Einfache Realisierung einer Funkstrecke LoRa ohne WAN

Stromaufnahme in drahtlosen Sensornetzen

Long-Range-Funksysteme schließen die technologische Lücke zwischen den etablieren Nahfunksystemen und den Mobilfunknetzen. Dieser Beitrag zeigt, wie einfach sich eine LoRa-Funkstrecke realisieren lässt und was dabei von Bedeutung ist.

Funkstandards wie Bluetooth, Wi-Fi und ZigBee haben sich für den Nahfunk etabliert und sind auf vielen Plattformen kostenfrei nutzbar. Sind längere Distanzen zu überbrücken, kommen traditionell Mobilfunknetze zum Einsatz, die jedoch Nutzungsgebühren verursachen und deren Geräte relativ viel Strom ziehen. Obwohl sich die möglichen Datenraten beim Mobilfunk laufend gesteigert haben (Tabelle 1), hängen sie in der Praxis davon ab, wie viele Benutzer sich die verfügbare Bandbreite innerhalb einer Funkzelle teilen müssen.

LPWANs im Vergleich

Eigenschaften wie kilometerweite Funkstrecken in einem lizenzfreien Band bei guter Gebäudedurchdringung und mit niedriger Stromaufnahme sind insbesondere für IoT-Applikationen wünschenswert, was verschiedene LPWANs (Low Power Wide Area Networks) versprechen. Meist sind allerdings keine hohen Datenraten notwendig, dafür jedoch die Möglichkeit, möglichst viele Geräte im Netz adressieren zu können. Eine treibende Kraft für derartige Netze sind insbesondere die Stromversorger, die damit das Smart Metering, also das Auslesen von Stromzählern automatisieren, sowie die Einspeisung von (privatem) Strom steuern wollen.

Die bisher am weitesten fortgeschrittenen Implementierungen sind die »LoRa«-Funktechnik (Long Range, [1]) und »Sigfox« [2], die bei optimalen Bedingungen Strecken von bis zu 50 km überbrücken können und sollen. Beide Systeme arbeiten in Europa im 868-MHz-Band, aber mit unterschiedlicher Technik und mit verschiedenen Geschäftsmodellen.
Während LoRa eine Technologie bietet, um eigene Netze damit aufzubauen, und verschiedene Firmen Funkchips hierfür vertreiben, stellt Sigfox das Netzwerk mit den notwendigen Funktürmen und Servern zur Verfügung, für deren Nutzung eine Gebühr zu entrichten ist. LoRa-Chips können bis zu 255 byte pro Nachricht übertragen, bei Sigfox sind es nur zwölf byte, wobei maximal 140 Nachrichten pro Tag zulässig sind.
Sigfox ist mit dem Ausbau eines eigenen Netzwerkes am weitesten fortgeschritten. Die Länder Frankreich und Spanien sind bereits zu großen Teilen abgedeckt. Die Abdeckung in Italien, der Tschechischen Republik, Irland, Belgien und England beträgt teilweise mehr als 50 %. In den USA und Deutschland ist der Sigfox-Ausbau in Planung. LoRaWANs sind hingegen nur in einigen großen Städten verfügbar (Bild 1), wobei diese Netze in Deutschland stark auf dem Vormarsch sind. Beide Systeme sollen IoT-Geräte über die eigenen (kostenpflichtigen) Netze mit dem Internet oder mit einer Cloud verbinden, sodass keine komplett neuen Infrastrukturen hierfür notwendig sind.
Ingenu [3] ist ein einzelnes Unternehmen, das Netzwerke mit seiner RPMA-Technologie aufbaut (Random Phase Multiple Access). Anders als bei LoRaWAN und Sigfox arbeitet RPMA ausschließlich im 2,4-GHz-Frequenzband. Damit ist es weltweit zwar einheitlich, allerdings ist dieser Frequenzbereich in Europa ziemlich überbelegt. Die Reichweite von 4 km und die Datenrate von bis zu 8 kbit/s sind geringer als bei den anderen Systemen. Weil es sich um ein US-Unternehmen handelt, ist der Ausbau vor allem in den USA vorangeschritten. International sind Ingenu-Netzwerke bisher in 38 Ländern realisiert worden.
Bei NB-IoT (Narrow Band-Internet of Things) handelt es sich um eine Technologie, die sich im Vergleich zu den anderen noch in einem recht frühen Entwicklungsstadium befindet. NB-IoT wird vom 3GPP (3rd Generation Partnership Project) vorangetrieben, zu deren Mitgliedern Firmen wie die Deutsche Telekom, Nokia, Ericsson und Huawei gehören. Diese Funktechnik arbeitet mit den gleichen Frequenzbändern wie GSM und LTE, sodass die bereits vorhandenen Mobilfunkmasten und -stationen prinzipiell hierfür zu verwenden sind. Die Abdeckung vor allen in Gebäuden soll bis zu 20 % besser sein als bei GSM, und aufgrund der niedrigen Datenrate sollte auch der Energiebedarf wesentlich geringer als bei LTE- und GSM-Geräten ausfallen. Vereinfacht dargestellt könnte man konstatieren, dass NB-IoT den Mobilfunk um Funktionen für IoT-Anwendungen erweitert, die Grundlage der Kommunikation ist also ebenfalls zellenbasiert, was übrigens auch für Sigfox gilt.
In der Tabelle 2 sind die wichtigsten Merkmale dieser vier bekannten und konkurrierenden LPWANs gegenübergestellt. Ob sich Firmware-Updates der Geräte über die Funkverbindung ausführen lassen, wird dort mit »Over The Air Update?« umschrieben, und wenn ein »Handoff« unterstützt wird, können sich die Geräte während des Betriebs von einer Basisstation automatisch auf eine andere umbuchen.
Sensordaten in eine weltweit erreichbare Cloud zu übertragen, ist für viele Entwickler eine neue Disziplin, die zahlreiche neue Problemstellungen aufwirft, beispielsweise den Sicherheitsaspekt, der bekanntlich mit allen Internet-Anwendungen einhergeht. Von den Betreibern der verschiedenen LPWANs werden entsprechende Gateways und Server mit den dazugehörigen Diensten zum Kauf oder zur Miete angeboten, sodass sich der Entwickler möglicherweise, wie bisher auch, nur um sein (nicht IP-fähiges) lokales Sensorfunknetz kümmern muss, das bis zum Gateway des Betreibers reicht, der ab hier die Verantwortung für den Transfer und die Sicherheit der Daten übernimmt.

Generation

Technik

Bandbreite

1G

A-, B-, C-Netz

2G

GSM

9,6 kbit/s

2.5G

HSCSD

57,6 kbit/s

 

GPRS

115 kbit/s

2.75G

EDGE

236 kbit/s

3G

UMTS

384 kbit/s

3.5G

HSPA

14,4 Mbit/s

3.9G

LTE

150 Mbit/s

4G

LTE Advanced

300 – 600 Mbit/s

4.5G

LTE Advanced Pro

1 Gbit/s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabelle 1: Die (theoretisch) erzielbaren Datenraten beim Mobilfunk.

Merkmal

Sigfox

Ingenu

NB-IoT

LoRa

Reichweite

10 – 50 km

4 km

wie Mobilfunk

3 – 45 km

Frequenzband

868 MHz,
902 MHz

2,4 GHz

wie GSM und LTE

433 MHz, 868 MHz, 915 MHz

Datenrate

100 kbit/s

8 bit/s – 8 kbit/s

variabel

0,3 – 50 kbit/s

Over The Air Update?

möglicherweise

ja

möglicherweise

ja

Handoff?

möglicherweise

ja

ja

nein

Geschäftsmodell

öffentlich

privat oder öffentlich

öffentlich

privat oder öffentlich

 

 

 

 

 

Tabelle 2: Daten aktueller LPWAN-Systeme.