LPWAN - Low Power Wide Area Network

Low Power Network (LPN) oder Low Power Wide Area Network (LPWAN) sind Vernetzungskonzepte bei denen eine hohe Netzabdeckung und ein geringer Energieverbrauch die zentralen Kriterien beim Betrieb eines solchen Funknetzwerks maßgeblich sind.

Bei Low-Power-Funknetzen geht es darum eine große Anzahl Teilnehmer in ein Netz einzubinden. Die Kommunikation in einem Low-Power-Netz ist dabei nur für einfache Nachrichten ausgelegt. Also Anwendungen, die mit einer niedrigen Bandbreite und einer hohen Latenz klar kommen. In typischen Anwendungen der M2M-Kommunikation reichen oft wenige kBit/s aus, um die notwendigen Informationen zu übertragen. Alles ist darauf optimiert, möglichst wenig Energie zu verbrauchen, damit das Funkmodul mit einer herkömmlichen Batterie mehrere Jahre betrieben werden kann.

Die meisten M2M-Anwendungen nutzen GPRS für den Datenaustausch. Allerdings bedarf es einer ausreichenden Stromversorgung, um eine Kommunikation zu gewährleisten. Außerdem ist GSM/GPRS veraltet und weltweit auf dem Rückzug. Durch den entsprechenden Bedarf haben neue Netzbetreiber Low-Power-Funknetze aufgebaut und stellen eine Alternative zu den etablierten Mobilfunknetzen dar.

Anforderungen an Low-Power-Funknetze

  • Modems mit langer Batterielaufzeit
  • geringe Anschaffungs- und Betriebskosten
  • geringe Anforderungen an die Hardware
  • sehr hohe Verfügbarkeit
  • Unterstützung einer großen Anzahl von Netzteilnehmern

Anschaffungs- und Betriebskosten

Welches Low-Power-Funknetzwerk sich durchsetzt, das entscheidet sich nicht nur nach technischen Merkmalen, sondern auch nach günstigen Herstellungskosten, sowie geringe Unterhalts- und Energiekosten. Die beeinflussen die Anschaffungs- und Betriebskosten der vernetzten Geräte.

Beispiel: Wenn ein Rauchmelder für den Kunden 10 Euro kostet und der plötzlich 30 Euro kostet, weil er vernetzt ist, dann scheidet diese Lösung vermutlich aus.

Energieverbrauch

Die Anforderung lautet, dass Funkmodule rund zehn Jahre lang mit einer einzigen AA-Batterie auskommen und weniger als 5 Euro kosten sollen. Damit das möglich ist, dürfen die Sensoren nur sporadisch Signale ins Netz senden, damit die Geräte mehrere Jahre ohne Batteriewechsel auskommen können.

Frequenzbänder für IoT-Funknetze

Für Low-Power-Funknetze kommen nur schmale Funkbänder und Frequenzbereiche mit günstigen Ausbreitungseigenschaften, hoher Reichweite und geringer Sendeleistung in Frage. Das ideale LPWAN arbeitet im Frequenzbereich unter 1 GHz.
Hier zeigt der Trend in Richtung kleiner Sendeleistungen in lizenzfreien Frequenzbändern. In Europa kommen dafür die Frequenzbereiche um 433 und 868 MHz infrage. Für die USA 915 MHz. Allerdings darf im Frequenzbereich von 433 MHz nur unidirektional übertragen werden. Für funkbasierte Garagenöffner und Steckdosen ist das in Ordnung, aber nicht für kritische Anwendungen auf Distanz über mehrere Kilometer.
Im europäischen Raum fokussiert man sich deshalb auf die Frequenzen 868 MHz und alternativ 2,4 GHz.

Vorteile

  • keine hohen Lizenzkosten wie bei klassischen Mobilfunknetzen
  • geringerer Aufwand mit Regulierungsbehörden
  • keine langwierigen und entsprechend teuren Baugenehmigungsverfahren für Senderstandorte
  • schneller Rollout ohne Ärger mit Anwohnern und Umweltschützern

Nachteile

  • Wegen der kleinen Sendeleistung (nur wenige mW) sind viele Senderstandorte nötig, um eine brauchbare Flächendeckung zustande zu bringen.
  • Die Übertragungsrate ist auf wenige dutzend oder einigen 100 Bit/s begrenzt. Es können also nur kleine und kurze Meldungen übertragen werden.

Übersicht: LPWAN-Lösungen

Bei UNB (SigFox), RPMA (Ingenu) und LoRa/LoRaWAN handelt es sich um proprietäre Techniken, die auf lizenzfreiem Frequenzspektrum mit schmalbandigen Übertragungen arbeiten.

  • LoRa / LoRaWAN: offener Industriestandard
  • UNB: propritäre Funktechnik von Sigfox
  • RPMA: propritäre Funktechnik von Ingenu

Im klassischen Mobilfunknetz arbeitet man mit dem sogenannten Network Slicing. Damit teilt man das Netz bzw. das Frequenzspektrum in "Scheiben", die jeweils ganz gezielt auf unterschiedliche Anforderungen optimiert sind.

  • EC-GSM-IoT: IoT-Anwendung in GSM-Bändern
  • eMTC / LTE-M: Nutzung des IoT in LTE (3GPP Release 12/13)
  • NB-IoT: schmalbandige IoT-Lösung für LTE (3GPP)
  • LTE-AP: herkömmliches LTE-Modem im Power-Saving-Modus (3GPP)

LoRa / LoRaWAN - Long Range Wide Area Network

LoRa bzw. LoRaWAN ist ein offener Funkstandard für ein Low Power Wide Area Network (LPWAN) und ergänzt das klassische Mobilfunknetz um ein IoT- oder M2M-Netzwerk mit bidirektionaler Kommunikation. Hier geht es darum, die Erreichbarkeit der "smarten Dinge" zu verbessern.

UNB - Ultra-Narrow-Band Modulation (von Sigfox)

Ultra-Narrow-Band Modulation, kurz UNB, ist ein globales Funknetzwerk, das von Sigfox, einem französischen Telekommunikationsunternehmen, betrieben wird. UNB eignet sich, um Objekte mit geringem Datenaufkommen und Energiebedarf drahtlos mit dem Internet der Dinge zu verbinden.

Wi-SUN

Wi-SUN der Wi-SUN Alliance setzt den Standard IEEE 802.15.4g ein, um ein schmalbandiges Funknetzwerk zu bilden. Eine Besonderheit ist seine Mesh-Topologie mit Selbstheilungsfähigkeit und ist somit für Field Area Networks (FAN) besonders geeignet.

EC-GSM-IoT - Extended Coverage GSM for IoT (3GPP)

Bei EC-GSM-IoT (Extended Coverage GSM for IoT) wird die Übertragungsgeschwindigkeit zugunsten einer besseren Netzabdeckung (Coverage) im GSM-Netz reduziert.

eMTC - Enhanced Machine Type Communications (3GPP)

Enhanced Machine-type Communications, kurz eMTC, ist eine Spezifikation der 3GPP womit die LTE-Netzbetreiber ihre Mobilfunknetze für die typischen Anwendungen im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) nutzbar machen können. eMTC ist als ergänzender Standard zu sehen, der innerhalb bestehender LTE-Netze betrieben wird.

NB-IoT - NarrowBand-IoT / LTE-Cat-NB1 (3GPP)

NarrowBand-IoT ist eine Spezifikation der 3GPP und wird auch unter dem Namen LTE-Cat-NB1 geführt. Die LTE-Netzbetreiber können mit NarrowBand-IoT ihre Mobilfunknetze für die typischen Anwendungen im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) nutzbar machen.

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