Trends 2019: LPWA-Netzwerke Reif für Anwendung und Weiterentwicklung

Prof. Dr. Axel Sikora von der Hochschule Offenburg.

Mit den Low-Power-Wide-Area-Netzwerktechnik LoRa, LoRaWAN und Sigfox liegen jetzt erste Erfahrungen vor. Ob sie die Erwartungen erfüllen, was beim Einsatz beachtet werden sollte und wie sie im Vergleich zu Narrowband-Mobilfunk einzuordnen sind, berichtet Prof. Dr.-Ing. Axel Sikora.

Seit einigen wenigen Jahren ist mit den Low-Power Wide Area Networks (LPWAN) eine komplett neue Kategorie von Funknetzen entstanden, die aufgrund von Empfängerempfindlichkeiten von bis zu –130 dB oder besser, Reichweiten von vielen Kilometern erreichen, auch wenn die Ausgangsleistungen nur im Milliwattbereich liegen. Diese Leistungsfähigkeit ist mit miniaturisierten monolithisch integrierten ICs zu Kosten von einigen wenigen Euro zu erreichen.

LPWANs sind meist sehr einfach aufgebaut. Insbesondere die Netzwerkadministration ist viel, viel einfacher als bei den herkömmlichen zellularen Mobilfunktechniken. Aufgrund dieser Eigenschaften und der Nutzung moderner Halbleitertechnik kommen LPWAN-Knoten im aktiven Betrieb mit einigen wenigen zehn Milliwatt aus. Unter Berücksichtigung von Schlafmodi kann die mittlere Leistungsaufnahme in den Mikrowattbereich reduziert werden. Mit diesem geringen Aufwand erreichen die LPWANs – im idealen Fall der Freiraumausbreitung – Reichweiten über 10 km. In der Praxis können so Stadtviertel oder ganze Gemeinden mit nur einer Funkzelle abgedeckt werden.

Mit all diesen Eigenschaften sind LPWA-Netzwerke Schlüsseltechnologien im besten Sinne des Wortes, weil sie zahlreiche neue Anwendungen, die vorher undenkbar waren, überhaupt erst technisch und kommerziell ermöglichen. Man denke nur an die legendäre „Mülltonne im Internet“, die nun sinnvolle Realität wird.

Seit nunmehr etwa vier Jahren sind mit LoRa / LoRaWAN und Sigfox die ersten beiden LPWAN-Funktechniken in Produkten implementiert am Markt verfügbar. Zeit genug, um umfangreiche Erfahrungen zu sammeln. Hierbei zeigt sich, dass:

  • die versprochenen Reichweiten in der Praxis tatsächlich erreicht werden – mit den zu erwartenden Abstrichen im Fall von topologischen Hindernissen, wie Bergen, Hauswänden oder Betondecken;
  • hierfür aber die Nettodatenrate reduziert werden muss, was die Übertragungszeit und damit den Energiebedarf erhöht;
  • folglich auch die Skalierbarkeit der Netze leidet. Hierbei ist nicht nur die Anzahl der aktiven Knoten aus den eigenen Netzen zu berücksichtigen, sondern auch die Koexistenz mit anderen Funksystemen, die im gleichen lizenzfreien Frequenzband (in Europa bei 868 MHz) betrieben werden.

Es sollte also jedem klar sein, dass diese LPWAN-Techniken für kostengünstige, räumlich verteilte Anwendungen mit geringem Datenaufkommen und niedrigen Anforderungen an die Dienstgüte (Quality of Service) gut geeignet sind. Beispiele sind die Mülltonne im Internet oder die vielen anderen Sensoranwendungen für die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) oder die vorbeugende Instandhaltung (Predictive Maintenance). Falls diese Annahmen nicht erfüllt sind, sollten – trotz allem Marktinggetöse – andere Funktechniken zum Einsatz kommen.

Mit zunehmender Reife eines Marktes treten auch weitere Lösungsansätze auf. Insbesondere wurde im Sommer 2017 »Mioty« vorgestellt, eine Funktechnik, die ähnlich wie Sigfox herkömmliche Funktransceiver nutzen kann, um ein faltungscodiertes Signal über ein Frequenzsprungverfahren zu verteilen. In Praxistests zeigt Mioty ein deutlich verbessertes Koexistenzverhalten. Gleiches verspricht auch die bereits vor einigen Jahren vorgestellte Weightless-P-Technik, die aber noch keine Produktreife erreicht hat.

Neben diese LPWAN-Techniken treten nun auch die Produkte, die auf der zellularen Mobilkommunikation beruhen und die unter dem Begriff »Narrowband IoT« zusammengefasst werden. Hier haben die Mobilfunknetzbetreiber aufgeholt, auch wenn das »Funkloch Deutschland« von einer kompletten Abdeckung noch weit entfernt ist. In der Praxis zeigen sich die Vorteile der eigenen lizenzierten Frequenzbänder, aber auch die deutlich höhere Komplexität. Nicht nur bei der Inbetriebnahme, z.B. aufgrund der SIM-basierten Authentisierung, sondern auch bei der Auslegung von energieoptimierten Betriebsmodi unter Nutzung der effizienten Stromsparzustände, ist der Aufwand höher.

Fazit: Wie in reifenden Märkten üblich, zeigt sich auch bei den Low-Power-Wide-Area-Netzwerken eine zunehmende Differenzierung der unterschiedlichen Produkte und Lösungsansätze mit einem immer besseren Verständnis, wann welche Technik zum Einsatz kommen sollte.

Die Erfahrungen und die Messberichte zu Mioty wurden auf dem Wireless Congress Systems & Applications im November 2018 vorgestellt und intensiv diskutiert. Diese Fragestellungen werden sicherlich auch am 22. und 23. Oktober 2019 bei der dann 16. Ausgabe des Wireless Congress eine zentrale Rolle spielen.

Den Call for Papers für interessante Einreichungen rund um die Wireless-Systeme und -Anwendungen finden Sie ab Februar 2019 auf der Kongress-Website www.wireless-congress.com. Dort finden Sie dann ab Juli auch das Programm und die Anmeldeunterlagen.

 

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 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.

Prof. Sikora ist u.a. auch wissenschaftlicher Beirat des Wireless Congress Systems & Applications, sowie Chairman der Embedded World Conference.