte übertragen Daten direkt oder über Gateways an Anwendungs-/Netzwerkserver. Neben LoRa, Zu den anderen nicht-zellularen LPWANs gehört Sigfox, Schwerelos, RPMA, Symphonie-Link, und Wize, DASH7, etc. Nutzung des Sub-GHz-Frequenzbandes mit Kommunikationsgeschwindigkeiten von ~100 Bps bis 250 Kbps und Entfernungen von 2 km bis 100 km. Nicht-zellulare LPWANs werden typischerweise in abgelegenen Gebieten mit begrenzter Mobilfunkabdeckung eingesetzt, Bergregionen, Inseln, und für dedizierte Unternehmensnetzwerkimplementierungen.

LoRa/LoRaWAN

LoRa ist die PHY-Spezifikation des Protokollstapels, bezieht sich insbesondere auf die von Semtech entwickelte proprietäre Chirp-Spread-Spectrum-Modulation. Das LoRaWAN Der Standard definiert das Protokoll der MAC-Schicht und die Systemarchitektur, die über der LoRa-PHY-Schicht betrieben wird, gepflegt von der LoRa Alliance, das mit fast schnell wächst 500 Mitgliedsunternehmen weltweit.

LoRa ist in erster Linie für die Uplink-Kommunikation von mehreren Endgeräten zu Gateways gedacht, Verwendung codierter Nachrichten über verschiedene Kanäle und Datenraten hinweg, um Kollisionen zu reduzieren und die Gateway-Kapazität zu erhöhen. Es eignet sich gut für Anwendungen, die kleine Datenmengen und seltene Kommunikation sowohl in städtischen als auch ländlichen/entlegenen Gebieten erfordern. Ein einziges LoRaWAN-Gateway kann Verbindungen von zahlreichen 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, die nach dem Unternehmen Sigfox benannt ist, das sie erstmals eingeführt hat. Es nutzt Ultraschmalbandfunk, um eine extrem große Reichweite zu erreichen, Drahtlose IoT-Konnektivität mit geringem Stromverbrauch.

jedoch, Die geringe Bandbreite von Sigfox schränkt die Downlink-Fähigkeit zur Datenübertragung an Geräte erheblich ein. Und das extrem schmale Band kann zu potenziellen Interferenzproblemen führen. Trotz dieser Einschränkungen, Sigfox ist nach wie vor ein führender LPWAN-Anbieter und hat in Europa erfolgreich Fuß gefasst.

Schwerelos

Die Weightless Special Interest Group ( Schwerelose SIG) wurde gegründet in 2008, Ziel ist die Standardisierung der LPWAN-Technologie. Zu den Mitgliedern der Fördergruppe gehört Accenture, M2COMM, ARM, Sein Handy, und Sony Europe.

Weightless besteht aus drei Varianten, die auf unterschiedliche Anwendungsszenarien zugeschnitten sind: Schwerelos-W, Schwerelos-N, und Weightless-P. Weightless-W arbeitet im TV-Weißraum (TVWS) Band und hat eine komplexere Bereitstellung. Weightless-N ähnelt Sigfox, Dabei handelt es sich um ein Schmalbandprotokoll, das im nicht lizenzierten Sub-GHz-Band läuft, Wird von NWave verwendet. Insgesamt, Weightless-N und Weightless-P haben im Vergleich zu Weightless-W mehr Aufmerksamkeit und Einsatz erhalten.

Symphonie-Link

Symphony Link ist ein von Link Labs entwickeltes LPWAN-Protokoll, ein Mitgliedsunternehmen der LoRa Alliance. Während Link Labs die LoRa-Physical-Layer-Chipsätze von Semtech verwendet, Sie haben ihren eigenen benutzerdefinierten MAC-Layer-Software-Stack namens Symphony Link implementiert, anstatt die offene LoRaWAN-Spezifikation zu verwenden.

Im Vergleich zum LoRaWAN-Standard, Die Hauptunterschiede bei Symphony Link sind einige verbesserte Netzwerkfunktionen wie zuverlässige Nachrichtenzustellung und dynamische Netzwerkerweiterung durch Hinzufügen von Gateways.

Anwendungen von LPWAN-Technologien

LPWAN ist der Gewinner hinsichtlich Reichweite und Stromverbrauch. Durch die Nutzung von LPWAN ist es möglich, Daten von Sensoren aus der Ferne zu sammeln und über große Entfernungen zu verfolgen. In diesem Abschnitt, Wir werden einige seiner praktischen Anwendungsfälle untersuchen.

Intelligente Gas- und Wassermessung

Automatisierte Zählerablesesysteme nutzen LPWANs für die drahtlose Fernerfassung von Verbrauchsdaten von Versorgungsunternehmen, einschließlich Strom, Gas, und Wasser. Vorbei sind die Zeiten, in denen Bediener die Daten manuell prüfen und aufzeichnen mussten. Benutzer können auch Einblick in die Menge der Verbrauchsdaten erhalten, die sie täglich verwenden.

Intelligente Gebäude

Innerhalb der Gebäude, LPWANs werden in Wohngebieten eingesetzt, kommerziell, und Industrieanlagen, um sie intelligenter zu machen. Einstellungen zu Hause, Smart-Home-Geräte wie Smart-Schlösser, HVAC-Systeme, und Beleuchtung können über LPWAN integriert und zentral verwaltet werden. In Büro- und Gewerbegebäuden, LPWAN ermöglicht die Zentralisierung der Überwachung der Raumbelegung und von Sicherheitssystemen wie Türsensoren.

Intelligentes Abfallmanagement

Intelligentes Abfallmanagement wird immer häufiger für Smart-City-Initiativen eingesetzt. In Mülleimern installierte Sensoren können den Füllstand überwachen, Übertragung von Daten über LPWAN an das zentrale System. Bei Erreichen vorgegebener Füllstände, Für eine rechtzeitige Abholung und Entsorgung werden Warnmeldungen generiert. Außerdem, Es ist möglich, Standortinformationen zu Müllfahrzeugen zu erhalten, indem LPWAN-Tracker damit ausgestattet werden.

Intelligentes Parken

In intelligenten Parksystemen, Die LPWAN-Technologie ermöglicht die Echtzeitüberwachung und -verwaltung der Parkplatzbelegung. In Parklücken installierte Sensoren können den Belegungsstatus genau erkennen. Benutzer können die verfügbaren Parkplätze über eine mobile App prüfen und das Parken aus der Ferne bezahlen.

Intelligente Landwirtschaft

LPWANs expandieren zu intelligenten Landwirtschaftssystemen. Landwirte können verschiedene Sensoren installieren (Bodenfeuchtigkeit, Temperatur, Feuchtigkeit, Licht, etc.) In Feldern. Mithilfe von LoRaWAN oder anderen LPWANs wie NB-IoT können sie dann aus der Ferne Daten von diesen Sensoren sammeln.

Beliebter Vergleich von lizenziertem und nicht lizenziertem LPWAN

Angesichts der zahlreichen verfügbaren LPWAN-Technologien, Eine sorgfältige Auswahl ist entscheidend. Laut IoT Analytics’ Schätzungen der Marktforschung, durch 2024, Über 97% der LPWAN-Systeme werden mit LTE-M bereitgestellt, NB-IoT, Sigfox, oder LoRa-Technologien. Deshalb, Wir vergleichen die Oberseite 4 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 vorhandene LTE/GSM-Netzwerke nutzt, um IoT-Geräten Konnektivität mit geringer Bandbreite bereitzustellen. Es erhöht den Stromverbrauch des Geräts, Systemkapazität, Spektrumeffizienz und umfassende Abdeckungsleistung, passend für Industrie, Gebäudeautomation, intelligente Stadt, IoT-Anwendungsfälle für Gesundheitsüberwachung und Katastrophenhilfe.

LTE-M zielt auf ähnliche Anwendungen wie NB-IoT ab, verfügt jedoch über eine höhere Bandbreite, um höhere Datenraten und eine höhere Sicherheit zu ermöglichen, allerdings bei höherem Stromverbrauch. Es eignet sich für Anwendungen, die einen höheren Durchsatz erfordern, wie z. B. Videoüberwachung, bei denen die Leistungsbeschränkungen weniger streng sind.

Sigfox und LoRaWAN sind Nicht-3GPP-Technologien, die im nicht lizenzierten Spektrum betrieben werden. Ihre schmalen Bandbreiten ermöglichen einen Betrieb mit extrem geringem Stromverbrauch für seltene Übertragungen kleiner Nutzlasten von Endpunkten, die eine mehrjährige Batterielebensdauer erfordern, allerdings mit geringen Datenratenbeschränkungen. Sigfox legt Wert auf geringen Stromverbrauch und einfache Bereitstellung, verfügt jedoch nicht über einen Downlink für Firmware-Updates. LoRaWAN unterstützt bidirektionales Gerätemanagement zu geringen Kosten. Beides kann einer intelligenten Landwirtschaft dienen, Asset-Tracking und damit verbundene IoT-Überwachungsszenarien mit geringem Durchsatz.

LPWAN ist die Zukunft

Als sich schnell entwickelnde neue Technologie, Die LPWAN-Landschaft befindet sich in einem Entwicklungsstadium und ist noch nicht ausgereift. Mit zahlreichen Marktteilnehmern, Die Gewinner stehen nicht eindeutig fest, insbesondere angesichts des unsicheren Tempos der Marktexpansion. Auch die langfristige Leistung jeder LPWAN-Variante bleibt ungewiss, da sich viele noch in der Anfangsphase der Bereitstellung befinden und es an umfassendem Wissen mangelt, groß angelegte Praxistests.

Eigentlich, Untersuchungen von ABI Research deuten auf einen prognostizierten Anstieg der Akzeptanz von IoT-Geräten hin, mit einer Schätzung 5.3 Milliarde Es wird prognostiziert, dass IoT-Geräte LPWAN-Technologien nutzen werden 2030. Es ist vielversprechend, dass LPWAN die am schnellsten wachsende Konnektivitätsdomäne auf dem Markt ist. Treiber dieses Wachstums ist die Nachfrage nach Anwendungsfällen wie der Fernüberwachung, die seltene Datenübertragungen und einen batteriebetriebenen Betrieb erfordern, Eigenschaften, für deren Bewältigung LPWAN-Technologien besonders gut geeignet sind.

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