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Low Power Wide Area Network

Vergleich der Reichweiten

14. August 2017, 11:00 Uhr | Von Harald Naumann

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Wirtschaftlichkeit eines stadtweiten LPWAN

Hamburg eignet sich als Beispiel für die Planung eines LPWA-Netzes besonders gut, weil für die Stadt Hamburg die meisten Daten im Internet leicht auffindbar sind. Laut Bundesnetzagentur gibt es in Hamburg 1544 Mobilfunk-Basisstationen. Wenn diese 1544 Basisstationen linear auf die drei Mobilfunk-Netzbetreiber in Deutschland aufgeteilt werden, dann sind das 514 Basisstationen pro Mobilfunk-Netzbetreiber.

Hamburg mit Umland und der Insel Neuwerk hat eine Fläche von 755 km², 1.800.000 Einwohner und in einer Wohnung leben 1,78 Einwohner. Zur Vereinfachung der Planung eines LPWAN wird Hamburg mit einer linear dicht bebauten Fläche gerechnet. Neuwerk und der Flughafen, ja selbst das Hafengebiet werden in dieser Betrachtung einfach „bebaut“.

Wird die Gesamtfläche Hamburgs von 755 km² durch die Abdeckung einer LTE-Cat-NB1-Basisstation (10,63 km²) geteilt, dann errechnet sich ein Bedarf von 71 Basisstationen. Im Mittel hat jeder der drei Mobilfunk-Netzbetreiber bereits 514 Basisstationen in Hamburg im Betrieb. Das ist viel mehr als die benötigten 71.

Da auf den unbebauten und leicht bebauten Flächen die Abdeckung einer LTE-Cat-NB1-Basisstation viel größer als 10,63 km² ist, sind wahrscheinlich weniger als 50 Basisstationen nötig, um die rund 1,8 Millionen Einwohner mit LTE-Cat-NB1 zu versorgen. Für Hamburg, mit durchschnittlich 514 Basisstationen pro Mobilfunk-Netzbetreiber, würde es ausreichen, eine von zehn Basisstationen für LTE-Cat-NB1 auszuwählen, immer den technisch besten Standort. Für andere Städte würden sich sicher ähnliche Ergebnisse errechnen (Tabelle 4)

Werden die Daten aus Tabelle 3 visualisiert, z.B. anhand der Karten der Bundesnetzagentur, dann lässt sich die mögliche Versorgung erkennen (Bild 4). Neben den bekannten Mobilfunk-Basisstationen (orangene Dreiecke) ist in Bild 4 die Reichweite der Funkwelle auf Basis des Hata-Modells eingezeichnet. Ein Netzausbau für LTE-Cat-NB1 stellt kein Problem dar. Die LTE-Basisstationen sind bereits vorhanden. Ebenso existiert der Rückkanal zum IoT-Cloud-Server.

Die Miete für einen BTS-Standort liegt in Hannover im Bereich von ca. 300 Euro bis 3000 Euro pro Monat. In Hamburg sollte es ähnlich sein. Mit dem Mittelwert 1650 Euro gerechnet, ergeben sich jährliche Mietkosten für ein LTE-Cat-NB1-Netzwerk mit 71 Basisstationen in Höhe von 1.405.800 Euro. Da ein Mobilfunk-Netzbetreiber seine installierten Basisstationen nutzen kann, die Mietkosten also bereits auf den klassischen Mobilfunk umgelegt wurden, kann er sogar mit 0 Euro kalkulieren. Auch für den Rückkanal zum Cloud-Server entstehen dem Mobilfunk-Netzbetreiber keine zusätzlichen Kosten, da dieser bereits vorhanden ist (Tabelle 5).

Beim Aufbau eines eignen LPWAN müssen aber die Mietkosten eingeplant werden. Selbst mit der günstigsten Miete von 300 Euro pro Monat sind das bei 71 Basisstationen immer noch 255.600 Euro pro Jahr, zuzüglich der Kosten für den Rückkanal zum Cloud-Server, Vermittlungsprovisionen für die Standortakquise, Energiekosten, Wartungskosten und vieles mehr.

Mit einer Leistungsübertragungsbilanz von ca. 150 dB bei LoRaWAN bzw. Weightless P sind für das Rechenbeispiel der Stadt Hamburg aber 646 Stationen zur flächendeckenden Versorgung nötig. Hierfür müssen 646 × 12 × 300 Euro = 2.325.600 Euro (min.) bzw. 646 × 12 x 1650 Euro = 12.790.800 Euro pro Jahr an Mietkosten für die BTS-Standorte eingeplant werden. Stadtweite LPWA-Netze, die in Gebäude reichen sollen, sind bereits aufgrund der Mieten für die BTS-Standorte sehr kostspielig.

Wirtschaftlichkeit privater LPWAN

Wird ein LPWA-Netz auf Basis LoRaWAN oder Weightless P lokal betrieben, dann lassen sich im Vergleich zum Mobilfunk die Gebühren an den Mobilfunk-Netzbetreiber einsparen. Werden die Reichweiten für LoRaWAN oder Weightless P aus der Tabelle 2 übernommen und beispielsweise auf das Werksgelände eines großen Fahrzeugherstellers in Wolfsburg übertragen, dann lässt sich errechnen, dass vier Basisstationen (Weightless P) ausreichen, um Empfänger in den Werkshallen zu versorgen.

Sollen auf dem Werksgelände z.B. 50.000 Sensoren per Funk angeschlossen werden, dann sind für LTE-Cat-NB1 und auch bei Sigfox Kosten von 1 Euro bis 5 Euro pro Sensor und Jahr anzusetzen – in einem Zeitraum für eine Abschreibung von fünf Jahren sind das 250.000 bis 1.250.000 Euro Kosten für die Kommunikation. Mit einem eignen LPWAN können die Kommunikationskosten annähernd auf 0 Euro gesetzt werden. Mietkosten für die Basisstationen fallen nicht an. Die Einmalkosten für die Installation, Energiekosten und Wartung sind so gering, dass sie nicht ins Gewicht fallen. Private LPWAN, auf begrenzten Flächen mit eignen Gebäuden, sind somit durchaus wirtschaftlich interessant.