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Sigfox, Narrow Band IoT, NB-IoT, LPWAN

Infrastruktur für das Internet of Things (IoT) – LPWAN-Funktechnologie auf dem Vormarsch in Industrial communication 04 / 2018

Analysten schätzen, dass 2020 weltweit mehr als 20 Mrd. Geräte und Sensoren vernetzt sein werden. Dies erfordert auch einen erheblichen Ausbau der Infrastruktur. In diesem Kontext etablieren sich unter dem Dachbegriff LPWAN (Low Power Wide Area Network) weltweit neue Funknetze. Sie eignen sich im industriellen Umfeld aufgrund ihrer Eigenschaften insbesondere für die Vernetzung von Sensoren.

LPWAN versus Mobilfunk

LPWAN bezeichnet Funktechnologien, die mit wenig Energie betrieben werden können, eine gute Gebäudedurchdringung ermöglichen – bis in Kellergeschosse hinein - und mit denen eine Versorgung vom Campus bis zur internationalen Abdeckung große Gebiete möglich wird. Die hohe Reichweite und Durchdringung geht bislang allerdings zu Lasten der Bandbreite und der Latenz, so dass diese Technologie vor allem als Speziallösung zur Vernetzung von Sensoren, also zum Transport geringer Datenmengen und mit geringen Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit und Latenz gilt. Sie ist also nicht geeignet für die Übertragung von Bilddaten oder umfangreichen Maschinendaten im industriellen Umfeld. Als Gegenspieler zum bekannten, breitbandigen Mobilfunkangebot ist sie daher nicht zu sehen.

  LPWAN 2G/3G/4G
Bandbreite - +
Latenz  - +
Reichweite + -
Abdeckung/Penetration + -
Anzahl Basisstationen + -
Kosten Verbindung + -
Energieverbrauch + -


LPWAN-Technologien bauen teilweise auf existierenden, global heterogenen Mobilfunk-Infrastrukturen (LTE) auf, so dass es eine Reihe von Standards gibt, die gerade auch für globale Projekte Relevanz haben können (Tabelle 2).

  LTE Cat 1 LTE Cat 0 LTE Cat M1 NB-IoT
3GPP Release Release 8 Release 12 Release 13 Release 13
Downlink Spitzenwert 10 Mbps 1 Mbps < 1 Mbps 150 kbps
Uplink Spitzenwert 5 Mbps 1 Mbps <1 Mbps 150 kbps
Empfängerbandbreite des Endgeräts 20 MHz 20 MHz 1,4 MHz 200 kHz
Max. Sendeleistung des Endgeräts 23 dBm 23 dBm 23 oder 20 dBm 23 oder 20 dBm
Duplexmodus Vollduplex Halbduplex (opt.) Halbduplex (opt.) Halbduplex

Quelle: Rode & Schwarz NB-IOT

LPWAN in Deutschland und Europa

Die Auswahl der Technologie ist hier jedoch sehr simpel, da sie ausschließlich von der geografischen Region beziehungsweise der zugrundeliegenden LTE-Infrastruktur abhängt. Und - um es noch einfacher zu machen - unterstützen die Hersteller mehrere LPWAN-Technologien auf einem Modul, wodurch die Lösungen mit derselben Hardware weltweit in verschiedenen LPWAN-Mobilfunknetzen eingesetzt werden können.

Für den Raum Deutschland/Europa ist vor allem der Standard NB-IoT relevant, der netzseitig seit Mitte 2017in einigen Regionen im Netz der Deutschen Telekom verfügbar ist und auch schon zu Testzwecken genutzt werden kann. Die Netzaufrüstung geschieht über ein Software-Update in den Mobilfunknetzen, so dass mit einer schnellen Flächendeckung bei allen Netzbetreibern zu rechnen ist. Aktuell bieten bereits drei Hersteller Module für NB-IoT an, die jeweils auf den Chips von Huawei aufbauen. Entwickler können heute folglich Module der Hersteller beziehen und sowohl im Mobilfunknetz der Deutschen Telekom als auch in den Laboren der anderen Mobilfunkanbietern oder von Huawei testen.

Angebote in lizenzfreien Frequenzbändern

Neben dem NB-IoT Angebot der Mobilfunkanbietern, deren Betrieb in lizenzierten Frequenzbändern erfolgt, entstehen mit Sigfox und LoRa parallel weitere LPWAN-Angebote, die im lizenzfreien ISM-Band im Frequenzbereich 868MHz betrieben werden können.

Sigfox wird unter den Bedingungen der Sigfox-Allianz angeboten, so dass prinzipiell auch ein internationales Roaming zwischen Netzen möglich ist. Eher national oder auch lokal zu sehen sind die LoRa-Angebote mit eher niedrigen Eintrittsschwellen. Um eine Großstadt flächendeckend zu versorgen bedarf es beispielsweise weniger als ein Dutzend Antennenstandorte mit Strom und Internetzugang. Dies motiviert aktuell Unternehmen, Städte oder Kommunen auch einfach und kostengünstig eigene Netze aufzubauen.

Bewertung der Angebote

Es ist davon auszugehen, dass bezüglich der Flächendeckung die Mobilfunker in der Lage sein werden, den Vorteil einer bereits vorhandenen Infrastruktur zu nutzen. Vermutlich werden sich hier auch sehr schnell internationale Roaming-Möglichkeiten ergeben. Dieses Angebot ist insbesondere für Anwender attraktiv, die hohe Anforderungen an eine geografische Verfügbarkeit und ggf. auch an eine mobile Nutzung haben. Die Modulkosten und der Verbindungspreis je SIM-Karte sind allerdings aktuell noch relativ hoch, so dass bei wirklichen Massenanwendungen die Berücksichtigung von Alternativen wie z. B. lokale Netze mit einer Anbindung über Gateways sinnvoll ist. Sigfox bietet schon heute eine internationale Abdeckung an. Jedoch ist das Netz gerade in Deutschland nicht flächendeckend ausgebaut. Die Hardware ist relativ kostengünstig verfügbar; zudem gibt es spezialisierte Entwickler, die bei der Umsetzung unterstützten. Das Konsortium investiert erheblich in den Netzaufbau und hat demnach einen hohen Kapitalbedarf, der durch regelmäßige Investitionsrunden gedeckt wird.

Der Aufbau eines LoRa-Netzes hat die geringsten Eintrittsbarrieren, so dass dies gerade für Campus oder regionale Anwender attraktiv sein sollte. Denn hierfür gibt es bereits kostengünstige Hardware, und die geringen Aufbaukosten sollten sich auch in für den Nutzer preiswerte Verbindungskosten umsetzen lassen. Unklar ist, ob wirklich flächendeckende Angebote entstehen werden und wie sich der parallele Betrieb unterschiedlicher LoRa-Netze auf die Verbindungsqualität auswirken wird. Dies hat insbesondere dann Relevanz, wenn LoRa ein Erfolg wird und sehr viele Geräte in unterschiedlichen Netzen, aber im selben Frequenzband um die limitierte Bandbreite konkurrieren.

Fazit

Mit der wachsenden industriellen Vernetzung steigt die Notwendigkeit eines Ausbaus der Infrastrukturen. Hierfür etablieren sich derzeit mit LPWAN neue Technologien, die das bestehende Angebot deutlich ergänzen. Eine Option stellen sie immer dann dar, wenn die Bandbreiten- und Latenzrestriktionen akzeptabel sowie die angebotenen Merkmale – insbesondere Stromverbrauch und Gebäudeversorgung – in Verbindung mit geringeren Kosten für das angestrebte Szenario relevant sind. Eine „One-fits-all-Lösung“ ist aber selbst bei diesen neuen Technologien nicht auszumachen: Es gibt kein Angebot, welches in allen Eigenschaften den anderen überlegen ist. Daher ist der Auswahlentscheidung stets eine detaillierte Anforderungsanalyse voranzustellen - nur so lässt sich die individuell passende Technologie ermitteln und zum Einsatz bringen.

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Christian Pereira

Christian Pereira

Christian J. Pereira ist Geschäftsführer von Q-loud, einem der führenden Full-Stack IoT-Anbieter. Der studierte Maschinenbauer und Informationswissenschaftler (Dipl.-Ing., Dipl.-Inf.wiss.) verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Telekommunikationsindustrie. Er war Mitgründer eines Beratungsunternehmens für die Deutsche Telekom-Gruppe, wo er maßgeblich für das Wachstum von 2 auf 250 Mitarbeiter verantwortlich war, und eines Cloud-Unternehmens für die dtms AG, welches er später an die SDAX notierte D+S AG veräußerte. Zuletzt war Christian Pereira Mitgründer der neuland GmbH & Co. KG, einem auf die digitale Transformation spezialisierten Beratungsunternehmen.

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