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LPWAN ist nicht gleich LPWAN – welche Lösung eignet sich wofür?

Sigfox, LoRA, MIOTY und NB IoT (LTE-M) im Vergleich

| Autor / Redakteur: Christian Zeh / Andreas Donner

Low Power Wide Area Network (LPWAN) ist für viele IoT-Projekte die Netzwerkanbindung der Wahl – doch auch hier gibt es Unterschiede zwischen den Technologien/Anbietern zu beachten.
Low Power Wide Area Network (LPWAN) ist für viele IoT-Projekte die Netzwerkanbindung der Wahl – doch auch hier gibt es Unterschiede zwischen den Technologien/Anbietern zu beachten. (Bild: © kstudija - stock.adobe.com)

Eine wesentliche Voraussetzung für das IoT ist die optimale Verbindung der „Dinge“ mit dem Internet. Dazu stehen auf dem Markt unter­schied­liche Technologien zur Verfügung; von Kabelverbindungen über Bluetooth und WLAN bis hin zu Low Power Wide Area Network (LPWAN). Die Differenzierungs­merkmale der einzelnen LPWAN-Techniken sind teilweise marginal – aber dennoch oft entscheidend. Wir haben uns die vier wichtigsten Techniken angesehen.

Low Power Wide Area Network (LPWAN) revolutionierte speziell in der letzten Zeit das IoT, da Geräte hier häufig nur mit einer Batterie bestückt über mehrere Jahre und mehrere Kilometer Entfernung ihre Daten an den Empfänger senden können. Auch wenn sich LPWAN-Lösungen teilweise nur durch wenige Merkmale differenzieren, können gerade diese Unterschiede den Erfolg eines IoT-Projekts ausmachen. Was jedoch für ein Projekt ausschlaggebend ist, kann beim nächsten schon ein striktes Ausschlusskriterium darstellen. Deshalb ist es wichtig, vor dem Projektstart die individuellen Anforderungen im Blick zu haben und eine passende Lösung auszuwählen.

Aufgrund der großen Reichweite bei niedrigem Stromverbrauch eignet sich das LPWAN für viele Einsatzbereiche, in denen sich andere Technologien als unzulänglich erweisen. In der Regel ist dies immer dann der Fall, wenn es um die Anbindung einfacher Sensorik an Orten ohne einfach verfügbare Stromversorgung geht – bei gleichzeitig großen zu überbrückenden Entfernungen.

Vor allem in den Bereichen Logistik, Smart City oder Smart Agriculture, aber auch bei vielen Szenarien in der Industrie hat LPWAN daher die Nase vorn. Den LPWAN-Markt beherrschen derzeit im Wesentlichen die vier unterschiedlichen Anbieter beziehungsweise Technologien Sigfox, LoRA, MIOTY, und NB IoT (LTE-M).

Sigfox – Abdeckung über große Entfernungen

Sigfox stellt derzeit eine umfassende Sende- und Empfangsinfrastruktur in ca. 60 Ländern bereit. Die Abdeckung variiert, denn manche Länder wie beispielsweise Frankreich oder Dänemark sind nahezu komplett abgedeckt, während sie sich beispielsweise in den USA noch hauptsächlich auf die Ballungszentren beschränkt. Deutschland verfügt derzeit über eine Abdeckung von etwa 85 Prozent. Darüber hinaus deckt Sigfox nahezu alle wichtigen Flughäfen weltweit ab und schafft somit einen Vorteil für Logistik- und Tourismusprojekte.

Die Technologie des französischen Unternehmens limitiert das Sensorgerät auf 140 Datenübermittlungen pro Tag und 12 Byte pro Nachricht. Diese Lösung ermöglicht autarke Sender, die mit einer Batterie über mehrere Jahre einsetzbar sind. Dazu nutzt Sigfox einen offenen Standard, der auf Sub-GHz-Frequenzbändern (868 MHz in Europa und 900 MHz in den USA) arbeitet und von jedem Funkanbieter genutzt werden kann. Anschließend werden die Daten in die Sigfox-Cloud gesendet, wo der Kunde sie über ein API abholen kann.

Damit bietet sich Sigfox besonders für Projekte im Bereich Logistik oder Smart City an. So arbeitet beispielsweise eine französische Luxusmarke mit Sigfox zusammen, um ihren Kunden mit Sendern ausgestattete Reisekoffer zu bieten, die sich jederzeit über eine App lokalisieren lassen.

LoRa – lokal begrenzte Projekte mit sensiblen Daten

Die Technologie LoRa (Long Range) wurde vom Chiphersteller Semtech entwickelt und wird von der LoRa Alliance verbreitet. Hierbei handelt es sich nicht um einen offenen Standard, da die Lösung die Verwendung des Chips von Semtech erfordert. Insbesondere in den europäischen Märkten hat LoRa an Fahrt gewonnen, und es wurden bereits etliche Projekte mit dieser Technologie realisiert.

Bei LoRa muss, anders als bei Sigfox, die Netzwerkinfrastruktur selbst aufgebaut bzw. es muss mit lokalen Netzbetreibern zusammengearbeitet werden. Das bedeutet, dass LoRa in erster Linie für Projekte mit räumlicher Begrenzung interessant ist. Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass der Anwender die Abhängigkeit von einem Netzbetreiber durch den Aufbau eines eigenen Netzes vermeiden und so die Kontrolle über seine Daten behalten kann. Gerade daher eignet sich LoRa vor allem für lokal begrenzte Projekte mit sensiblen Daten, die möglichst nicht über die Infrastruktur eines Dienstleisters laufen sollten. So setzt beispielsweise ein deutscher Stromversorger auf diese Lösung, um in einer begrenzten Region die Stromzähler seiner Kunden auszulesen.

MIOTY – Versand größerer Datenmengen durch Telegram-Splitting

Die Softwarelösung MIOTY vom Fraunhofer Institut verwendet ein effizientes Kanalcodierungsschema, das seine Reichweite gegenüber herkömmlichen 868-MHz-Funksystemen um den Faktor 10 erhöht. Da es wenig Eigeninterferenz erzeugt, kann das System bis zu einer Million gleichzeitige Sender unterstützen. Während die anderen LPWAN-Technologien komplette Datenpakete verschicken, zerlegt MIOTY diese in Sub-Pakete (Telegram-Splitting) und kann so deutlich mehr Daten pro Nachricht befördern.

Tabelle: LPWAN-Technologien im Überblick.
Tabelle: LPWAN-Technologien im Überblick. (Bild: Paessler)

Die Sender basieren auf handelsüblichen Chips von Herstellern wie Silabs oder Chipcon und zeichnen sich durch ein kompaktes Design und einen erweiterten Batteriebetrieb bis zu mehreren Jahrzehnten aus. Die Empfänger, die mit digitalen Signalprozessoren ausgestattet sind, ermöglichen aufgrund ihres flexiblen Designs die Anpassung an spezifische Kundenanwendungen; sie können sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen eingesetzt werden und sind für beide Umgebungen optimierbar.

Wie bei LoRa muss der Kunde mit MIOTY sein Sender-Empfänger-Netzwerk selbst aufbauen und warten, behält aber auch hier wieder die Datenhoheit.

So setzt beispielsweise ein großer deutscher Automobilhersteller MIOTY ein, um Umweltfaktoren wie Feinstaubbelastung, Luftfeuchtigkeit oder Temperatur in einer seiner Fabriken zu überwachen. Ähnlich wie bei LoRa geht es um das Versenden sensibler Daten über einen begrenzten Raum.

NB-IoT (und LTE-M) – Kommunikation mit niedriger Bandbreite

Die Anforderungen an das Narrowband-IoT (NB-IoT) wurden Anfang 2016 festgelegt. Diese neue Schmalbandfunktechnologie bietet eine geeignete LTE-Kategorie für IoT-Geräte mit niedriger Bandbreite. NB-IoT nutzt die bestehende Infrastruktur von LTE- und GSM-Netzanbietern, um die Kommunikation mit niedriger Bandbreite für IoT-Geräte zu ermöglichen.

Wie bei Sigfox kann der Kunde hier auf eine bestehende Infrastruktur zugreifen und muss diese nicht kostenintensiv selbst aufbauen und warten. Dafür befinden sich die Daten zeitweise außerhalb der Kontrolle des Kunden. LTE-M ist Teil des Release 13 des 3GPP-Standards, der den Stromverbrauch senken, die Kosten der Geräte reduzieren und eine tiefere Abdeckung ermöglichen soll. So sollen anspruchsvolle Standorte, wie beispielsweise tief in Gebäuden, erreicht werden. Dieser Standard wird das NB-IoT in puncto Bandbreite verbessern. Darüber hinaus bietet diese Lösung den wahrscheinlich höchsten Sicherheitsstandard der hier vorgestellten LPWAN-Technologien.

Vor allem der Ausblick auf 5G verspricht für NB-IoT dank des hohen Potenzials hinsichtlich Reichweite und Datenmenge interessante Einsatzbereiche in der IoT-Welt, wie beispielsweise als Schlüsseltechnologie für selbstfahrende Autos. Die große Frage dabei ist allerdings, wann 5G flächendeckend kommen wird und wo sich NB-IoT dann preislich einordnet.

Christian Zeh.
Christian Zeh. (Bild: Paessler)

Fazit

Bei Sigfox und NB-IoT ist die Abdeckung des relevanten Gebietes eine Grundvoraussetzung. Ist diese nicht gegeben, können LoRa oder MIOTY punkten – vorausgesetzt der Aufbau einer eigenen Infrastruktur ist zu vertretbaren Konditionen möglich. Allerdings bietet Sigfox im Gegensatz zu den großen Telekomanbietern (NB-IoT) dem Kunden die Möglichkeit, lokale „Funklöcher“ mit eigenen Verstärkern zu schließen.

Über den Autor

Christian Zeh ist Senior Manager New Technologies bei der Paessler AG.

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