LPWAN: Was die smarten IoT-Funktechnologien alles können

Low Power, Wide Area – die speziell für das Internet of Things entwickelten LPWAN-Funktechnologien punkten mit niedrigem Energieverbrauch und hoher Reichweite. Ein Überblick.

Nicht wenige IoT-Anwendungen stellen knifflige Anforderungen an die mobile Vernetzung der dazugehörigen Anlagen und Geräte per Funk. Bei smarten Stromzählern, Notbeleuchtungen oder Wärmepumpen muss das Funksignal durch dicke Kellerwände hindurch. Funkmodule an entlegenen Pipelines oder Messstationen müssen ohne externe Stromversorgung auskommen und zudem eine hohe Reichweite bieten. Und in der Stadt sollen sich Abertausende Parkplätze, Straßenlaternen oder Müllbehälter möglichst kostengünstig vernetzen lassen. Eine Technologie ist ideal geeignet für solche Herausforderungen: Low Power Wide Area Networks (LPWAN).

Zu LPWAN zählen ein gutes Dutzend verschiedener Technologien, teils proprietär, teils standardisiert, mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen. Sie alle eint hohe Reichweite und niedriger Energieverbrauch. Am sinnvollsten einteilen lassen sie sich in zwei Gruppen: lizenziert und unlizenziert (siehe Infobox). Die vier bekanntesten Standards sind LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT und LTE-M.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), oft auch LoRa abgekürzt, ist ein proprietäres Netzprotokoll, das vom US-Unternehmen Semtech entwickelt wurde. LoRa-Netzwerke bestehen aus den Endgeräten, den Gateways, mit denen sie drahtlos verbunden sind, einem Netzwerkserver und einem Anwendungsserver.

Sigfox ist ein vom gleichnamigen französischen Telekommunikationsunternehmen entwickeltes Funknetzwerk für IoT-Anwendungen. Die verwendete Infrastruktur ist dabei unabhängig von bereits bestehenden Netzwerken wie etwa dem Mobilfunk.

NB-IoT (NarrowBand IoT) ist ein inzwischen global verfügbarer Industriestandard, der von der Industrie speziell für IoT-Anwendungen entwickelt wurde. Er nutzt das vom Standardisierungsgremium 3GPP lizenzierte Funkspektrum  – und die Infrastruktur – der Mobilfunkbetreiber und unterliegt deshalb den beim Mobilfunk üblichen Standards hinsichtlich Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit sowie Übertragungssicherheit und -qualität.

LTE-M (Long Term Evolution for Machines) ist – ebenso wie NB-IoT – eine Weiterentwicklung des 4G-Mobilfunkstandards speziell für die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M). LTE-M bietet im Vergleich zu NarrowBand IoT eine höhere Bandbreite und geringere Latenzen. Damit deckt diese Technologie IoT-Anwendungen ab, deren Anforderungen zwischen LTE und NB-IoT liegen (siehe Grafik).

Die vier Technologien bedienen teils ähnliche, teils unterschiedliche Anforderungen von IoT-Projekten. Weitergehende Informationen zu Übertragungsqualität, Abdeckung, Energieeffizienz, Sicherheit, Kosten und Zukunftsfähigkeit bietet unser Faktencheck „NB-IoT, Sigfox, LoRaWAN: Ein aktueller Vergleich“. Speziell dem Thema Sicherheit widmet sich unser Whitepaper „Vergleich und Analyse der Sicherheitsaspekte von LoRaWAN und NB-IoT“.

Die Niedrigenergie-Weitverkehr-Netzwerke zeichnen sich, wie der Name schon sagt, vor allem durch zwei Features aus:

Niedriger Energieverbrauch: Da IoT-Geräte oft in schwer zugänglichen Bereichen platziert und über Jahre hinweg autark betrieben werden, ist die Energieeffizienz von LPWAN entscheidend für die Minimierung von Wartungsaufwand und Betriebskosten. LPWA-Netztechnologie ist auf das gelegentliche Senden und Empfangen kleiner Datenmengen spezialisiert. Die entsprechenden Funkmodule verbrauchen daher extrem wenig Strom. Das hat gleich mehrere Vorteile:

• Die Module lassen sich mit einer handelsüblichen Batterie – je nach Anwendungsfall – über mehrere Jahre wartungsfrei betreiben.
• Der Batteriebetrieb macht LPWAN-Geräte unabhängig von Steckdosen und Stromnetzen – und damit flexibel einsetzbar, auch für mobile Anwendungen wie Tracking.
• Verzicht auf Wartung und geringer Stromverbrauch halten demzufolge auch die Betriebskosten insgesamt niedrig. Auch die Funkmodule selbst sind kostengünstig, da vergleichsweise simpel aufgebaut.
• Dieser Kostenvorteil gegenüber zum Beispiel LTE- oder 5G-Modulen macht eine Skalierung rentabler: LPWAN eignet sich für die Implementierung im großen Maßstab, etwa in einer Smart City.

Hohe Reichweite: LPWAN-Technologien können trotz ihres geringen Stromverbrauchs ein großes Gebiet abdecken. Die große Reichweite ermöglicht eine umfassende Netzabdeckung mit weniger Infrastruktur. Im Gegensatz zu herkömmlichen drahtlosen Netzwerken wie WLAN oder Bluetooth, die auf kurze Distanzen ausgelegt sind, ermöglicht LPWAN die Kommunikation über Kilometer hinweg. Dies wird durch die Verwendung niedriger Datenraten, einfacher Netzwerkarchitekturen und effizienter Modulationsverfahren erreicht.

Ein spezieller Vorteil gegenüber anderen Technologien wie WLAN oder LTE ist die starke Gebäudedurchdringung. Hier tut sich vor allem NarrowBand IoT hervor: Ein NB-IoT-Funkmodul sendet sogar durch dicke Kellerwände oder aus Kanalrohren heraus zuverlässig.

LPWAN hat eine breite Palette von Anwendungen im IoT-Bereich gefunden:

• In der Smart City ermöglicht die Technologie beispielsweise die Vernetzung von Straßenlaternen, Parkraumsensoren und Abfallbehältern, um den Energieverbrauch zu senken oder Abholrouten zu optimieren.
• In der Landwirtschaft können LPWAN-Netze zur Überwachung von Bodenfeuchtigkeit und Wetterbedingungen über weite Flächen eingesetzt werden, was eine präzise Bewässerungssteuerung ermöglicht.
• In der Industrie 4.0 erleichtert LPWAN die Fernüberwachung von Maschinen, was zu einer verbesserten Wartung und Betriebseffizienz führt.
• In einem Smart Building überwachen vernetzte Sensoren Licht, Klimaanlage und Heizung, um Energie einzusparen.
• In der Logistik sorgt Asset-Tracking für eine lückenlose Überwachung der Lieferkette und der Transportwege.
• In Bauwerken wie Brücken und Tunneln verbaute Sensoren zur Temperatur-, Feuchtigkeits- und Korrosionsmessung zeigen Schwachstellen, lange bevor sichtbare Schäden auftreten.
• Auf der Baustelle erkennen Sensoren in Baumaschinen und -fahrzeugen Fehlfunktionen und Diebstahl.

LPWAN hat sich als Schlüsseltechnologie für das Internet der Dinge etabliert, indem es eine effiziente, kostengünstige und weitreichende Kommunikation ermöglicht. Die Zukunft von LPWAN für IoT-Netzwerke sieht vielversprechend aus, mit Trends, die in Richtung erhöhter Kapazität, verbesserter Sicherheitsfunktionen und der Integration von KI für intelligentere Netzwerkmanagementlösungen weisen. Die fortlaufende Miniaturisierung von IoT-Geräten und die Entwicklung neuer LPWAN-Standards versprechen, die Möglichkeiten für IoT-Anwendungen zu erweitern und komplexe Probleme in Bereichen wie Umweltüberwachung oder auch öffentlicher Sicherheit zu lösen. Und die Mobilfunkbetreiber fördern die Entwicklung durch immer flexiblere, auf Kundenprojekte zugeschnittene IoT-Tarife, technische Innovationen wie speziell für das Internet der Dinge konzipierte SIM-Karten und neue Optionen wie etwa die Kombination von Mobilfunk und Satellitenfunk, um eine globale IoT-Abdeckung zu gewährleisten.

*Abkürzungsverzeichnis
Wichtige Abkürzungen im Artikel
3GPP = 3rd Generation Partnership Project
4G/5G = Mobilfunkstandards der 4./5. Generation
IoT = Internet of Things (Internet der Dinge)
LoRaWAN = Long Range Wide Area Network (kurz: LoRa)
LPWAN = Low Power Wide Area Network
LTE = Long Term Evolution
LTE-M = Long Term Evolution for Machines
M2M = Machine-to-Machine-Kommunikation
NB-IoT = NarrowBand IoT
WLAN = Wireless Local Area Network