LPWAN vs. Mobilfunk

Beim Aufbau eines Sensor-Netzwerks hat man die Wahl zwischen LTE-basierten Mobilfunknetze und LPWAN-Funktechniken.

Eigenschaften Mobilfunk

  • Das Sicherheitsniveau der LTE-basierten Standards ist höher als bei LPWAN-Funktechniken. Beim Verbindungsaufbau werden die Sicherheitsmerkmale der SIM-Karte mitverwendet. Das macht Verwechslungen unmöglich.
  • Mobilfunk-Verbindungen über exklusive Frequenzen sind weniger störanfällig.
  • Die Betriebskosten erscheinen überschaubar. Die Tarife haben mehrjährige Laufzeiten, enthalten genügend Volumen für IoT-Zwecke und kosten pro Gerät wenige Euro.
  • LTE-basierte Mobilfunktechniken stellen den besten Übertragungsweg für den Redundanz- und Rückmeldekanal von Alarmierungsnetzen dar. Sie sind robuster, zuverlässiger, sicherer und flexibler.
  • Mobilfunktechniken bieten die höchsten Übertragungsrate.
  • Der LTE-basierte Mobilfunk verbraucht generell mehr Energie, da in regelmäßigen Abständen eine Synchronisation mit dem Netz erfolgen muss und längere Tiefschlafphasen der Funkmodule nicht vorgesehen ist.

Eigenschaften LPWAN

  • Netzverbindungen für Geräte oder Anlagen, die ursprünglich nicht als vernetzungsfähig geplant waren.
  • Die Latenz ist mit 1,4 bis 10 Sekunden sehr hoch und deshalb nicht für zeitkritische Anwendungen und Echtzeit-Systeme geeignet.
  • Für mobile Anwendungen kann man die Technik nur beschränkt nutzen, weil das Handover fehlt, also die gleitende Weitergabe einer Verbindung von Zelle zu Zelle.
  • LoRaWAN erlaubt einen sehr günstigen Aufbau von Private Networks.
  • Wenn öffentliche Netze nicht verfügbar sind, dann lassen sich eigene Systeme mit lizenzfreien Funktechniken einsetzen.
  • Ein lizenzfreies LPWAN ist nicht dafür ausgelegt, eine lückenlose Mobilität bei hohen Geschwindigkeiten zu gewährleisten.

Fazit

Es spricht viel dafür, dass sich die beschriebenen Funktechniken eher komplementär und nicht im Verdrängungswettbewerb entwickeln.
Speziell für IoT-Anwendungen entwickelte und aufgebaute LPWAN-Funknetze, werden aber nur für spezielle Anwendungen eine Rolle spielen. Der große Sprung steht hier noch bevor. Hier kämpfen mehrere Standards und Implementierungen um Marktanteile und Aufmerksamkeit.


Das Mobilfunknetz als Low-Power-WAN

Low Power Wide Area Networks (LPWAN) sind Vernetzungskonzepte bei denen eine hohe Netzabdeckung und ein geringer Energieverbrauch die zentralen Kriterien beim Betrieb eines solchen Funknetzwerks für ein Internet der Dinge maßgeblich sind.
Typische IoT-Geräte sind Sensoren und Aktoren, die keine konstante Verbindung benötigen und auch keine hohen Datenmengen übertragen. Viele davon befinden sich in Gebäuden oder an entlegenen Orten. Es wird also ein Netz mit extrem hoher Abdeckung benötigt, das eine große Anzahl von Teilnehmern gleichzeitig bedienen kann.

Das LTE-Mobilfunknetz ist für die typischen Anforderungen des Internets der Dinge nicht geeignet. Die Einschränkungen ergeben sich aus der Komplexität der Mobilfunkmodems, dem hohen Stromverbrauch und der geringen Reichweite und Netzabdeckung.
Denkbar wäre die Nutzung niederer Gerätekategorien, wie zum Beispiel Cat. 1 oder sogar Cat. 0. Doch das löst die netzseitigen Einschränkungen nicht auf.

Die Standardisierungsorganisation 3GPP hat LTE-Cat-M1 und LTE-Cat-NB1 genau auf IoT-Anwendungen zugeschnitten. Beide Spezifikationen reduzieren die Komplexität des Funkmoduls. So sind Antenne und Transceiver einfach gehalten und somit kostengünstig herzustellen. Sie kommen mit wenig Strom aus (unter 15 µA im Idle-Mode) und erzielen hohe Reichweiten (10 bis 15 km). Beides ist möglich, weil die maximale Datenrate empfangs- und sendeseitig begrenzt ist. Zur Authentifizierung dient wahlweise eine SIM-Karte oder eSIM.

LTE-Cat-M1 und LTE-Cat-NB1 werden weltweit als Nachfolgetechnik von 2G (GSM, GPRS und EDGE) und konkurrierender LPWAN-Lösungen positioniert. Eine flächendeckende Nutzung ist aber nur dann möglich, wenn LTE ausgebaut ist.


LTE und 5G in unlizensierten Frequenzbändern

Um im unlizensierten Frequenzbereich um 5 GHz LTE- und 5G-Mobilfunktechnik zu betreiben, gibt es verschiedene Verfahren. Alle Verfahren gehen auf UMA (Unlicensed Mobile Access) zurück, dass es schon für UMTS (3G) gab. Aktuell sind die Verfahren LAA und LTE-U, wobei LTE-LAA weltweit häufiger eingesetzt wird.

Außerdem gibt es noch WLAN-Interworking, LWA und MuLTEFire.


Warum eine Verfügbarkeit von 99% wenig aussagekräftig ist

Der Zustand des LTE-Ausbaus wird mit einer Verfügbarkeit von 99 % für das Netz der Deutschen Telekom angegeben. Da könnte man von einer nahezu lückenlosen Abdeckung ausgehen. In der Praxis sieht das anders aus. Wer viel unterwegs ist, dem werden die fehlenden 1% oft begegnen. Wie kann das sein?

Das hat mit einem unterschiedlichen Verständnis von Verfügbarkeit und Netzabdeckung zu tun.

Häufig wird die Netzabdeckung mit der geografischen Reichweite eines Funknetzes verwechselt.
Die Netzabdeckung gibt an, wie viel Prozent der Bevölkerung eines Landes das Mobilfunknetz nutzen können.
Die Fläche, die durch alle Basisstationen des Funknetzes versorgt wird, wird als Versorgungsbereich bezeichnet.

Das bedeutet, eine hohe Netzabdeckung oder Verfügbarkeit ist wenig aussagekräftig. Wichtig ist der Versorgungsbereich. Doch der wird nicht angegeben.

Mehr Informationen:


UMTS bis 2020 ersetzen

In den AGB der Deutschen Telekom befindet sich der Hinweis, dass die 3G-Mobilfunktechnik UMTS und HSPA „vorbehaltlich einer Verlängerung nur bis zum 31.12.2020 verfügbar“ ist. Bei den anderen Netzbetreibern dürfte es ähnlich aussehen. Konkrete Aussagen, ab wann 3G nicht mehr verfügbar ist, dürften nur schwer zu treffen sein.

Was bedeutet es, wenn 3G mit UMTS und HSPA nicht mehr verfügbar ist? Welche Lösungen gibt es dafür?