Funktechniken im Vergleich

LPWAN - Für die Smart City reicht auch wenig Power

| Autor/ Redakteur: Armin Przirembel / Jürgen Schreier

Smart-City-Projekte basieren auf IoT-Technologie. Diese setzt eine Datenverbindung voraus. Warum sich der Funkstandard LoRaWAN - eine der vier bekanntesten LPWAN-Techniken - für das Übertragen der Daten eher anbietet als WLAN, LTE oder 5G, liegt vor allem an einem Aspekt: Leistungsstärke ist nicht das entscheidende Kriterium.

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Smart-City-Projekte basieren auf IoT-Technologie. Voraussetzung dafür ist eine Datenverbindung, die prinzipiell mit verschiedenen Funkstandards realisiert werden kann.
Smart-City-Projekte basieren auf IoT-Technologie. Voraussetzung dafür ist eine Datenverbindung, die prinzipiell mit verschiedenen Funkstandards realisiert werden kann.
(Bild: Axians)

Long Range Wide Area Network, kurz LoRaWAN, zählt zu den Funkübertragungstechniken, die man unter Low Power Wide Area Network (LPWAN) zusammenfasst. Die verbreitetsten Vertreter dieses Technologieansatzes sind – neben LoRAWAN – Sigfox, MIOTY (My Internet of Things), und NB IoT (LTE-M). Alle vier eint der stromsparende, langlebige Batteriebetrieb von einfachen Sensoren über eine relativ große Reichweite.

Solche Funknetze zeichnen sich zudem durch eine hohe Empfangsempfindlichkeit aus und lassen sich mit preiswerten Chips installieren. LPWAN kommt sofort ins Spiel, wenn jemand mit einem Smart-Projekt durchstarten will – ganz egal ob für Industrie, Logistik, Landwirtschaft oder eben Smart City.

Smart-City-Allrounder LoRaWAN

Prädestiniert für die Langstrecken-Kommunikation und störungsresistent ist LoRaWAN, für das man eine eigene Netzwerkinfrastruktur aufbauen muss. Dieser vermeintliche Nachteil relativiert sich schnell und kehrt sich sogar in einige Vorteile um. So lässt sich das Funknetz schnell und kostengünstig installieren. Eine Basisstation reicht mitunter schon aus, um einen Umkreis von bis zu 15 km abzudecken. Mit wenigen Gateways ist dann eine ganze Großstadt vernetzt.

Der offene LoRa-Industriestandard nutzt in Europa das 868-Megaherz-Frequenzband, was öffentlich und lizenzfrei ist. Wegen des eigens aufgebauten Funknetzes verbleibt die Datenhoheit bei der Stadt. Es entsteht also keine Abhängigkeit zu einem Provider. Sicherheitsrelevant ist zudem, dass die Daten beim Übertragen im LoRaWAN via AES (Advanced Encryption Standard)-Algorithmus symmetrisch im Block verschlüsselt werden. Die Datenübertragungsrate ist auf 50 kbps begrenzt. Die typisch hohen Latenzen schließen Anwendungen aus, die sich auf einen Datentransfer in Echtzeit stützen. Die Anforderung stellen die meisten Smart-City-Projekte nicht, weshalb LoRaWAN für ein breites Anwenderspektrum erste Wahl ist.

Sigfox ist Koffern auf der Spur

Hersteller Sigfox hat in vielen Ländern eine Infrastruktur aufgebaut, deren Abdeckung in Deutschland etwa 85 Prozent beträgt. Sensoren können am Tag 140 Daten übermitteln. Pro Transfer sind 12 Bytes zulässig, die in Europa über 868 MHz in die Sigfox-Cloud erfolgen, wo Anwenderfirmen Datenzugriff über eine Schnittstelle erhalten. Wichtige Einsatzgebiete sind Logistik und Tourismus, zum Beispiel das Orten von Reisekoffern, die mit Sendern ausgestattet werden.

MIOTY koordiniert im Telegramm-Split Maschinen

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) hat MIOTY als reine Software konzipiert. Das dazugehörige Netzwerk bauen Anwender über einfache Sensoren und einer leistungsfähigen Basisstation auf. Aufgrund des genutzten Telegramm-Splitting, das Datenpakete zerlegt, lassen sich zum einen mehr Daten pro Nachricht transportieren. Anderseits kann man hunderttausende unabhängige Endgeräte mit nur einer Basisstation verbinden. Zudem erhöht ein Kanalcodierungsschema die Reichweite gegenüber anderen 868-MHz-Funksystemen um das Zehnfache.

Insbesondere im Industrie-4.0-Umfeld zeichnet sich ein bevorzugtes Einsatzgebiet ab. Dem Aufbau der eigenen Infrastruktur steht auch hier die Datenhoheit gegenüber, die beim Anwender bleibt. Sensible Daten in der Dimension, wie sie MIOTY verarbeiten kann, fallen in der Regel bei Smart-City-Anwendungen jedoch nicht an.

NB-IoT als Datenautobahn für autonomes Fahren

Narrowband-IoT (NB-IoT) nutzt die bestehende Infrastruktur von LTE (Long Term Evolution)- und GSM-Netzanbieter, damit IoT-Geräte via Schmalband kommunizieren können. Die volle Datenkontrolle geben Anwenderfirmen ab. Jedoch bietet die Technik wohl den höchsten Sicherheitsstandard der bekannten LPWAN-Techniken.

LTE-M ist Teil des Release 13 des 3GPP-Standards, der einen Leistungsschub verspricht, vor allem in der Gebäudedurchdringung, Reichweite und Datenrate. Viele sehen NB-IoT daher als Schlüsseltechnologie für das autonome Fahren an, wozu aber erst einmal der neue Mobilfunkstandard 5G flächendeckend verfügbar sein muss.

LoRaWAN im Vergleich zu LTE, WLAN und 5G

LoRaWan empfiehlt sich von den LPWAN-Techniken für die meisten Smart-City-Einsatzszenarien. Andere Möglichkeiten für kabellose Kommunikation in der Smart City sind WLAN und das Mobilfunknetz. Sie haben im Vergleich zu LoRaWAN Vor- und Nachteile. Ein WLAN lässt sich kostengünstig mit Inhouse-Lösungen aufbauen. Es hat allerdings geringe Reichweiten und verbraucht viel Strom. Auch bei dicken Mauern oder in tiefen Kellern hat WLAN Probleme. Daher eignet es sich vorwiegend für die Kommunikation auf kurze Distanzen in Gebäuden.

Das Mobilfunknetz kann dagegen auch große Entfernungen abdecken und beherrscht hohe Datenraten. Es braucht allerdings viel Energie und ist außerdem teuer, da monatliche Kosten anfallen. LTE, der aktuelle Mobilfunkstandard, eignet sich für Anwendungsfälle, bei denen größere Datenmengen schnell drahtlos über weite Distanzen transportiert werden müssen.

Im Vergleich zu den anderen beiden Technologien ist LoRaWAN stromsparend, hat eine große Reichweite und kostet keine monatliche Gebühr. Dafür beherrscht es aber nur geringe Datenraten. Deshalb ist es ideal für Anwendungen in der Smart City, bei denen in erster Linie kleine Datenpakete anfallen, die nicht latenzkritisch sind und keine kontinuierliche Kommunikation erfordern.

5G - ein Zukunftsversprechen

Viele Unternehmen warten sehnsüchtig auf den neuen Mobilfunkstandard 5G. Für diese war es sicher spannend, wie die vier Mobilfunkanbieter Deutsche Telekom, Vodafone, Telefónica und 1&1 Drillisch um die ausgeschriebenen Frequenzpakete boten. Nach 497 Runden in mehr als zwölf Wochen war im Juni die längste Frequenz-Auktion der Bundesnetzagentur vorbei, die dem Bundeshalt rund 6,6 Milliarden Euro einbrachte.

Mit seiner enormen Bandbreite und minimalen Latenz ist 5G sicher ein Zukunftsversprechen. Er ermöglicht die Übertragung von großen Datenmengen in Echtzeit und macht dadurch IoT-Anwendungen wie autonomes Fahren erst möglich. Dank seiner großen Reichweite eignet sich 5G auch gut für die Smart City, ist allerdings erheblich teurer und verbraucht deutlich mehr Energie. Zudem wird es noch einige Jahre dauern, bis die Netze aufgebaut sind und es eine ausreichende Abdeckung gibt.

Nicht warten, sondern starten

LoRaWAN punktet – nicht nur unter den LPWAN-Techniken – am besten bei lokal begrenzten Projekten, die mit sensiblen Daten hantieren. In diese Kategorie fällt das Gros der Smart-City-Anwendungen, wo es sich bezahlt macht, dass die Daten nicht über die Infrastruktur eines Dienstleisters laufen. Beispielsweise bewegt sich ein Stromversorger auf der sicheren Seite, wenn er für sein Smart-Energy-Projekt die Kundendaten per LoRaWAN überträgt.

5G ist natürlich viel leistungsfähiger als LoRaWAN, aber eben auch viel teurer. Außerdem steht LoRaWAN jetzt schon zur Verfügung, 5G nicht. Daher lohnt es sich, Projekte, die keine so hohe Bandbreite benötigen, mit LoRaWAN umzusetzen und nicht auf 5G zu warten.

Armin Przirembel ist Leiter der Business Unit Funknetze bei Axians GA Netztechnik. Nach dem Studium zum Elektroingenieur startete Przirembel im jahr 2000 seine Laufbahn in der Mobilfunkbranche als Funknetzplaner für Vodafone, anschließend Mobilcom und E-Plus. 2005 wechselte er ins Management der heutigen Axians. Dort leitet er bis heute die Business Unit für Service und neue Märkte.
Armin Przirembel ist Leiter der Business Unit Funknetze bei Axians GA Netztechnik. Nach dem Studium zum Elektroingenieur startete Przirembel im jahr 2000 seine Laufbahn in der Mobilfunkbranche als Funknetzplaner für Vodafone, anschließend Mobilcom und E-Plus. 2005 wechselte er ins Management der heutigen Axians. Dort leitet er bis heute die Business Unit für Service und neue Märkte.
(Bild: Axians)

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