Aug, 16 2022

Was ist LPWAN? Stromsparende Wide Area Netzwerke erklärt

Zusammengefasst: Die Abkürzung LPWAN steht für Low Power Wide Area Network. Es handelt sich dabei um eine Kategorie drahtloser Netzwerke, die speziell für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt wurden. So sollen sie die Abdeckung maximieren, Kosten senken und gleichzeitig den Stromverbrauch der Endgeräte minimieren. LPWANs sind die am schnellsten wachsende Art drahtloser Netzwerke, die aktuell im zellulären IoT eingesetzt werden.

IoT-Glossar
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Wie funktioniert LPWAN?

Es gibt verschiedene Arten von LPWANs, wie zum Beispiel LoRaWAN, Sigfox etc. LPWANs verwenden in der Regel eine Sterntopologie. Das bedeutet, die Geräte verbinden sich mit einem zentralen Zugangspunkt wie zum Beispiel mit einem Mobilfunkmast. Sie sind also nicht direkt miteinander verbunden. Im Gegensatz zum Beispiel zu Mesh-Netzwerken, in denen Geräte auch untereinander verbunden werden können.

Wie funktioniert LPWAN: Lizenzierte vs. unlizenzierte Frequenzen

Stellen Sie sich eine Autobahn mit Tausenden von Fahrspuren vor, die den gesamten Globus umspannt. Dies ist das Spektrum, das wir für praktisch alle Datenübertragungen nutzen. Dies gilt auch das Internet of Things IoT. Jede Fahrspur auf dieser imaginären Autobahn ist eine bestimmte Funkfrequenz. 

Die Anzahl der Fahrspuren ist begrenzt. Manche von ihnen sind gar gesperrt. Um zu viel Verkehr auf einer einzigen Spur zu vermeiden, kann eine Regulierungsbehörde wie die Federal Communication Commission (FCC) Lizenzen für bestimmte Frequenzen erteilen. Die Geräte in diesem speziellen Netzwerk sind so die einzigen, die diese Frequenzen legal nutzen dürfen.

Nicht lizenzierte Frequenzen sind hingegen öffentlich und daher anfälliger für Störungen. Im Gegenzug sie sind kostenlos, so dass für deren Nutzung keine weiteren Kosten entstehen. Da Sie nicht kontrollieren können, wer auf eine unlizenzierte Frequenz zugreift, eignen sich Netzwerke, die diese Frequenzen nutzen am Besten für abgelegene Anwendungen.

Welche Arten von LPWANs gibt es?

Sehen wir uns nun einige der spezifischen Low Power Wide Area Networks an, die IoT-Herstellern zur Verfügung stehen.

LoRaWAN: Perfekt für Gebiete ohne Mobilfunkversorgung

LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network. LoRaWANs sind eine Art von LPWAN, das nicht auf Mobilfunkverbindungen angewiesen ist. Sie nutzen bestimmte nicht-lizenzierte Frequenzbänder, die von Land zu Land unterschiedlich sein können.

Das bedeutet, dass Sie die entsprechende Infrastruktur für LoRaWAN selbst schaffen müssen. Wo hingegen bereits LoRaWAN verfügbar ist und welche Development Kits es gibt? Diese Fragen beantwortet die Webseite der LoRa Alliance.

LoRaWANs haben eine der geringsten (und schmalsten) Bandbreiten aller LPWANs. Aufgrund von Duty-Cycle-Vorschriften können Geräte, die via LoRaWAN verbunden sind, nur eine begrenzte Anzahl Nachrichten pro Tag versenden. Darüber hinaus senden sie einmal pro Tag ein Status-Update.

LoRaWAN-Netzwerke werden für intelligente Zähler (Smart Metering), Alarmsysteme sowie weitere, gängige IoT-Anwendungen eingesetzt. Besonders geeignet ist LoRaWAN für Szenarien, in denen statische Objekte eingebunden werden sollen. Zum einen aufgrund der nur einmal pro Tag stattfindenden Status-Updates. Zum anderen aufgrund der Tatsache, dass es für LoRaWAN-Netzwerke keine Roamingverfahren gibt.

Sigfox: LPWAN aus Frankreich

Sigfox ist ein französisches Unternehmen mit einer eigenen Angebot in Sachen LPWAN. Sigfox-Netzwerke sind „ultra schmalbandig“. Das bedeutet, sie verwenden sehr kleine Frequenzbänder. In jedem Land gibt es nur einen einzigen Sigfox-Netzwerkbetreiber.

Sigfox-Netzwerke behaupten, eine größere Reichweite (bis zu 1000 Kilometer) als andere proprietäre LPWANs zu bieten. Genutzt werden sie indes in sehr unterschiedlichen Bereichen, siehe Einzelhandel, industrielles IoT oder smarte Alarmsysteme. 

Allerdings sind die Messaging-Fähigkeiten von Sigfox stark begrenzt. So können Sie pro Tag nur 140 Nachrichten mit jeweils bis zu 14 Byte senden. Dagegen stehen vier Nachrichten mit jeweils bis zu 8 Byte, die Sie empfangen können.

Aufgrund dieser Beschränkung werden Firmware-Upgrades oft nicht regelmäßig durchgeführt. Dies führt unweigerlich zu potenziellen IoT-Sicherheitsrisiken, die man im Blick behalten muss. Zudem ist es für Anwendungen, die eine größere Anzahl von Nachrichten pro Tag senden müssen, nicht praktikabel.

Wie schon bei LoRaWAN gesehen, fallen auch für das Erstellen eines eigenen Sigfox-LPWANs Investitionen an. 

NB-IoT: Lösung für eine der größten Herausforderung in IoT

Die Abkürzung NB-IoT steht für Narrowband - Internet of Things. Hierbei handelt es sich um ein speziell angepasstes Mobilfunknetz, welches ungenutzte lizenzierte Bänder im Funkfrequenzspektrum nutzt. Die meisten Netzbetreiber reservieren hierfür ein kleines Frequenzband aus dem LTE-Band. NB-IoT ermöglicht es Ihnen darüber hinaus, ein Schutzband (ein Band zwischen zwei anderen) oder andere ungenutzte Bänder zu nutzen.

NB-IoT wurde entwickelt, um einige der bisherigen Probleme bei der Verwendung von Mobilfunkverbindungen in IoT-Geräten zu lösen: den Stromverbrauch.

Mit dem Mobilfunk verbundene Geräte suchen aktiv nach einem Signal. Sie senden in regelmäßigen Abständen Tracking Area Updates (TAUs), um dem Netzwerk mitzuteilen, wo sie sich befinden. Dies führt zu einem höheren Stromverbrauch, wenn sich das Gerät im Ruhezustand befindet.

NB-IoT gibt Geräten die Möglichkeit, einen Energiesparmodus (PSM) zu verwenden. Außerdem können sie den diskontinuierlichen Empfang (Discontinuous Reception, DRX) nutzen, um die Zeit zwischen TAUs zu verlängern. Ein geringer Energieverbrauch erhöht unweigerlich die Laufzeit Ihrer NB-IoT-Geräte. So können jahrelang mit einer einzigen Akkuladung betrieben werden.

Im Gegensatz zu LoRaWAN- und Sigfox-Netzwerken erfordert NB-IoT-Konnektivität keine Investitionen in die Netzwerkinfrastruktur. Ganz gleich, wo sie sich auf dem Globus befinden.  NB-IoT-Netzwerke nutzen bereits gut ausgebauten LTE-Masten und -Antennen. Dies ermöglicht es den Herstellern, internetfähige Geräte zu entwickeln, die sich direkt nach dem Auspacken verbinden lassen. 

In Bezug auf Reichweite, Abdeckung und Bereitstellungskosten gibt es keinen Vergleich. Für mobile Anwendungen wie Asset Tracking oder Supply Chain sind zellulare LPWAN-Technologien fast immer die beste Wahl.

4G LTE-M: Ein Netz mit vielen Vorteilen

Die Abkürzung LTE-M steht für Long Term Evolution Machine Type Communication. Auch als Cat-M1 (Kategorie M1) bekannt, ist 4G LTE-M eine Erweiterung der LTE-Technologie. Sie nutzt zudem die dieselben Energiesparfunktionen (PSM und DRX) wie NB-IoT.

Allerdings haben 4G LTE-M-Netzwerke einen Vorteil gegenüber NB-IoT-Netzwerken: Sie verfügen über weitaus bessere Datenraten. Dadurch können sie schnell viel größere Datenpakete übertragen. Außerdem können sie Ihre Geräte während des gesamten Lebenszyklus schnell per Softwareupdate aufrüsten. Erschließt Ihr Unternehmen neue Arbeitsfelder oder Anwendungsfälle, skalieren LTE-M-Geräte mit Ihnen. 

Darüber hinaus ist 4G das am weitesten verbreitete Mobilfunknetz. Das bedeutet, dass IoT-Geräte fast überall eine gute Netzabdeckung vorfinden. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn Ihre SIM-Karte über Multi-IMSI-Fähigkeiten verfügt. So kann sich leicht den Netzbetreiber wechseln und das Netz mit dem stärksten Signal auswählen.

Wie NB-IoT-Netze sind auch LTE-M-Netze ideal für mobile Anwendungen mit großer Reichweite. Das macht sie besonders geeignet für die Verfolgung von Vermögenswerten, aber auch für die Verfolgung von Feuerwehrteams und Analysegeräte. 

Je mehr Daten Sie senden oder empfangen müssen, desto besser ist LTE-M im Vergleich zu NB-IoT. Es kann schneller übertragen und herunterladen, was bedeutet, dass Ihr Gerät kürzer online bleibt.

Was ist der Nachteil von LPWAN?

WLAN-Netzwerke verwenden in der Regel 2,4GHz- oder 5GHz-Bänder. Wenn Sie also Ihr WLAN nutzen und sich andere Netzwerke in der Nähe befinden, können diese Ihr Signal stören. LoRa- und Wireless M-Bus-Netzwerke verwenden beide 868 MHz und können sich ebenfalls gegenseitig stören. Niedrigere Frequenzbänder durchdringen Wände besser und haben eine bessere Abdeckung, was bedeutet, dass jeder sie nutzen möchte. 

Einige Regierungen haben versucht, die Überbelegung von Frequenzbändern zu bekämpfen, indem sie die Arbeitszyklen regulieren. Oft erlauben sie einem Gerät nur 1 Prozent der Zeit die Nutzung des Frequenzbandes. Dadurch wird verhindert, dass Geräte ständig Bandbreite beanspruchen, die sich alle teilen müssen.

Einfache LPWAN-Konnektivität mit EMnify

Mit den eSIMs von EMnify kann sich Ihr Gerät sofort nach dem Auspacken mit 4G LTE-M-Netzen in mehr als 30 Ländern verbinden. Sie müssen keine großen Investitionen in die Konnektivitätsinfrastruktur tätigen, denn die Mobilfunknetze sind bereits vorhanden. Sie werden auch in der Lage sein, das Netz mit dem stärksten Signal auszuwählen und bei Bedarf zwischen den Netzen zu roamen.



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Tobias Weber

Mehr als sieben Jahre Erfahrung als leitender Redakteur im Bereich Smart Home, Konnektivität und Internet of Things. Und noch immer genauso neugierig, wie am ersten Tag.

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