Expertenbeitrag

Harald  Naumann

Harald Naumann

, tekmodul GmbH

"Niedrigenergie-IoT"

LPWA-Technologien - ein Vergleich

| Autor/ Redakteur: Harald Naumann / Jürgen Schreier

LPWAN ist die Abkürzung für Low Power Wide Area Network. Gemeinsames Merkmal der LPWA-Techniken ist ihr geringer Energieverbrauch. Der Beitrag vergleicht die bekanntesten Systeme: NB-IoT, LoRaWAN und SIGFOX.

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Weitbereichsfunk: Welche LPWA-Technologie eignet sich für was?
Weitbereichsfunk: Welche LPWA-Technologie eignet sich für was?
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Was bedeutet LPWAN? LPWAN ist die Abkürzung für Low Power Wide Area Network. Zu den Wide Area Networks (= Weitbereichsnetzwerken) gehören unter anderem GSM, UMTS und LTE; zu den LPWAN zählen NB-IoT, LoRaWAN, SIGFOX, Weightless und viele mehr.

Die Formulierung Low Power ist unglücklich gewählt. Power ist das englische Wort für Leistung, die hier wiederum unbedeutend ist. Was zählt, ist der Energieverbrauch, und die Energie erhält man, indem man die Leistung mit der Zeit multipliziert. Besser wäre somit LEWAN. Überhaupt wird in der LPWA-Welt mit vielen Begriffen umhergeworfen, Thesen aufgestellt, aber die Fakten oft nicht hinterfragt. In diesem Artikel wollen wir etwas Licht in das Dunkel der Begriffe bringen und ein paar Unterschiede der LPWAN aufzeigen.

Low Power – Leistung – Energie

Wie bereits erwähnt, ist Leistung das falsche Wort. Die Batterie speichert Energie und keine Leistung. Auf der Batterie steht die Kapazität in mAh, wobei es sich hierbei noch nicht um eine Energiemenge handelt. Die Energie erhält man, wenn man Spannung x Strom x Zeit multipliziert. Wenn man die 2000 mAh einer AA-Zelle mit der mittleren Klemmenspannung multipliziert, erhält man Energie in mWh. 2000 mAh x 1,2 Volt ergeben 2400 mWh = 2,4 Wh. In der Elektronikindustrie neigen wir dazu, Wh oder Ws und Joule zur Beschreibung des Energieverbrauchs zu verwenden. In der Ernährungsindustrie werden Kalorien verwendet.

Wir könnten den Stromverbrauch eines LPWAN-Moduls auch in Kalorien ausdrücken. 1 Joule sind 0,239006 Kalorien. 1 Joule entspricht auch 1 Ws. Wattstunden (Wh), oder besser gesagt Kilowattstunden (kWh) zählt der Stromzähler. Er zählt auch nicht den Strom, sondern die verbrauchte Energie und ist somit ein Energiezähler. Ein Tag hat 24 Stunden x 60 Minuten x 60 Sekunden = 86.400 Sekunden. Unsere AA-Zelle speichert somit 2400 x 86.400 mWs = 207.360.000 mWs. Betrachten wir nun den Stromverbrauch der LPWAN-Module mal etwas genauer.

LPWAN-Module im Vergleich bei 154 dB Link Budget

Eine SMS mit 33 dBm Sendeleistung, inklusive Einbuchen in das GSM-Netz im Band 8 (880 MHz – 960 MHz), benötigt circa 4000 mWs. Alle LPWA-Module auf Basis NB-IoT, LoRaWAN oder SIGFOX benötigen weniger Energie als die SMS. Wenn man die Technologien auf den Modulen mit Chipsets in Serie aus dem Jahr 2018 vergleicht, so trennt sich die Spreu vom Weizen.

Um es vergleichbar zu machen, betrachten wir die LPWA-Module zunächst einmal bei 154 dB Link Budget (LB). Das maximale Link Budget ist das Delta aus abgestrahlter Leistung und Empfindlichkeit plus Antennengewinn der Antennen am Sender und am Empfänger. Das Link Budget ist bei SIGFOX und LoRaWAN im Upload und Download unsymmetrisch.

Diese Asymmetrie führt dazu, dass eine Meldung in die eine oder andere Richtung nicht quittiert werden kann. Die 154 dB Link Budget sind bei NB-IoT mit CL Level 1 benannt. Der CL-Level gibt die Güte der Verbindung an. Würden wir das maximale Link Budget von 164 dB zum Vergleich ansetzen, würden SIGFOX und LoRaWAN aus diesem Vergleich herausfallen. SIGFOX ist leider auf ca. 153 dB im Downlink begrenzt und kann auch nur 12 Byte pro Telegramm im Upload übertragen. Daher begrenzen wir den Vergleich auf 12 Byte pro Meldung.

Die 164 dB Link -Budget bei NB-IoT sind 20 dB besser als die maximalen 144 dB Link-Budget bei GSM. 3 dB Gewinn bedeuten, dass sich bei GSM 900 mit 33 dB Sendeleistung der mittlere Sendestrom von 200 mA bei GSM 1800 auf 100 mA reduziert. Da sich die Leistung aus Strom x Spannung x Zeit berechnet, reduziert sich die Energie bei GSM 1800 von 4000 mWs auf 2000 mWs. Um aber das Link Budget von 144 dB auf 153 dB (144 dB + 3 dB + 3 dB + 3 dB) zu erhöhen, müssen wir die 4000 mWs dreimal verdoppeln. Bei 33 dBm + theoretischen 9 dB = 42 dBm hätten wir 4000 mWs x 8 = 32.000 mWs Energieverbrauch.

Energieverbrauch bei SIGFOX EU

In Europa ist die maximale Sendeleistung bei SIGFOX-Modulen auf 14 dBm begrenzt. Beim proprietären LPWA-Protokoll von SIGFOX wird jedes Telegramm unabhängig vom Pfadverlust dreimal mit maximaler Leistung gesendet. Der Pfadverlust setzt sich aus der Freifelddämpfung, durch Fading und Umgebung wie zum Beispiel Verluste in der Wand des Gebäudes zusammen. Solange der Pfadverlust kleiner ist als das maximale Link-Budget, wird der Empfänger ein Signal empfangen. Die Modulation wird beim SIGFOX-Protokoll nicht nachgeregelt. Das Ergebnis sind drei Sendepakete mit ca. 333 mWs = 1000 mWs pro Meldung, selbst wenn man direkt unter der Basisstation steht.

Das Funkprotokoll von SIGFOX arbeitet nach dem Aloha-Prinzip. Es prüft nicht, ob der Kanal frei ist, und nimmt die Kollision mit anderen Teilnehmern im Kauf. Durch das dreimalige Aussenden auf drei zufälligen Kanälen der 192 möglichen Kanäle wird die Wahrscheinlichkeit der Kollision mit anderen SIGFOX-Teilnehmern verringert. Sollten aber andere Geräte im lizenzfreien Band in der Nähe des Funkmoduls sein, dann geht das Telegramm im Download eventuell verloren.

Im Upload ist die Wahrscheinlichkeit der Kollision geringer, weil die Antenne der Basisstation im Allgemeinen auf einem hohen Standort steht. Sind aber genügend LoRa-Module oder andere Sender im gleichen Band nahe genug an der SIGFOX-Basisstation, drücken diese das SIGFOX-Telegramm weg. Im lizenzfreien Band gibt es keine Ordnung und fast jeder sendet, wann er möchte. Die Energieverschwendung durch Paketverluste wird in diesem Artikel nicht weiter betrachtet.

Energieverbrauch bei LoRaWAN EU

LoRaWAN arbeitet ebenso nach dem Aloha-Prinzip. Um LoRaWAN vergleichbar zu machen, nehmen wir einfach drei Wiederholungen an. Ein LoRa-Modul kann nach jeder Aussendung prüfen, ob eine Quittung mit Empfangsbestätigung ankommt. LoRaWAN regelt die Modulation in Form des Spreizfaktors nach. Mit jedem Sprung des Spreizfaktors halbiert sich die Empfindlichkeit um 3 dB. Gleichzeit halbiert sich die Energie für die gleiche Nachricht um 50 Prozent. Wenn wir nun das Link Budget von 154 dB auf 144 dB (154 dB – 3 dB – 3 dB – 4 dB) senken, dann senkt sich die nötige Energie um Faktor 8. Je näher das LoRa-Modul an der Antenne des Gateways ist, desto weniger Zeit und Energie muss aufgewendet werden.

Um das zu verdeutlichen, wird in der Tabelle bei 144 dB LB noch einmal verglichen. LoRaWAN benötigt mit drei Aussendungen 557 mWs. Mit zwei Aussendungen sind es 371 mWs und mit nur einer Aussendung sind es nur 186 mWs. Ein LoRaWAN in der Mitte der Wüste oder Antarktis würde wohl kaum gestört werden. Anders in Europa: LoRaWAN-Gateways in Europa haben meist nur 8 Kanäle, und wenn genügend Teilnehmer da sind, dann stören die sich irgendwann gegenseitig. Ein paar Eisbären, die alle 15 Minuten ihre Daten senden, würden mit den 186 mWs gut klarkommen. Unsere Energiezähler, Umweltdatensensoren und Fahrzeuge sind im Gegensatz zu den Eisbären mitten in der Stadt. Andere Teilnehmer wie SIGFOX-Funkmodule sind eventuell auch in der Nähe. RFID auf 868 MHz stört laut der Studie [1] an der Universität von Aalborg stark in der Nähe von Einkaufszentren und Krankenhäusern. Ohne Wiederholungen zu kalkulieren ist nicht realistisch.

Energieverbrauch NB-IoT in EU

NB-IoT benötigt bei der erstmaligen Anmeldung im Netz bei 154 dB Link Budget circa 6000 mWs. Danach sind nur noch circa 480 mWs für 12 Byte nötig. Entgegen von landläufigen Berichten bleibt es auch beim Wechsel der Zelle bei 480 mWs. Die Nachbarzellen kennen die ID des NB-IoT-Gerätes schon. Mehr noch - alle Zellen in einer Tracking Area (TA) kennen uns bereits. In allen Basisstationen der gleichen TA ist keine Anmeldung mehr nötig. Laut Deutsche Telekom umfasst eine TA mehrere Bundesländer. Wer es genau wissen will, macht seinen NB-IoT-Test mit Vodafone in den Niederlanden. Das ganze Land ist eine TA und die TA kann jeder mit den richtigen AT-Befehlen aus dem NB-IoT-Modul auslesen.

NB-IoT ist somit im ersten Anlauf besser als SIGFOX. NB-IoT regelt die Modulation ähnlich LoRaWAN nach. Bei 144 dB wird pro Byte weniger Zeit aufgewendet und nur noch ca. 280 mWs benötigt. NB-IoT reduziert automatisch die Anzahl der Wiederholungen. Mit den mehr oder weniger Wiederholungen wird die nötige Energie pro Telegramm reguliert. Ab einem Link-Budget von besser als 144 dB beginnt NB-IoT, die Sendeleistung zu reduzieren. Der Energieverbrach sinkt dann unter 280 mWs. NB-IoT ist doppelt so dynamisch und regelt die Zeit pro Telegramm und die Sendeleistung nach. Im Ergebnis benötigt NB-IoT bei 154 dB Link Budget mit 480 mWs ähnlich viel Energie wie LoRaWAN mit zwei Wiederholungen und 370 mWs bzw. bis 560 mWs mit 3 Wiederholungen.

Energieverbrauch beim Empfangsbetrieb

Bei SIGFOX gibt es keinen dauerhaften Empfangsbetrieb. Ein Empfang ist nur nach dem Senden möglich und auf viermal am Tag mit 8 Byte begrenzt. Dazu erfolgt nach der Anforderung ein ca. 25 Sekunden langes Empfangsfenster mit 2500 mWs für 8 Byte. Bei LoRaWAN ist das besser gelöst. Am besten aber ist es bei NB-IoT mit Zeitsynchronisation im TDMA-Verfahren umgesetzt.

Wenn man aber den Empfangsbetrieb bei NB-IoT alle 5 Sekunden aktiviert, erhöht sich der Energieverbrauch. NB-IoT gibt uns die Freiheit, das Empfangsfenster nur nach dem Senden zu öffnen, einmal am Tag oder alle paar Tage ohne vorheriges Upload. Bei NB-IoT sind viel mehr Parameter durch den Entwickler einstellbar als bei den anderen LPWA-Technologien in diesem Vergleich.

Gewinner und Verlierer des Vergleiches bei 154 dB Link Budget

Wenn man GSM auf SMS mit SIGFOX, LoRaWAN und NB-IoT vergleicht, dann gibt es drei Gewinner. SIGFOX, LoRaWAN und NB-IoT verbrauchen deutlich weniger Energie als GSM mit SMS. Wenn man LPWA mit LPWA und somit SIGFOX, LoRaWAN und NB-IoT vergleicht, dann sind die klaren Gewinner im Energieverbrauch im Sendebetrieb und auch im Empfangsbetrieb LoRaWAN und NB-IoT.

Bei den Eisbären mit wenigen Kollisionen hat LoRaWAN die Nase vorn. LoRaWAN gewinnt auch immer dann, wenn es um ein eigenes, privates Funknetz geht. Beim Empfangsbetrieb benötigen LoRaWAN und NB-IoT nur einen Bruchteil der Energie, welche ein SIGFOX-Modul aufwenden muss. Weder SIGFOX noch NB-IoT bieten im SubGHz-Bereich die Möglichkeit ein eignes, privates LPWAN zu errichten. Das bietet nur LoRaWAN. NB-IoT wird aber in die privaten 4G und 5G-Netze auf 3700 bis 3800 MHz integriert.

3 AA-Zellen entsprechen 7.200.000 mWs. Wenn wir unsere LPWA-Module mit 3 AA Zellen betreiben, dann können wir mit LoRaWAN und NB-IoT wie folgt rechnen: 7.200.000 mWs / 500 mWs = 14.400 Nachrichten. Auf der schlechtesten Technologie können wir nur 7.200.000 mWs / 1000 mWs = 7200 Nachrichten übertragen. Und mit GSM 900 mit 33 dBm plus theoretischen 9 dB mit seinen 32.000 mWs wären es eben nur 225 Meldungen. Die AA-Zelle hat eine Selbstentladung und gibt uns bei 0 Grad deutlich weniger Energie als die 2400 Wh aus dem Datenblatt. Zwischen den AA-Zellen gibt es ebenfalls große Unterschiede. Warum aus geplanten 10 Jahren (3650 Tage) von der Batterie am Ende 2,5 Jahre (913 Tage) werden, kann viele Gründe haben.

LPWAN-Module im Vergleich bei 144 dB Link Budget

Wenn man nun einen zweiten Blick auf die Tabelle wirft und die 144 dB Link Budget betrachtet, dann reduzieren NB-IoT und LoRaWAN deutlich den Energieverbrauch, und SIGFOX bleibt statisch bei circa 1000 mWs stehen. NB-IoT prüft vor jeder Aussendung, ob eine Basisstation in der Nähe ist. LoRaWAN und SIGFOX senden ins Blaue. Ein bewegtes Objekt in Häuserschluchten wird mit NB-IoT wahrscheinlich länger senden als mit LoRaWAN. Unnötige Aussendungen werden bei NB-IoT vermieden. Der Energieverbrauch für das Prüfen des NB-IoT-Kanals ist überschaubar.

Packetgröße, Duty Cycle bei LPWA-Techniken

Packetgröße, Duty Cycle SIGFOX: Bei SIGFOX ist man auf 12 Byte pro Meldung im Upload begrenzt. Die nächste Begrenzung liegt bei 140 Meldungen pro Tag, und durch das Duty-Cycle von 1 Prozent die Limitierung auf 6 Meldungen pro Stunde. Das endet somit mit einer Meldung alle 10 Minuten. Der Eisbär bewegt sich mit 10 km/h in 10 Minuten 1,6 km. Ein Porsche 911 bewegt sich mit 308 km/h aber bereits 51 km. Sich bewegende oder gestohlene Objekte verfolgen, wird mit SIGFOX schwierig. Das M-Bus-Protokoll für Metering hat schnell bis zu 200 Zeichen pro Telegramm. SIGFOX muss da mit 12 Byte passen. Für 50 Byte sind bereits 5 Telegramme nötig. Mehr als 50 Prozent des SIGFOX -Telegramms sind Protokolloverhead, wo die meiste Energie verpulvert wird.

Wenn eines der 5 Telegramme verloren geht, dann haben wir nur heiße Luft produziert. 5 Telegramme mit 5 Quittungen sind nicht möglich, da SIGFOX auf 4 Meldungen mit 8 Byte pro Tag beschränkt ist. Ein SIGFOX-Modul kann auch nur empfangen, wenn es vorher gesendet hat. Die Module sind somit taub bzw. immun gegen eingehende Meldungen. Das ursprüngliche SIGFOX-Protokoll kannte übrigens nur Upload und keinen Download. In der Tabelle mit den Applikationen und den logischen Protokollen wird deutlich, dass SIGFOX für viele Anwendungen aus technischen Gründen nicht geeignet ist.

Packetgröße, Duty Cycle bei LoRaWAN: Die physikalische Paketgröße im LoRa-Modul beträgt 64 Byte brutto. Für den Header werden 13 Byte benötigt. Es bleiben also 51 Byte für die Nutzdaten übrig. Die im obigen Beispiel genannten 50 Byte lassen sich übertragen, wohingegen die 200 Byte mit M-Bus Protokoll schon schwieriger sind. Nichtsdestotrotz bietet LoRaWAN einen Quittungsbetrieb. Selbst das ständige Empfangen ist mit LoRaWAN möglich. Es ist zwar nicht so elegant wie bei NB-IoT gelöst, aber wer mit dem höheren Energieverbrauch klarkommt, der hat eine Lösung. Wo Licht ist, da ist auch Schatten. In den USA ist die maximale Kanalbelegungszeit auf 400 ms begrenzt. Das führt beim maximalen Link-Budget mit LoRaWAN dazu, dass nur maximal 11 Byte übertragen werden können. Es kommt somit zu 11 Byte Nutzdaten und 13 Byte Header, also 5 Telegramme für die 50 Byte. LoRaWAN USA ist eben ungleich LoRaWAN EU - das muss man bei der Entwicklung berücksichtigen.

Auf der Ölplattform gilt wie bei Schiffen Landesrecht. Bei den Eisbären ist es ähnlich. Die 400 ms sollte man nicht überschreiten. Wenn der Eisbär zwischen dem amerikanischen Teil der Antarktis und dem von Norwegen wandert, wird es schwierig. Wer also internationale Anwendungen plant, muss sich mit ungleichen Frequenzen in Europa, USA und Australien herumärgern. Für eine landesweite Anwendung wie zum Beispiel in Gewächshäusern ist LoRaWAN gut geeignet. Wenn man seine Telegramme auf 11 Byte begrenzt oder auf 3 bis 6 dB Link Budget verzichtet, dann stehen 51 Byte zur Verfügung. Man muss aber bedenken, dass wir in Europa ein Duty-Cycle von 10 Prozent für das Gateway haben.

LoRaWAN ist nicht gut für den Download-Betrieb geeignet. Hinzu kommt, dass ein LoRaWAN-Gateway nur Halbduplex kann. Sobald das Gateway im Sendebetrieb ist, gehen alle gesendeten Telegramme von den LoRa-Sensoren verloren. LoRaWAN ist für Upload optimiert. Download ist bei LoRaWAN mit dem Netzbetreiber Orange unerwünscht. Da entstehen laut Preisliste hunderte bis tausende Euro an Kosten im Monat. LoRaWAN ist im lizenzfreien Band und muss sich den Störungen im Stadtgebiet wie im Fachartikel „Interference Measurements in the European 868 MHz ISM Band with Focus on LoRa and SigFox“ [1] beugen.

Packetgröße, Duty Cycle bei NB-IoT: Bei NB-IoT gibt es kein Duty-Cycle und keine maximale Kanalbelegungszeit. Es gibt ein TDMA mit Zeitmultiplex. Es gehen also bei der Basisstation im Sendebetrieb keine Meldungen verloren. Außerdem gibt es keine Begrenzung von 4 Meldungen mit 8 Byte pro Tag. Upload und Download sind bei NB-IoT gleichberechtigt. Die Paketgröße ist mit netto 317 Byte größer als die 200 Byte für ein M-Bus-Protokoll. Die NB-IoT-Module unterstützen bis zu 20 Bänder weltweit. Technisch sind USA, Europa und Australien gleich. Der Eisbär darf auf der Antarktis umherwandern und würde immer die richtige Frequenz wählen.

Mit NB-IoT kann man wie mit SIGFOX kein eigenes, privates LPWA errichten. NB-IoT auf Schiffen und Ölplattformen ist möglich, weil es dort Funkregulierungen gibt. Dort werden bereits private LTE-Netze betrieben. Und mit 4G und 5G auf 3500 MHz kommt NB-IoT für unsere Industrie und Firmen im Agrarbereich in Frage. NB-IoT wurde in 5G bei New Radio integriert. Volkswagen, Bayer und viele weitere deutsche Firmen haben Anträge für private 5G-Netze gestellt. 5G wird für Sprachkommunikation und kurze Latenzzeit benötigt. Obendrein ist man bei NB-IoT in allen Bändern frei von Interferenzen mit anderen Teilnehmern.

Funkprotokolle und Anwendungen für LPWAN

Die Tabelle zu den Funkprotokollen und Anwendungen zeigt deutlich die Einschränkungen. Wenn nur 12 Byte oder so gut wie kein Download bzw. Quittungsbetrieb möglich ist, kann man Protokolle mit Quittungsbetrieb wie CoAP, MQTT-S oder LWM2M nicht nutzen. Wenn das M-Bus-Protokoll 200 Byte benötigt, können Funkprotokolle mit 11 bzw. 12 Byte pro Meldung nicht berücksichtigt werden. Wenn ein Taxiterminal Adressen mit ca. 200 Zeichen empfangen soll und immer empfangsbreit sein soll, dann geht das weder mit SIGFOX noch mit LoRaWAN. NB-IoT gibt uns die Freiheit, alle 5 Sekunden bis hin zu alle 10 Tage in den Empfangsbetrieb zu wechseln. Bei Paging alle 5 Sekunden (Reinhören auf Empfang für ein paar ms) geht der Energieverbrauch durch den zyklischen Empfangsbetrieb hoch. Empfangsbetrieb benötigt Energie. Häufiger Empfangsbetrieb bedeutet auch häufigen Energieverbrauch.

Alle LPWA-Techniken brauchen wenig Energie, weil sie primär ausgeschaltet sind und schlafen. Kommen Empfangsfenster dazu, geht der Energieverbrauch hoch. Bei NB-IoT und beim bisher nicht erwähnten LTE-M können wir als Anwender frei entscheiden, wie oft wir pro Stunde oder pro Tag empfangen wollen. Beim Taxi wäre einmal am Tag nicht praxisgerecht. Da das Taxi aber Dauerspannung hat, sind die 5-Sekunden-Fenster kein Problem.

Die Gärtnerei oder das Gemüsefeld sind ideale Anwendungen um zu erklären, welche Funkprotolle gut passen. Die Bodenfeuchte oder Temperatur im Gewächshaus bzw. Außentemperatur kann man mit NB-IoT, SIGFOX oder LoRaWAN gut übertragen. Das macht keinen Unterschied. Eine Quittung ist nicht unbedingt nötig. Wenn wir aber die Wasserpumpe und die Sprinkler steuern und überwachen wollen, dann geht das mit SIGFOX nicht. Die Pumpe kann uns nur hören, wenn diese vorher gesendet hat. Die Pumpe kann auch nur viermal am Tag ein bzw. ausgeschaltet werden, dazu muss sie alle 10 Minuten senden, um dann zu empfangen. Die 10 Minuten Verzögerung sind bei der Pumpe eventuell zu verkraften. Bei den Fenstern der Gewächshäuser ist es bei aufkommendem Sturm kritisch. Da macht man besser die Fenster schnell zu. Wenn es um weltweite Anwendungen in den Top 10 Wirtschaftsnationen geht, dann fällt SIGFOX raus.

In den USA gibt es mit SIGFOX nur Kommunikationsinseln und mit NB-IoT / LTE-M sind vier Netzbetreiber vorhanden. Öffentliches LoRaWAN gibt es in USA nur regional. In China und Indien gibt es bisher kein flächendeckendes SIGFOX. China hat aber bereits 400.000 NB-IoT-Basisstationen und wird 4.000.000 NB-IoT Basisstationen (BTS) betreiben. Hinzu kommt, dass eine Netzabdeckungskarte bei SIGFOX laut Webseite nur Abdeckung bei 14 dBm Sendeleistung Outdoor zeigt. Es sind nur ca. 2400 Gateways in Deutschland geplant. Das sind 147 km2 im Mittel pro Gateway. Dem stehen über 24.000 LTE BTS von Vodafone gegenüber.

Die Deutsche Telekom hat ein ähnlich gut ausgebautes LTE-Netz. O2 ist nun auch bei NB-IoT dabei und hat in 2018 laut Mitteilung 6800 neue LTE-Basisstationen errichtet. Wie wir am Anfang des Artikels gelernt haben, ist das Link-Budget bei den LPWA Techniken ähnlich. Die maximale Reichweite und Netzabdeckung wird durch 8 dB für Fading und 20 dB für die erste Wand eines Gebäudes begrenzt. Die in Summe von 28 dB für die Dämpfung ist für alle LPWA Techniken gleich. Alle müssen durch das gleiche Tal der Tränen und die Wände durchdringen. Mehr Antennen für Basisstationen bedeutet immer auch besser Abdeckung. Die Physik kann nun mal keiner überlisten.

Grafische Darstellung der Leistungsaufnahme über die Zeit

Die Leistungsspitzen bei GSM mit SMS können mit dem gleichen GSM-Modul bei unterschiedlichen Netzbetreibern anders aussehen. Die LPWA-Funkmodule nennen in den Datenblättern oft unterschiedlich maximale Ströme. Ob man mit 2 Volt oder 2,2 Volt Betriebsspannung kalkuliert, führt am Ende in der Energiebilanz zu einem Unterschied von 10 Prozent. Inzwischen gibt es bei NB-IoT, LoRaWAN und SIGFOX Funkmodule mit besserer Energiebilanz als in der Tabelle genannt. Da LoRaWAN und SIGFOX statische, gleichförmige Ströme benötigen, kann jeder Entwickler die Kalkulation leicht auf neue Funkmodule anpassen. Nur bei NB-IoT sind die Messungen immer sehr aufwändig und sehr dynamisch.

Vergleich der Leistung über die Zeit. SIGFOX belegt den Kanal mit 3 Telegrammen 6 Sekunden. LoRaWAN ist schneller fertig und ist in den Leistungsspitzen höher als SIGFOX. NB-IoT hat sehr kurze hohe Spitzen und kommt in Summe auf ähnliche Werte wie LoRaWAN. Um die Lesbarkeit zu erhöhen, wurden die Zahlen gerundet.

Literatur

[1] M. Lauridsen, B. Vejlgaard, I. Kovács, H. C. Nguyen und P. Mogensen, in „Interference Measurements in the European 868 MHz ISM Band with Focus on LoRa and SigFox“, 2017

Harald Naumann ist Sales Director for Funkmodule und Antennen bei Tekmodul in München und Fachpublizist für Wireless-Technologien.
Harald Naumann ist Sales Director for Funkmodule und Antennen bei Tekmodul in München und Fachpublizist für Wireless-Technologien.
(Bild: Verfasser)

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