Definition

LPWAN (Low-Power Wide Area Network)

Mitarbeiter: Sharon Shea, Matthew Haughn

Low-Power WAN (LPWAN) ist eine WAN-Technologie (Wireless Area Network), die batteriebetriebene Geräte mit geringer Bandbreite und geringen Bitraten über lange Distanzen verbinden.

LPWANs wurden für M2M- (Machine-to-Machine) und IoT-Netzwerke (Internet of Things) erschaffen. Verglichen mit herkömmlichen, mobilen Netzwerken sind die Betriebskosten geringer und die Energieeffizienz ist höher. Es lässt sich auch eine größere Anzahl an verbundenen Geräten in umfangreicheren Gebieten betreiben.

LPWANs können Paketgrößen von 10 bis 1000 Byte übertragen und Uplink-Geschwindigkeiten von bis zu 200 KBit/s erreichen. Die Reichweite von LPWANs beträgt von zwei bis zu 1000 Kilometern. Hier kommt es auf die eingesetzte Technologie an.

Die meisten LPWANs bestehen aus einer Sterntopologie. Ähnlich wie bei WLAN ist jedes Endgerät direkt mit einem zentralen Access Point verbunden.

Arten von LPWANs

LPWAN ist keine einzelne Technologie, sondern eine Gruppe aus diversen stromsparenden, WAN-Technologien, die in vielen Arten und Formen bestehen. LPWANs können lizenzierte oder nicht lizenzierte Frequenzen einsetzen und sowohl proprietäre als auch offene Standard benutzen.

Das proprietäre und nicht lizenzierte Sigfox ist derzeit eines der am meisten genutzten LPWANs. Die Technologie läuft über ein öffentliches Netzwerk in den Frequenzbereichen 868 MHz oder 902 MHz. Es ist eine ultraschmalbandige Technologie, die nur einen Betreiber pro Land zulässt. In ländlichen Gegenden lassen sich damit Nachrichten über 30 bis 50 Kilometer übertragen. In städtischen Gebieten sind es drei bis zehn Kilometer und bei Umgebungen mit freier Sicht sind bis zu 1000 Kilometer möglich. Die Paketgröße ist auf 150 Nachrichten von zwölf Bytes pro Tag begrenzt. Die Downlink-Pakete sind kleiner und auf vier Nachrichten je acht Byte pro Tag begrenzt. Das Zurückschicken von Daten an die Endpunkte ist teilweise auch für Interferenzen anfällig.

RPMA oder Random Phase Multiple Access ist ein proprietäres LPWAN von Ingenu Inc. Auch wenn die Reichweite geringer ist (50 Kilometer bei freier Sicht und fünf bis zehn Kilometer mit Hindernissen im Weg), ist die bidirektionale Kommunikation besser als bei Sigfox. Weil es aber im Spektrum von 2,4 GHz läuft, ist es für Interferenzen anfällig, die von WLAN, Bluetooth und physischen Strukturen ausgehen. Der Energieverbrauch ist ebenfalls höher als bei anderen LPWAN-Lösungen.

Das nicht lizenzierte LoRa wird von der LoRa-Allianz spezifiziert und unterstützt. Es überträgt mehrere Sub-Gigahetz-Frequenzen und deswegen ist die Lösung weniger anfällig für Interferenzen. LoRa ist ein Derivat von CSS-Modulation (Chirp Spread Spectrum) und gestattet es Anwendern deshalb, Paketgrößen zu definieren. Die LoRa-Technologie ist zwar Open Source, aber der zugrundeliegende Transceiver-Chip ist nur von Semtech Corporation verfügbar. Das ist die Firma, die hinter der Technologie steht. LoRaWAN ist das MAC-Layer-Protokoll (Media Access Control), das die Kommunikation zwischen LPWAN-Geräten und den sogenannten Gateways steuert.

Weightless SIG hat drei LPWAN-Standards entwickelt: Das unidirektionale Weightless-N, das bidirektionale Weightless-P und Wightless-W. Letzteres ist ebenfalls bidirektional und läuft über nicht genutztes TV-Spektrum. Weightless-N und Weightless-P sind oft die beliebteren Optionen, weil die Batterielebensdauer von Weightless-W kürzer ist. Weightless-P und Weightless-N laufen im nicht lizenzierten Sub-1-Ghz-Spektrum, funktionieren aber auch in der lizenzierten 12,5-KHz-Schmalband-Technologie.

Schmalband-IoT (Narrowband-IoT, NB-IoT) und LTE-M sind beides 3GPP-Standards (3. Generation Partnership Project), die im lizenzierten Spektrum laufen. Verglichen mit anderen Standards haben sie ähnliche Performance, sie funktionieren aber mit existierender Mobilfunkinfrastruktur. Deswegen können Service-Provider mobile IoT-Verbindungen schnell in die eigenen Portfolios aufnehmen.

NB-IoT, auch als CAT-NB1 bekannt, funktioniert mit existierender Infrastruktur für LTE und GSM (Global System for Mobile). Es bietet Uplink- und Downlink-Raten von zirka 200 KBit/s und verwendet lediglich 200 KHz der verfügbaren Bandbreite.

LTE-M, auch als CAT-M1 bekannt, bietet größere Bandbreite als NB-IoT und sogar die größte Bandbreite von allen LPWAN-Technologien.

Einige Anbieter setzen sowohl lizenzierte als auch nicht lizenzierte Technologien ein, um auf beiden Märkten mitspielen zu können.

Zu weiteren LPWAN-Technologien gehören:

  • GreenOFDM von GreeWaves Technologies
  • DASH7 von Haystack Technologies Inc.
  • Symphony Link von Link Labs Inc.
  • ThingPark Wireless von Actility
  • Ultra Narrow Band von verschiedenen Firmen, unter anderem Telensa, Nwave und Sigfox
  • WAVIoT

LPWAN gegen Mobilfunk, Hochfrequenz (RF) und Mesh

Bluetooth, ZigBee und WLAN eignen sich sicherlich für IoT im Verbrauchermarkt. Viele IoT-Anwendungen, vor allen Dingen in industriellen, zivilen und kommerziellen Lösungen, profitieren von LPWAN, wenn sich eine große Anzahl an Geräten mit geringem Energieverbrauch in einem flächendeckenden Angebot kostengünstig einsetzen lassen.

Anders als frühere drahtlose Technologien bietet LPWAN eine batterieschonende, flächendeckende Möglichkeit für Verbindungen. Somit sind mehr M2M- und IoT-Anwendungen möglich, die bisher zu teuer gewesen wären. Ein ziemlicher Nachteil ist allerdings die Menge an Daten, die sich übertragen lässt. Laut James Brehm & Associates verwenden aber 86 Prozent aller IoT-Geräte weniger als 3 MByte Daten pro Monat. 3GPP geht davon aus, dass 99,9 Prozent aller LPWAN-Geräte weniger als 150 KByte an Daten pro Monat konsumieren werden.

Mobilfunknetze leiden oft unter einer schlechten Akkulaufzeit und können Versorgungslücken aufweisen. Mobilfunktechnologien werden auch häufig abgeschaltet. Da viele IoT-Geräte zehn Jahre oder länger im Einsatz sind, ist eine Unterbrechung der Mobilfunkabdeckung keine praktikable Option.

Hochfrequenztechnologien wie zum Beispiel Bluetooth und NFC (Near-Field Communications) bieten die Reichweiten nicht, die IoT-Anwendungen benötigen.

Sogenannte Mesh-Technologien wie Zigbee eignen sich besser für IoT-Anwendungen mit mittleren Distanzen. Damit sind zum Beispiel Smart Homes oder intelligente Gebäude gemeint. Die Datenraten sind höher, aber die Batterieeffizienz ist geringer als bei LPWAN.

LPWAN-Anwendungen

Wegen geringeren Energieanforderungen, größeren Reichweiten und geringeren Kosten als bei herkömmlichen mobilen Netzwerken eignen sich LPWANs für eine ganze Reihe an M2M- und IoT-Anwendungen. Viele waren bisher nicht möglich, weil das Budget nicht ausreichte und es Probleme mit der Stromversorgung gab.

Die Wahl eines LPWAN hängt von der jeweiligen Anwendung ab, nämlich der gewünschten Geschwindigkeit, den Datenmengen und der abgedeckten Fläche. LPWANs eignen sich am besten für Anwendungen, die sich mit sporadischen, nicht besonders großen Uplink-Nachrichten begnügen. Die meisten LPWAN-Technologien bieten auch Downlink-Optionen an.

LPWANs werden in der Regel bei Anwendungen genutzt wie intelligenter Verbrauchermessung (Smart Meter), intelligenter Beleuchtung, Monitoring und Tracking von Betriebsmitteln, Smart Cities, Präzisionslandwirtschaft, Monitoring des Viehbestands, Energieverwaltung, Herstellung und industriellen IoT-Einsätzen.

LPWAN-Sicherheit

Verschiedene LPWAN-Technologien bieten unterschiedliche Sicherheitsniveaus an. Die meisten Geräte haben Authentifizierung der Teilnehmer, Netzwerkauthentifizierung, Identitätsschutz, AES (Advanced Standard Encryption), Vertraulichkeit von Nachrichten und Schlüssel-Provisioning implementiert.

Die Zukunft von LPWAN

Als relativ neue Technologie ist die LPWAN-Landschaft ständig im Wandel und noch lange nicht ausgereift. Bei vielen Marktteilnehmern ist unklar, wer der Gewinner sein wird, zumal auch die Geschwindigkeit der Markterweiterung unbekannt ist. Die langfristige Leistungsfähigkeit jeder LPWAN-Variante ist ebenfalls ungewiss, da sich viele noch im Anfangsstadium befinden und die praktischen Tests im Maßstab noch nicht abgeschlossen sind.

Diese Definition wurde zuletzt im April 2019 aktualisiert

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