Trends 2018: Kommunikation LPWA-Netzwerke – Lückenfüller, Enabler, Konkurrenz

Prof. Dr.-Axel Sikora von der Hochschule Offenburg.

M2M-Kommunikation und Mobilfunk waren noch vor wenigen Jahren synonym. Als Alternative für die Datenübertragung in IoT-Applikationen wurden jüngst Low-Power-Wide-Area-Netzwerke entwickelt. Prof. Dr.-Ing. Axel Sikora kommentiert die neue Wettbewerbssituation.

Seit einigen wenigen Jahren ist mit den Low-Power-Wide-Area- (LPWA)-Netzwerken eine komplett neue Kategorie von Funknetzen entstanden, die mit Empfängerempfindlichkeiten von bis zu –120 dBm, –130 dBm oder sogar noch besser, Reichweiten von vielen Kilometern erreichen, auch wenn die Sendeleistungen nur im Milliwattbereich liegen. Und diese Leistungsfähigkeit ist mit miniaturisierten, monolithisch integrierten ICs zu Kosten von einigen wenigen Euro zu erreichen.

Hinzu kommt, dass LPWA-Netzwerke meist sehr einfach aufgebaut sind. Insbesondere die Netzwerkadministration ist sehr viel einfacher als bei den herkömmlichen zellularen Mobilfunktechniken, was nicht nur die Investitions- sondern auch die Betriebskosten potenziell deutlich reduziert.

Mit all diesen Eigenschaften zählen LPWA-Netzwerke zu den „Enabling Technologies“ – im besten Sinne des Wortes, weil sie zahlreiche neue Anwendungen für Dinge im Internet of Things, die vorher undenkbar waren, überhaupt erst technisch und kommerziell ermöglichen. Mit ihnen kann das archetypische Szenario der „Mülltonne im Internet“ sinnvolle Realität werden.

Es sind im Wesentlichen zwei Herangehensweisen, die diese hohen Empfänger­empfindlichkeiten ermöglichen: Zum einen sind praktisch alle LPWA-Netzwerke schmalbandig, was – bei der Verwendung von guten Filtern – die Rauschleistung verringert. Zum zweiten sind die Nettodatenraten niedrig, sodass viel Energie pro Bit aufintegriert werden kann. Kommen auch noch moderne Codierverfahren zum Einsatz, die auch noch einen zusätzlichen Prozessgewinn ermöglichen, wird die Leistungsübertragungsbilanz noch weiter vergrößert.

»LPWA-Netzwerke sind echte Enabling Technologies«

Unter dem Eindruck des überaus schnellen Markterfolgs der LPWA-Funktechniken haben auch die Aktivisten der zellularen Mobilkommunikation die Attraktivität dieser neuen Anwendungen wahrgenommen. Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) als relevantes Standardisierungsgremium für die zellulare Mobilfunkkommunikation hat mit dem sogenannten Release 13 im vergangenen Jahr bereits einen ersten schmalbandigen Standard als Erweiterung der vierten LTE-Generation in Rekordzeit verabschiedet. Seitdem stehen für LTE Cat-NB1, wie der neue Standard offiziell heißt, auch schon Transceiver zur Verfügung. Weltweit wurde bereits eine beachtliche Netzabdeckung erreicht – und es gibt noch zahlreiche weitere Ansätze zur M2M-Kommunikation für 4G und 5G.

Die wesentlichen Vorteile der zellularen Funktechniken bestehen dabei darin, dass sie auch geschützte Frequenzbänder nutzen und damit – unter bestimmten Bedingungen – auch Dienstgüten garantieren können. In der Regel sind bei Mobilfunknetzen auch die Mechanismen der Netzwerksicherheit deutlich besser als bei ihren „billigen Brüdern“. Dafür sind Nutzer allerdings auf absehbare Zeit an Netzwerkbetreiber und an aufwändigere Registrierungs- und Kommissionierungsprozesse gebunden.

Diese Konkurrenzsituation ist sehr fruchtbar, weil die bisherigen Angebote auch technische Alternativen und unterschiedliche Betreiber- und Geschäftsmodelle bieten. Folglich ist zu erwarten, dass diese Situation auch weiterhin sowohl zu kommerziell attraktiven Angeboten als auch zu schnellem technischem Fortschritt füh­ren wird. Da zusätzlich auf abseh­­bare Zeit auch ein schnelles Marktwachstum zu erwarten ist, kann davon ausgegangen werden, dass keine schnelle Marktbereinigung zu beobachten sein wird. Im Gegenteil: Bereits heute ist festzustellen, dass weitere Anbieter auf diesen Zug aufspringen und die Varianz der Produkte und Techniken vergrößern. Da auch im Bereich der zellularen Mobilfunktechniken zahlreiche Varianten auf der Roadmap stehen, müssen Entwickler und Anwender leider erst einmal mit einer Vielzahl von nicht interoperablen Systemen rechnen. Wieder einmal hat der Systementwickler die Qual der Wahl.

Elektronik-Experte Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Dipl. Wirt.-Ing. Axel Sikora

ist wissenschaftlicher Direktor des Instituts für verlässliche Embedded Systems und Kommunikationselektronik (ivESK) an der Hochschule Offenburg, Bereichsleiter „Software Solutions“ und stellvertretender Institutsleiter bei der Hahn-Schickard Gesellschaft für Angewandte Forschung e.V. in Villingen-Schwenningen, sowie Gründer und Inhaber des Unternehmens Stackforce. In seinen Teams werden Algorithmen, Protokolle und Systeme für die sichere, zuverlässige und effiziente Kommunikation per Funk und leitungsgebunden konzipiert, evaluiert, implementiert sowie verifiziert. Sie bearbeiten aktuell zahlreiche F&E-Projekte im Bereich der zellularen Mobilfunktechnik LTE Cat-NB1. Bei Stackforce wurden z.B. die offizielle Open-Source-Software für die LoRa-Alliance, sowie der Sigfox-Stack für einen führenden US-amerikanischen Halbleiterhersteller entwickelt.