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Neue Funktechnologien wie SigFox, LoRa, LTE-M oder NB-IoT sind exakt auf die Anforderungen des Internet of Things zugeschnitten.

Bild: Telit; Shutterstock

Low Power Wide Area Network (LPWAN) Funklösungen für IoT-Netzwerke

10.09.2017

Die Basis von Industrie 4.0 ist die Verbindung von Sensoren mit Geräten und Servern. Ein kabelgebundenes Vernetzen schließt sich meistens aus - zu viele Teilnehmer, zu komplex. Neue Funktechnologien hingegen sind für diesen Einsatz optimiert.

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Zellulare Funktechnologien waren bislang konkurrenzlos, um ein Endgerät ohne Gateway direkt mit dem Internet zu verbinden. Denn dank der weltweit gut ausgebauten In­frastruktur an Basisstationen benötigen die Endprodukte nur eine SIM-Karte, um Daten zu versenden und zu empfangen.

Nachteil dieser Lösungen sind jedoch die hohen Kosten für die Nutzung der lizenzierten Mobilfunknetze. Zudem hat sich die Entwicklung der Mobilfunktechnologien in erster Linie darauf konzentriert, die Datenübertragungsraten zu erhöhen. Damit einher geht eine steigende Stromaufnahme. Innerhalb des IoT (Internet of Things) spielt eine hohe Datenrate in der Regel jedoch gar keine Rolle, die meisten Dinge übertragen nur wenige 100 Bits pro Minute. Hier liegt der Fokus vielmehr auf einer niedrigen Leistungsaufnahme für eine lange Batterie­lebensdauer, hoher Reichweite und einer zuverlässigen Kommunikation.

Exakt auf diese Anforderungen ausgerichtet sind die Long-Range-IoT-Funktechnologien als Basis für ein LPWAN (Low Power Wide Area Network): Sie sind preisgünstig, haben eine geringe Leistungsaufnahme und überbrücken kilometerweite Strecken, auch durch Wände hindurch.

Hervorragende Netzabdeckung

Die Standards LTE-M, auch LTE-MTC (Machine Type Communications) genannt, sowie NB-IoT (Narrow Band IoT) nutzen das lizenzierte Sub-GHz-Frequenzband zwischen 700 MHz und 900 MHz. Mit Downlink- und Uplink-Datenraten von 1 Mbit/s bei LTE-M und 20 kbit/s Uplink sowie bis zu 250 kbit/s Downlink bei NB-IoT versprechen diese Technologien für batteriebetriebene Endgeräte eine Betriebsdauer von bis zu 20 Jahren.

LTE-M und NB-IoT bieten eine ausgezeichnete Netzabdeckung durch Nutzung der existierenden Mobilfunk-Infrastruktur. Zudem basieren sie auf dem bekannten lizenzierten Spektrum, was nicht nur Providern Vorteile bietet, sondern das Netz auch sicher und robust macht. So lassen sich damit auch Services mit hohen Qualitätsanforderungen umsetzen.

Gleichzeitig geht damit jedoch ein Nachteil einher, und zwar hohe Kosten für die Verwendung der lizenzierten Mobilfunknetze. Zu den laufenden Gebühren, die über denen vergleichbarer Technologien liegen, kommen Kosten für die SIM-Karten in jedem Endgerät plus die dafür anfallenden Installations- und Wartungskosten hinzu. Dieser Aufwand könnte sich mit einer eSIM-Karte (embedded SIM-Karte) verringern. Da diese fest in das Endgerät verbaut sind, brauchen sie bei einem Provider-Wechsel nicht gewechselt werden, sondern lassen sich einfach von außen umprogrammieren.

Einen Umstieg auf die aktuelleren Mobilfunkgenerationen ermöglichen beispielsweise die xE910- sowie die xE866-Familien von Telit. Sie umfassen derzeit Module für GSM, verschiedene UMTS-Varianten und LTE. Neu im Angebot sind die LTE-M (ME866 und ME910) sowie NB-IoT (NE910 und NE866) Varianten. Da alle Familienmitglieder denselben Formfaktor haben, lassen sie sich problemlos austauschen. Für industrielle Anwendungen bietet Telit interessante Mehrwertservices wie spezifische Tarife und SIM-Karten. Diese unterscheiden sich von den allgemein gebräuchlichen SIM-Karten zum Beispiel durch ein Web-Portal, über das sich alle eingesetzten SIM-Karten managen lassen.

Reichweitenstark und stromsparend

SigFox nutzt das Sub-GHz-Frequenzband, das heißt, in Europa 868 MHz; als Modulationsverfahren kommt die Narrowband-Technik mit BPSK zum Einsatz. Die Daten werden in einer eigenen Cloud gemanagt, das heißt: Die Endgeräte senden ihre Daten an SigFox-Basisstationen, diese leiten sie an SigFox-Server weiter. Hier werden die Daten verarbeitet, die Ergebnisse gehen denselben Weg zurück an die Endgeräte.

SigFox greift nicht auf eine bestehende Infrastruktur zurück, sondern baut eine eigene auf. Dabei arbeitet das Unternehmen mit großen Netzwerkbetreibern weltweit zusammen; es installiert und betreibt in einigen Regionen die Netze aber auch selbst, etwa in Frankreich und den USA. Frankreich, Portugal, Spanien, die Niederlande und Großbritannien sind bereits abgedeckt; für Belgien, Dänemark, Deutschland, Irland, Italien, Luxemburg und die USA treibt Sigfox den Rollout vehement voran. Deshalb ist die Technologie für landesweite oder gar internationale Projekte zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht empfehlenswert.

Ist der Netzausbau jedoch abgeschlossen, ist SigFox interessant. Denn es erfüllt alle Anforderungen von IoT-Netzwerken: Es sendet und empfängt Daten über eine Reichweite von bis zu 50 Kilometern im freien Gelände und bis zu zehn Kilometern in Städten. Dank niedriger Datenraten von zwölf Byte pro Mitteilung und einem Maximum von 140 Mitteilungen pro Tag und Endgerät, bleibt der Stromverbrauch gering. Zudem müssen die Endgeräte nicht mit einer SIM-Karte ausgestattet werden. Die Nutzungsgebühr hängt von der Anzahl und Größe der versendeten Nachrichten ab, sie bewegt sich pro Endgerät durchschnittlich zwischen einem und zehn Euro im Jahr.

Auch für SigFox hat Telit bereits Lösungen: Die LE51-868S-Familie umfasst steckbare DIP- sowie lötbare SMD-Module. Da sie die Frequenzbänder von 863 bis 870 MHz abdecken, können sie sowohl mit dem Telit-proprietären Protokoll arbeiten wie auch als SigFox-Gateway dienen.

Flexibel in Bandbreite und Bitrate

LoRa läuft wie SigFox auf dem Sub-GHz-Frequenzband (868 MHz für Europa), erzielt ähnliche Reichweiten, maximal zirka 15 km, und ist aufgrund der geringen Datenrate von 0,3 bis 22 kbit/s ebenfalls sparsam im Verbrauch. Im Gegensatz zu SigFox nutzt LoRa jedoch die Chip-Spread-Spektrum-Technik, mit der sich das Verhältnis zwischen Bandbreite und Bitrate flexibel einstellen lässt.

Auch die Situation der Infrastruktur von LoRa ist ähnlich der von SigFox: Vor allem in Europa, in den USA und den großen Städten Russlands arbeiten die Mitglieder der LoRa Alliance am Ausbau. Daneben erlaubt LoRa auch den Aufbau eines privaten Netzwerkes; Voraussetzung ist nur, dass dies auch seitens der Applikation möglich ist.

Für die Nutzung von LoRa fallen jährlich ähnliche Kosten wie bei SigFox an. Je nach Anbieter können diese monatlich oder ganzjährlich beglichen werden. Auch bei LoRa wird keine SIM-Karte benötigt.

Funktechnologien im Rennen

Die Kosten betrachtend, liegen LoRa und SigFox klar vorn: Die Preise für ein Modul bewegen sich aktuell rund um zehn Euro, ein LTE-M- oder NB-IoT-Modul ist derzeit ungefähr doppelt so teuer. Hinzu kommen laufende Kosten, bei LoRa und SigFox liegen diese zwischen einem und zehn Euro pro Jahr pro Endgerät. Bei LTE-M und NB-IoT kommen zu diesen laufenden Gebühren für die SIM-Karte noch die Instandhaltungskosten hinzu.

Die LoRa- und SigFox-Funkmodule für die Endgeräte haben zudem eine niedrige Leistungsaufnahme und hohe Reichweite bei guter Durchdringung in Gebäuden. Größtes Minus beider Technologien ist die noch lückenhafte Infrastruktur. Dies kann LoRa teilweise wettmachen, indem es den Aufbau privater Netzwerke ermöglicht. So ist derzeit nicht absehbar, ob LoRa oder SigFox sich durchsetzen wird – oder ob gar eine neue Technologie ins Spiel kommt.

Doch auch die zellulare Funktechnologie mit LTE-M und NB-IoT ist noch mit von der Partie. Auch wenn die Kosten aktuell deutlich über denen von LoRa und SigFox liegen, punkten LTE-M und NB-IoT mit einem sicheren und robusten lizenzierten Netz. Zudem hat Nordic Semiconductor als führender Hersteller von Ultra-Low-Power-Konnektivität die nRF91-Serie mit Low-Power-LTE-Technologie angekündigt, welche genau auf diese zwei Technologien abzielt. Damit sollen dann auch für die zellularen LPWAN-Technologien die Eintrittsbarrieren gesenkt werden.

Bildergalerie

  • Die LoRa-Funkmodule für die Endgeräte haben eine niedrige Leistungsaufnahme und hohe Reichweite bei guter Durchdringung in Gebäuden.

    Bild: Telit

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