LPWAN

Bis 2027 sollen drei Milliarden LPWAN-Verbindungen erreicht werden

18 Min
02. Mai 2024
LPWAN Technologie

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LPWAN ist eine drahtlose Netzwerktechnologie, die sich für IoT-Applikationen eignet, bei denen eine lange Batterielebensdauer und eine breite Abdeckung benötigt werden. Die Konnektivität zwischen LPWAN-Geräten über große Distanzen ist das herausragendste Merkmal der Technologie. Zu den LPWAN-Technologien gehören vor allem LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), Sigfox, NB-IoT ((Narrowband IoT), mioty und LTE-M (LTE for Machines).

1. Status Quo

Was ist LPWAN?

Die englische Technologiebenennung Low Power Wide Area Network wird mit den Buchstaben LPWAN abgekürzt.

Der deutschsprachige Begriff ‚Niedrigenergieweitverkehrnetz‘ klingt eher störrisch, so dass sich die englische Abkürzung LPWAN etabliert hat. LPWAN steht für Netzwerkprotokolle, die Niedrigenergiegeräte wie batteriebetriebene Sensoren über ein Funknetz mit einem Server verbinden. Das Netzwerk besteht aus Endgeräten, die Nodes genannt werden und Gateways, die als Basisstation fungieren. Die Gateways leiten die erfassten Datenmengen der Endgeräte zur Auswertung an den Netzwerkserver weiter.

Die Endgeräte werden somit vom Netzwerkserver gesteuert. Die physikalische Verbindung zwischen Endgeräten und Gateways kann über lizenzfreie Frequenzen oder Mobilfunkfrequenzen erfolgen. LPWAN ist am Markt sowohl als unlizenziertes Funktnetzwerk (LoRaWAN, Sigfox und mioty) als auch als zellenbasierte Narrowband-Technik (NB-IoT, LTE-M) verfügbar. Eine LPWAN-Lösung kann proprietär oder auf der Basis von LPWAN Standards realisiert werden. Sie kann öffentliche oder private Netze unterstützen.

LPWAN-Technologien bieten flexible Architekturoptionen, die in einigen folgenden Abschnitten noch erläutert werden. Die Wahl der Netzwerkarchitektur hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, einschließlich Reichweite, Skalierbarkeit, Energieeffizienz und Komplexität.

Was kann LPWAN?

Das Asset Tracking von Baumaschinen ist ein gutes Beispiel dafür, wie LPWAN seine Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen kann. LPWAN kann über große Entfernungen, auch in ländlichen oder abgelegenen Gebieten, Datenpakete senden, ohne dass eine kontinuierliche Verbindung zu einem Mobilfunknetz erforderlich ist. Wie bereits erläutert kann das verwendete Spektrum (Funkfrequenzbereiche) lizenziert oder nicht lizenziert sein.

LPWAN-Geräte punkten zudem beim Thema Energieeffizienz. Sie benötigen wenig Energie und verfügen daher über eine lange Batterielebensdauer. Dies ist besonders wichtig für Outdoor-Anwendungen, bei denen es schwierig sein kann, Batterien regelmäßig zu ersetzen oder aufzuladen. LPWAN gilt als robust und wetterbeständig, was für die Outdoor-Installation von entscheidender Bedeutung ist.

Die exakte Ortung von Assets mit LPWAN erreicht in der Regel nicht die gleiche Genauigkeit wie das Mobilfunknetz, BLE oder UWB. Durch Triangulation oder den Einsatz zusätzlicher Sensoren lässt sich RTLS und die Positionsgenauigkeit jedoch verbessern. Wie bei allen drahtlosen Übertragungstechnologien müssen auch die über LPWAN erzeugten Daten gesichert werden. In den folgenden Abschnitten werden noch zahlreiche weitere Anwendungsfälle für LPWAN-Technologien aufgezeigt. LPWAN ist eine Schlüsseltechnologie für das Internet der Dinge (IoT).

Wie verbreitet ist LPWAN?

Der weltweite LPWAN-Markt steht vor einem starken Wachstum. Das britische Marktforschungsinstitut „The Business Research Company“ prognostiziert eine Steigerung des Marktvolumens zwischen 2023 und 2028 um über 53 Prozent. Treiber dieser Entwicklung ist die steigende Nachfrage nach LPWAN-Connectivity über große Entfernungen. Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen gehören demnach die Digitalisierung der Landwirtschaft, Smart-City-Anwendungen wie Smart Metering sowie Flottenmanagement, die Digitalisierung der Baubranche und die Digitalisierung der Energiewirtschaft.

Welche LPWAN-Technologien gibt es?

Die Wahl der richtigen Technologie hängt von den spezifischen Anwendungsfällen, den Anforderungen an Reichweite, Energieverbrauch, Datenrate und Infrastruktur ab. Während LoRaWAN und Sigfox durch ihre einfache Implementierung und große Reichweite punkten, bieten NB-IoT und LTE-M Vorteile durch die Nutzung bestehender Mobilfunknetze und höhere Datenraten. Wi-SUN und Weightless bieten Flexibilität und erweiterte Netzwerkmöglichkeiten, sind jedoch weniger verbreitet.

Neben den näher beschriebenen Funktechnologien LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox, LTE-M, Weightless, Su-NIN und mioty gibt es noch die beiden standardisierten LPWAN-Technologien Symphony Link und Wi-Fi HaLow. Darüber hinaus werden RPMA (Random Phase Multiple Access) und WavIoT NarrowBand Fidelity (WavIoT NB-Fi) von LPWAN-Anbietern ohne veröffentlichten Standard angeboten.

Long Range Wide Area Network (LoRaWAN)

LoRaWAN ist ein offenes Protokoll, das auf der LoRa-Funktechnologie basiert. Im Vergleich zu anderen LPWAN-Technologien zeichnen sie sich durch eine hohe Reichweite und einen geringen Energieverbrauch aus. In ländlichen Gebieten erreicht LoRaWAN unter optimalen Bedingungen eine Reichweite von bis zu 40 Kilometern. Im urbanen Umfeld liegt die Reichweite bei zirka zwei Kilometern. Weitere Vorteile sind die gute Gebäudedurchdringung und das offene Protokoll. Im Gegensatz zu Sigfox oder NB-IoT kann ein LoRaWAN-Netzwerk unabhängig von einem Provider als proprietäre Lösung aufgebaut werden. Ein Nachteil ist die begrenzte Datenrate.Bei der Nutzung von lizenzfreien Frequenzbändern kann es zu Interferenzen kommen.

Semtech Corporation hat 2012 in Frankreich mit der Einführung und Kommerzialisierung von LoRaWAN begonnen. Im Jahr 2015 wurde die LoRa Alliance gegründet. Erste Tests und Pilotprojekte mit LoRaWAN-Netzwerken starteten ebenfalls im Jahr 2015.

Sigfox

Sigfox ist ein proprietäres LPWAN-Protokoll, das auf einer Ultra-Niedrigband-Funktechnologie basiert. Die Ultra-Narrow-Band-Funktechnologie ermöglicht die Übertragung von Daten in sehr schmalen Frequenzbändern. Dies erhöht die Reichweite und reduziert den Energieverbrauch (Batterielebensdauer von mehreren Jahren). In ländlichen Gebieten kann die Reichweite bis zu 50 km betragen. In Städten liegt die Reichweite zwischen drei und 10 Kilometern. Das einfache LPWAN-Protokoll ermöglicht zudem kostengünstige Geräte.

Sigfox eignet sich nur für die Übertragung kleiner Datenmengen (bis zu 12 Byte pro Nachricht und maximal 140 Nachrichten pro Tag). Aufgrund der begrenzten Datenrate und Nachrichtengröße ist Sigfox nicht für alle IoT-Anwendungen geeignet. Obwohl Sigfox ein globales Netzwerk betreibt, variiert die Netzabdeckung je nach Region. In einigen Gebieten kann die Abdeckung unzureichend sein.

Sigfox wurde 2010 in Frankreich gegründet. Heute baut Sigfox auf ein globales Netzwerk, das in zahlreichen Ländern weltweit verfügbar ist. Gründer von Sigfox waren Ludovic Le Moan und Christophe Fourtet.

Narrowband IoT (NB-IoT)

NB-IoT ist eine zellulare LPWAN-Technologie, die in bestehenden 5G- oder LTE-Netzen betrieben wird. Durch die Nutzung der bestehenden Mobilfunkinfrastruktur und -standards sind die Kosten für den Systemaufbau äußerst gering und NB-IoT kann von der Netzsicherheit der jeweiligen Mobilfunkbetreiber profitieren.

NB-IoT bietet eine große Abdeckung, einen niedrigen Energieverbrauch (Batterielebensdauer bis zu 10 Jahren) und unterstützt kleine Datenmengen. Da diese Funktechnologie über eine hohe Gebäudedurchdringung verfügt, eignet sie sich sehr gut für städtische Gebiete. Die Reichweite in Städten beträgt bis zu 10 km. In ländlichen Regionen beträgt die Reichweite etwa 15 Kilometer.

NB-IoT hat auch einen höheren Energieverbrauch im Vergleich zu anderen LPWAN-Technologien, abhängig von Mobilfunkbetreibern und deren Abdeckung.

Die Entwicklungsarbeit an NB-IoT begann 2014. 2016 veröffentlichte 3rd Generation Partnership Project (3GPP) die ersten offiziellen Spezifikationen. Pilotprojkete wurden ab 2017 gestartet.

LTE-M (LTE Cat-M1)

LTE-M ist neben NB-IoT eine weitere zellulare LPWAN-Technologie, die in 5G- oder LTE-Netzen betrieben werden kann. Die Rückwärtskompatibilität zu 5G-Netzen, die Möglichkeit der koordinierten Frequenznutzung und die Integration in das 5G-Kernnetz ermöglichen eine nahtlose Konnektivität und verbesserte Leistung für LTE-M-Geräte. Dies gilt auch für NB-IoT. Die zellulare Funktionalität sorgt für geringere Implementierungskosten und bietet den Vorteil von Sicherheitsstandards.

LTE-M bietet moderate Datenraten von bis zu 1 Mbit/s im Downlink und Uplink. Im Vergleich zu NB-IoT sind die Datenraten ebenfalls höher bei gleichzeitig höherem Energieverbrauch. LTE-M verwendet schmalere Bandbreiten (1,4 MHz), um die Effizienz zu verbessern und die Netzwerkkapazität für IoT-Geräte zu maximieren.

Die Batterielebensdauer von LTE-M (LTE Cat-M1) Geräten kann unter optimalen Bedingungen und bei sparsamer Nutzung mehrere Jahre betragen, oft bis zu 10 Jahren. Durch die Nutzung von Stromsparmodi wie PSM und eDRX sowie die Optimierung der Datenübertragungsfrequenz und der Signalqualität kann die Akkulaufzeit maximiert werden.

Die Spezifikationen für LTE-M wurden 2016 im Rahmen des 3GPP (3rd Generation Partnership Project) Release 13 standardisiert. Die ersten LTE-M-Netze wurden 2017 von verschiedenen Mobilfunkbetreibern eingeführt.

Weightless

Weightless ist eine Familie von offenen LPWAN-Standards, einschließlich Weightless-P, Weightless-N und Weightless-W. Sie unterscheiden sich in der Netzwerkarchitektur und dem Modulationsverfahren. Gemeinsam ist ihnen die Energieeffizienz und die lange Batterielebensdauer der Endgeräte. Dies wird durch effiziente Modulationstechniken und Energiesparmodi erreicht. Weightless nutzt lizenzfreie Frequenzbänder, um die Vorteile von Kosteneinsparungen und globaler Verfügbarkeit zu nutzen.

Trotz Herausforderungen wie Interferenzen und begrenzter Bandbreite bietet Weightless auch Vorteile für IoT-Anwendungen, die eine kosteneffiziente, weitreichende und skalierbare Kommunikationsinfrastruktur erfordern. Weightless hat eine gute Gebäudedurchdringung und unterstützt bidirektionale Kommunikation. Im Vergleich zu anderen LPWAN-Technologien ist Weightless nicht so weit verbreitet. Die Einführung der ersten Weightless-Versionen begann um 2013.

Wireless Smart Utility Network (Wi-SUN)

Wi-SUN unterstützt sowohl lizenzfreie als auch lizenzpflichtige Frequenzbänder. Wi-SUN ist ein offener, internationaler Standard für drahtlose Mesh-Netzwerke. Der offene Standard ermöglicht die Interoperabilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller. Dies ist ein Vorteil für die Integration und Erweiterung des Netzwerks.

Wi-SUN verwendet eine vermaschte Netzwerkarchitektur, in der jedes Gerät als Knoten fungiert und Daten über benachbarte Knoten weiterleiten kann. Wi-SUN Netzwerke sind daher hoch skalierbar. Dies erhöht die Reichweite und Zuverlässigkeit des Netzwerks. Allerdings ist die Implementierung und Verwaltung komplex und nicht so energieeffizient wie andere LPWAN-Technologien. Wi-SUN-Protokolle sind energieeffizient, was eine lange Batterielebensdauer der Geräte ermöglicht und die Betriebskosten senkt.

Japan ist ein führender Anwender von Wi-SUN, insbesondere im Bereich der intelligenten Stromnetze. Die Stadt Tokio hat Wi-SUN-Technologien zur Verbesserung der städtischen Infrastruktur und zur Umweltüberwachung eingeführt. In Indien und China gibt es zunehmend Pilotprojekte zur Nutzung von Wi-SUN für städtische Anwendungen und Versorgungsdienste. Die Wi-SUN Alliance wurde 2012 gegründet.

mioty

mioty ist eine LPWAN-Technologie, die von der Fraunhofer-Gesellschaft entwickelt wurde und von der Mioty Alliance vorangetrieben wird. Sie basiert auf einem offenen Standard, der im Jahr 2020 vom European Telecommunications Standards Institute (ETSI) als Technical Specification TS 103 357 veröffentlicht wurde. Sie basiert auf einem innovativen Ansatz namens Telegram Splitting Multiple Access (TSMA), der eine besonders robuste und skalierbare Datenübertragung ermöglicht.

Telegram Splitting bedeutet, dass jede Nachricht in mehrere kleine Telegramme aufgeteilt wird, die mit unterschiedlichen Frequenzen und Zeitintervallen gesendet werden. Dies erhöht die Robustheit gegenüber Störungen und verbessert die Zuverlässigkeit der Übertragung.

mioty kann Millionen von Nachrichten pro Tag verarbeiten und eignet sich daher ideal für groß angelegte IoT-Implementierungen. Ähnlich wie bei anderen LPWAN-Technologien ist die Batterielebensdauer der Endgeräte sehr hoch, da mioty energieeffizient ist. Die Reichweite beträgt in ländlichen Gebieten bis zu 15 km. In städtischen Umgebungen kann mioty Informationen bis zu mehreren Kilometern übertragen.

Das Ökosystem rund um mioty befindet sich noch im Aufbau, was bedeutet, dass es im Vergleich zu etablierteren LPWAN-Technologien noch weniger Hardware- und Softwarelösungen sowie Anbieter gibt, die mioty unterstützen. Insgesamt steigt jedoch die Anzahl der Projekte, die mioty unterstützen. Insbesondere im Bereich der Arbeitssicherheit.

Welche Produkte gehören zu einem LPWAN System?

LPWAN steht für Netzwerkprotokolle, die Niedrigenergiegeräte wie batteriebetriebene Sensoren mit einem Server verbinden. Für Sensoren Hersteller gilt es einen energieeffizienten Mikrocontroller aus zuwählen. Er muss in der Lage sein, Sensordaten zu verarbeiten und zu übertragen. Außerdem muss er verschiedene Schlafmodi unterstützen, um den Energieverbrauch zu minimieren.

Das LPWAN-Netzwerk besteht aus Endgeräten, die Nodes genannt werden, und Gateways, die als Basisstation fungieren. Die LPWAN-Gateways leiten die erfassten Daten der Endgeräte zur Auswertung an den Netzwerkserver weiter. Die Endgeräte werden somit vom Netzwerkserver gesteuert. Die physikalische Verbindung zwischen Endgeräten und Gateways kann über lizenzfreie Frequenzen oder Mobilfunkfrequenzen erfolgen. Wie bereits ausgeführt ist LPWAN am Markt sowohl im unlizenzierten Spektrum (LoRaWAN, Sigfox und mioty) als auch als zellenbasierte Narrowband-Technik (NB-IoT, LTE-M) verfügbar.

Zu den LPWAN-Technologien, die in Europa aktiv am Markt vertreten sind, gehören NB-IoT (Narrowband-IoT), LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), Sigfox, mioty und LTE-M (Long Term Evolution for Machines). In Deutschland überwiegt der Einsatz von LoRaWAN, NB-IoT und LTE-M. mioty ist relativ neu. Sigfox ist europaweit vertreten, vor allem im Herkunftsland Frankreich.

2. In der Praxis

Welche Lösungen werden mit LPWAN realisiert?

LPWAN ist die Schlüsseltechnologie für das Internet der Dinge (IoT). Der Datentransfer erfolgt energieeffizient, kostengünstig und über weite Reichweiten. Die operative Seite (OT) von LPWAN ist bereits gut abgedeckt und zahlreiche Produkte sind verfügbar. Das sind auf jeden Fall einige gute Gründe für den Einsatz von LPWAN. Die folgenden Beispiele zeigen die zahlreichen Lösungen, die via LPWAN gegenüber dem Mobilfunk oder 5G (Wie funktioniert 5G?) im Vorteil sind.

Smart Cities

  • Überwachung von Parkplätzen in Echtzeit, um Autofahrern freie Parkplätze anzuzeigen und Staus zu reduzieren. ► Smart Parking
  • Integration von Sensoren, um die Luftqualität, Temperatur, Feuchtigkeit und Lärmbelastung zu überwachen und die Daten an zentrale Systeme zu senden. ► Gesundheit
  • Intelligente Steuerung der Straßenbeleuchtung und Lichtquellen basierend auf Anwesenheit oder Tageszeit, um Energie zu sparen. ►Nachhaltigkeit

Digitalisierung der Landwirtschaft

  • Sensoren überwachen die Bodenbedingungen in Echtzeit, um die Bewässerung und Düngung zu optimieren. ► Ernteabsicherung
  • GPS-Tracker überwachen die Gesundheit von Tiere. ► Tierwohl
  • Verteilte Wetterstationen, die genaue und lokale Wetterdaten liefern, um die landwirtschaftlichen Aktivitäten zu planen. ► Entscheidungshilfe
  • Überwachung und Schutz von Wildtieren durch GPS-Tracking und Umweltsensoren. ► Wildlife Tracking

Digitalisierung der Logistik

  • Verfolgung von Fracht und Containern über große Entfernungen. ► Asset Tracking, Digitalisierung der Supply Chain und Flottenmanagement
  • Überwachung der Temperatur und Feuchtigkeit von temperaturempfindlichen Produkten während des Transports. ► Temperaturüberwachung
  • Automatisierte Bestandsüberwachung und Nachbestellung in Lagerhäusern. ► Lagerverwaltung

Kritische Infrastruktur und Smart Metering

  • Fernablesung von Wasser-, Gas- und Stromzähler zur genauen und zeitnahen Abrechnung. ► Smart Metering
  • Integration von Sensoren zur Erkennung von Leckagen oder Fehlern in Wasser- und Gasleitungen. ► Condition Monitoring und Arbeitssicherheit

Digitalisierung des Gesundheitswesens

  • Gesundheitsüberwachung von Patienten mit tragbaren Geräten, die Vitaldaten an medizinisches Personal senden. ►Wearables
  • Integration von Sensoren, die kontinuierlich Daten über den Zustand von Patienten sammeln und übertragen. ► Sicherheit

Digitalisierung der Industrie

  • Überwachung des Zustands von Maschinen und Anlagen, um vorausschauende Wartung durchzuführen. ► Condition Monitoring, Fabrikautomation und Predictive Maintenance
  • Sensoren zur Überwachung von Umgebungsbedingungen in Fabriken und Lagern, um optimale Betriebsbedingungen zu gewährleisten. ► Industrie 4.0 und Sicherheit

Facility Management

  • Überwachung von Heizung, Lüftung, Klimaanlagen und anderen Systemen zur Optimierung des Energieverbrauchs. ► Facility Management, Temperaturüberwachung und Condition Monitoring
  • Integration von Sensoren für Rauch, Feuer und Einbrüche zur zentralen Überwachung. ► Sicherheit

Digitalisierung der erneuerbaren Energien

  • Überwachung und Steuerung von Solar- und Windkraftanlagen zur Optimierung der Energieproduktion. ► IoT Asset Management und Condition Monitoring

Hausautomation

  • Überwachung und Steuerung von Haushaltsgeräten, Beleuchtung und Sicherheitssystemen. ► Smart Home

Frühwarnsysteme

  • Sensoren zur Überwachung von Naturkatastrophen wie Überschwemmungen, Erdbeben und Waldbränden, die frühzeitige Warnungen senden. ► Sicherheit

Istanbul Airport trackt Assets mit LoRaWAN

iGA Istanbul Airport, auf dem jährlich 90 Millionen Passagiere abgefertigt werden können, nutzt LoRaWAN, um seine Assets zu überwachen, zu lokalisieren und zu warten. Insgesamt werden Maschinen, Geräte und Inventar auf einer Freifläche von 76,5 Millionen Quadratmetern und 1,4 Millionen Quadratmetern im Terminal überwacht. Der gesamte Flughafen wird mit einem LoRaWAN-Netz abgedeckt. Darüber hinaus wird die Anwendung mit weiteren Technologien wie Micro-Edge-Computing oder zusätzlichen QoS- und Security-Layern angereichert. Auch die Datenanalyse und Big Data tragen zur Effizienzsteigerung in vielen Bereichen bei, insbesondere beim Abwasserrecycling, beim Energieverbrauch, bei der Überwachung der festen Abfälle und beim Kraftstoffverbrauch.

Wir verfügen über ein leistungsstarkes lokales Information and Communication Technology Network am Flughafen iGA Istanbul. Wir nutzen 107 LoRaWAN-Gateways, um den gesamten Flughafen abzudecken – in den Terminalgebäuden, im Außenbereich und in allen anderen Gebäuden. Das ist eine enorme Zahl und schafft ein völlig neues Maß an Transparenz. LoRaWAN IoT, ein neuer Ansatz von der Konstruktion bis zum Betrieb.“

Bilal Yildiz

Electronic Systems Manager, İstanbul Airport

Logo IGA Istanbul Airport

LoRaWAN bei der Bouygues Construction Group

Der französische Baukonzern Bouygues Construction Group setzt eine LoRaWAN-basierte Lösung zur Geolokalisierung und zur Ortung von Baumaschinen, Materialien, Ladungsträgern und Personal ein. LoRaWAN-Tracker wurden bereits in 20.000 Maschinen integriert. Damit können alle Geräte und Mitarbeiter in Echtzeit fernverwaltet und -lokalisiert. Diese Tracker enthalten eingebettete Sensoren, die eine Kombination von Ortungstechnologien nutzen, darunter GPS, Low-Power-GPS, Wi-Fi-Sniffer, BLE und LoRaWAN TDoA-Geolokalisierung. Sie erleichtern die Proximity-Erkennung und bieten eine Geo-Fencing-Funktion, die das Gerät in verschiedene Zonen einteilt.

Die Tracker liefern Positionsaktualisierungen zu Beginn und am Ende jeder Bewegung. Die Echtzeit-Visualisierung der Position jedes Geräts wird auf einer IoT-Plattform zur Verfügung gestellt. Geolokalisierungsdaten und Aktivitäten werden gleichzeitig erfasst. Diese Funktionalität ermöglicht die Überwachung von Bauprozessen in Echtzeit.

„LoRaWAN-Technologie bietet den Vorteil der Energieautonomie über mehrere Jahre. Gleichzeitig wird eine bidirektionale Kommunikation und eine hohe Durchdringungsfähigkeit in Gebäuden sowie in Kellern realisiert.“

Nicolas Lemaire

CEO, Omniscient

LPWAN Tech im Vergleich von Pepperl+Fuchs

Datennetze, die tausende von Sensoren über ein Gateway verbinden, ermöglichen die zuverlässige Übertragung von Umweltdaten und Maschinenzuständen im Alltag. Die Realisierung dieser Netzwerke wird mit einer von zahlreichen LPWAN-Technologien ermöglicht. Die Vision des IoT wäre ohne Low Power Wide Area Networks nicht verwirklicht worden. Dieser Artikel, der in Zusammenarbeit mit Wolfgang Weber, ehemals Pepperl+Fuchs, verfasst wurde, behandelt LoRaWAN, mioty, NB-IoT, LTE-M und Sigfox.

Ein Vergleich zwischen LoRaWAN, Mioty, NB-IoT, LTE-M und Sigfox.
LPWAN-Technologien im Vergleich

„Wir nutzen die Technologie LoRaWAN in erster Linie in Sensoren zum Messen von Füllständen und Distanzen in Flüssigkeiten, Feststoffen, Glas und anderen Materialien. Im Bereich der Ultraschallsensoren nutzen wir LoRaWAN ebenfalls.“

Wolfgang Weber

Independent

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Vorteile vom Netzwerkprotokoll LPWAN

  • Geringer Energieverbrauch der Endgeräte
  • Große Reichweite der Kommunikation
  • Lizenzfreie Nutzung
  • Effiziente Bandbreitennutzung
  • Vereinfachte Topologie des Netzwerks
  • Skalierbarkeit des Netzwerks und Kapazitätserweiterung
  • Niedrige Kosten in Anschaffung, Errichtung und Betrieb
  • Robustheit für M2M-Kommunikation
3. Panorama

Wie ist ein LPWAN-Netz aufgebaut?

In LPWANs können neben der sternförmigen Netzwerkarchitektur verschiedene andere Netzwerkarchitekturen eingesetzt werden. Dazu zählen Mesh-Netzwerk-Architekturen, Baum-Netzwerkarchitekturen (Tree Network), Hybrid-Netzwerkarchitekturen, Point-to-Point und Point-to-Multipoint oder Star-of-Stars (Stern-von-Sternen) Architekturen.

Diese Architekturen sind für unterschiedliche Anwendungsfälle und Anforderungen geeignet. In der folgenden Liste sind die wichtigsten Architekturen aufgeführt.

Mesh-Netzwerk-Architektur

In einem Mesh-Netzwerk kommunizieren die Geräte nicht nur mit einer zentralen Basisstation, sondern auch untereinander. Jedes Gerät kann Daten von anderen Geräten empfangen.

Vorteile

  • Die Reichweite ist hoch, da Daten über mehrere Geräte hinweg weitergeleitet werden können. Dadurch erhöht sich die Gesamtreichweite des Netzes.
  • Das Mesh-Netzwerk ist zuverlässig, da die Daten über alternative Pfade weitergeleitet werden, falls ein Pfad ausfällt.
  • Die Skalierbarkeit ist nahezu unbegrenzt, da neue Geräte einfach durch zusätzliche Relaisknoten ergänzt werden.

Nachteile

  • Die Verwaltung und Konfiguration eines Mesh-Netzwerkes ist komplexer als bei einer sternförmigen Architektur.
  • Geräte, die als Relaisknoten fungieren, haben einen höheren Energieverbrauch.

Anwendungsbeispiele

  • Zigbee, Thread, Wi-SUN und einige Lösungen mit LoRaWAN

Baum-Netzwerk-Architektur

Diese Architektur ist eine Variante des Mesh-Netzwerks, bei der die Geräte hierarchisch angeordnet sind. Es gibt einen oder mehrere zentrale Knoten (Root Nodes), die mit untergeordneten Knoten (Child Nodes) kommunizieren, die wiederum mit weiteren untergeordneten Knoten verbunden sind.

Vorteile

  • Die Kommunikation ist strukturiert.
  • Klare Hierarchie und Kommunikationswege ermöglichen eine einfache Administration.
  • Neue Geräte können in die bestehende Hierarchie eingehängt werden.

Nachteile

  • Der Ausfall eines Knotens kann den Zugriff auf untergeordnete Knoten unterbrechen.
  • Größere Netzwerke können schwieriger zu verwalten und zu konfigurieren sein.

Beispiele

  • Spezielle industrielle IoT-Netzwerke verwenden diese Architektur.

Hybride Netzwerkarchitektur

Eine hybride Architektur nutzt die Vorteile verschiedener anderer Architekturen (z. B. Stern und Mesh), indem sie diese kombiniert.

Vorteile

  • Die hybride Netzwerkarchitektur kann flexibel an spezifische Anforderungen angepasst werden.
  • Die Netzwerkleistung und -performance wird optimiert, da die Vorteile verschiedener Architekturen kombiniert werden.

Nachteile

  • Das System ist komplex und erfordert daher eine sehr sorgfältige Planung und Verwaltung, damit die hybride Architektur effektiv funktioniert.

Beispiele

  • Netzwerke, die sowohl zentrale Gateways (sternförmig) als auch Peer-to-Peer-Kommunikation (vermascht) verwenden.

Point-to-Point

Diese Architektur basiert auf der direkten Kommunikation zwischen zwei Geräten.
Die Integration in spezifische Anwendungen ist einfach und effizient. Allerdings ist diese Lösung nicht skalierbar und bietet keine Redundanz. Das Anwendungsgebiet sind häufig einfache, bidirektionale Kommunikationsszenarien wie traditionelle WLANs (Punkt-zu-Multipunkt) oder bestimmte NB-IoT-Konfigurationen (Punkt-zu-Punkt).

Point-to-Multipoint

Bei dieser Architektur kommuniziert ein zentrales Gerät mit mehreren Endgeräten.
Ein Vorteil ist die Einfachheit und Effizienz. Ein Nachteil ist die hohe Abhängigkeit, da der Ausfall des zentralen Geräts das gesamte Netzwerk lahm legen kann. Anwendungsgebiete sind traditionelle WLAN-Netzwerke (Point-to-Multipoint) oder bestimmte NB-IoT-Konfigurationen (Point-to-Point).

Star-of-Stars

Diese Architektur basiert auf einem hierarchischen sternförmigen Netzwerk, bei dem mehrere Sternnetzwerke oft über zentrale Gateways miteinander verbunden sind.

Vorteile

  • Die Reichweite, Abdeckung und Skalierbarkeit ist hoch, da meherer Sternnetzwerke kombiniert werden.
  • Wenn ein Gateway ausfällt, können die Geräte möglicherweise auf andere Gateways zugreifen.

Nachteile

  • Die Verwaltung mehrerer miteinander verbundener Sternnetzwerke kann komplex sein.

Beispiele

  • Einige groß angelegte IoT-Implementierungen, die eine Mischung aus lokalen Sternnetzwerken und übergreifenden Kommunikationsnetzwerken nutzen.

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Zukünftige Entwicklung von LPWAN

Laut einem Bericht von „IoT Analytics” wurden bis Ende 2023 weltweit etwa 1,3 Milliarden LPWAN-IoT-Verbindungen verzeichnet. Es wird erwartet, dass bis Ende 2027 drei Milliarden LPWAN-Verbindungen erreicht werden. Das wäre ein jährliches Wachstum von 26 Prozent. 10 Prozent aller weltweiten IoT-Verbindungen würden dann auf LPWAN-Technologien basieren.

NB-IoT stellt mit einem Anteil von etwa 54 Prozent die wichtigste LPWAN-Technologie dar. Im Jahr 2023 wurden mehr lizenzierte LPWAN-Verbindungen wie NB-IoT und LTE-M registriert als unlizenzierte LPWAN-Verbindungen wie LoRa und Sigfox. Der Markt für LoRa soll bis 2027 voraussichtlich um 17 Prozent wachsen. Ohne die Einbeziehung der Nutzungszahlen aus China hätte LoRa mit 41 Prozent den größten Anteil an LPWAN-Verbindungen weltweit.

Warum ist das so? China ist ein Wachstumsmarkt für LPWAN-Technologien. Im Jahr 2023 entfielen etwa 81 Prozent aller globalen LPWAN-Verbindungen und 84 Prozent aller NB-IoT-Verbindungen weltweit auf China.

Der sprunghafte Anstieg der LPWAN-Nutzung ist auf die Nachfrage nach Anwendungsfällen wie der Fernüberwachung zurückzuführen. Anwendungen wie intelligente Wasser- und Gaszähler, landwirtschaftliches Ressourcenmanagement, Anlagenüberwachung und Anlagenverfolgung sind der Haupttreiber für das weltweite Wachstum.

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