Im Internet-der-Dinge gibt es viele Anwendungsfälle, die eine hohe Reichweite zur Übertragung von Sensorwerten und Steuerungssignalen erfordern. Häufig ist dabei das Problem, dass keine (ausreichende) Energieversorgung für leistungsstarke Sender vorhanden ist. Wie schafft man es dennoch, die Datenübertragung zu ermöglichen?
Sogenannte “Low Power Wide Area Networks” – auch bekannt unter der Abkürzung LPWAN – sind die Lösung. Auf den ersten Blick scheint die Bezeichnung aber ein Widerspruch zu sein. Denn “Low Power” impliziert Sender mit geringer Leistung von wenigen Watt. “Wide Area” hingegen verlangt nach hohen Reichweiten. Das können hundert Meter bis hin zu etlichen Kilometern sein.
Der Schlüssel, um diese technische Herausforderung zu meistern, ist die richtige Bandbreite. LPWANs nutzen nur wenige MHz zur Übertragung. Das ermöglicht hohe Reichweiten bei geringem Energiebedarf. Allerdings geht das zu Lasten der übertragbaren Datenmengen. Diese ist deutlich geringer, als beispielsweise bei der Übertragung via LTE oder WLAN.
LoRaWAN – die bekannteste LPWAN Technologie
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist eine der bekanntesten LPWAN Technologien. Sie basiert auf dem proprietären Übertragungsverfahren LoRa (Long Range). Diese Technologie ist sehr gut zur Übertragung von Sensorwerten geeignet, da die Nachrichtengröße im Bereich weniger Kilobyte variiert und die Übertragung der Daten in großen Intervallen (i.d.R. fünf bis zehn Minuten Takt) erfolgt. Die Frequenz hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Je nach Frequenz bieten gängige Akku- und Batteriegrößen mitunter bis zu zehn Jahre eine ausreichende Energieversorgung. Große Datenmengen – wie Bild- oder Videodateien – können so jedoch nicht transportiert werden.
Im Vergleich: Bei Funktechnologien wie WLAN oder LTE können wesentlich größere Datenmengen in kurzer Zeit übertragen werden. Dafür können bei der Datenübertragung nur Distanzen von einigen Meter bis maximal wenige hundert Meter überbrückt werden. Zudem muss in den meisten Fällen abends bereits wieder das Ladekabel an Smartphone oder Laptop angeschlossen werden, um die Geräte erneut mit Energie zu versorgen.
LPWAN Reichweite: Theorie vs. Praxis
Die energiesparenden LPWANs bieten eine große Reichweite für die Datenübertragung an. Doch wie sieht das in der Praxis mit der “grenzenlosen Freiheit” bei wenig Energieverbrauch aus?
Theoretisch wäre es bei optimalen Bedingungen mit LoRaWAN möglich, Distanzen von etwa 1.300 km zu überbrücken. Bei LTE sind es im Vergleich lediglich 80 km und bei WLAN sogar nur Distanzen von < 1 km, die bewältigt werden können.
Das liegt am sogenannten Link Budget, der Leistungsübertragungsbilanz. Die ist mit 154 db im Vergleich zu LTE mit 130 db und WLAN mit 98 db deutlich höher.
Die Reichweiten sind aber lediglich theoretische Werte. In der Praxis werden diese nie erreicht. Denn jeder Baum, jeder Hügel und jedes Haus kosten einige Kilometer Reichweite. Je mehr solcher “Hindernisse” es gibt, desto geringer wird die tatsächliche Reichweite des LoRaWANs.
Deshalb ist es besonders wichtig, auf die richtige Positionierung der Antenne zu achten, um den Reichweitenverlust so gering wie möglich zu gestalten. Handelt es sich um eine Outdoor-Applikation, ist Sichtkontakt zur Antenne und eine möglichst hohe Positionierung empfehlenswert. Bei Indoor-Applikationen ist hingegen eine Positionierung in der Mitte des Gebäudes hilfreich.
Die passende Frequenz für LoRaWAN
LoRa-Lösungen funken nicht nur ausschließlich auf einer Frequenz. Tatsächlich unterscheiden sich diese nämlich je nach Kontinent. In Europa wird auf der Frequenz 868 MHz gesendet, (Nord-) Amerika nutzt 915 MHz und in Asien wird auf 433 MHz gefunkt. Bereits bei der Auswahl der Komponenten muss darauf geachtet werden, dass die entsprechenden Frequenzen genutzt werden können.
Zwei Sachen haben jedoch alle Frequenzen gemeinsam: Sie sind in den entsprechenden Regionen kostenfrei und können bedingungslos genutzt werden. Das ist ein Vorteil gegenüber kostenpflichtigen, vergleichbaren Technologien wie beispielsweise Narrow-Band-IoT (NB-IoT).
Wie sieht die Architektur von LoRaWAN aus?
Die Architektur, die LoRaWAN Lösungen zu Grunde liegt, ist bei jedem Anwendungsfall sehr ähnlich: Die LoRaWAN Sensoren, sogenannte Nodes, kommunizieren mit einem LoRaWAN Gateway. Dieses ist mit dem Internet verbunden, beispielsweise über eine LTE- oder WLAN-Verbindung. Die Nachrichten der Nodes werden vom Gateway übersetzt und an eine Cloud Plattform weitergeleitet.
Die Nodes können sowohl Daten senden als auch Befehle empfangen. Somit kann die Kommunikation sowohl unidirektional als auch bidirektional erfolgen.
LoRaWAN kommt bereits in zahlreichen Anwendungsfällen zum Einsatz. Vor allem beim Einsatz von Sensoren in großflächig verteilten Lösungen führt keine Diskussion an der Technologie vorbei. Die Stadtwerke Augsburg überwachen beispielsweise ihr weitläufige Netzinfrastruktur und können so zügig auf Probleme reagieren.
