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LPWA: große Reichweite, geringer Stromverbrauch

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Was bedeutet LPWA, und welche Bedeutung haben LPWA-Technologie für das Internet of Things (IoT)? Ein Überblick.

LPWA-Technologien wurden für IoT-Produkte entwickelt, um die drahtlose Kommunikation bei geringem Energieverbrauch, aber großer Reichweite zu ermöglichen. Mit der zunehmenden Entwicklung der Technologie des Internet of Things geht auch die Entwicklung hin zu einem geringen Stromverbrauch für elektronische Geräte und Produkte voran. Welche Rolle dabei LPWA spielt, haben wir uns einmal für Sie angeschaut.

Die Entstehungsgeschichte der LPWA-Technologie

LPWA (low-power, wide-area), auf Deutsch Niedrigenergieweitverkehrnetz genannt, bezieht sich nicht auf einen bestimmten Technologiestandard, sondern ist ein Oberbegriff für jedes Netzwerkprotokoll, das für die drahtlose Kommunikation mit geringerer Leistung als andere Netze wie LTE, UMTS oder GSM ausgelegt ist. Diese Netzwerkprotokolle wurden für Produkte des Internet of Things und für die Machine-to-Machine-Kommunikation konzipiert, da diese meist nicht die gleiche Geschwindigkeit und Bandbreite wie Mobilfunkgeräte brauchen. Sie benötigen jedoch eine hohe Zuverlässigkeit. Außerdem kommunizieren LPWA über größere Entfernungen als andere stromsparende Protokolle wie Bluetooth oder NFC. So kann bei niedrigem Energieverbrauch der Endgeräte und demzufolge niedrigen Betriebskosten trotzdem eine große Reichweite erreicht werden.

LPWA-Technologie existiert bereits seit 2013. Der Mobilfunkindustrieverband GSMA legte LPWA 2015 im Zuge der Definition einiger LPWA-Netzstandards wie NB-IoT und LTE-M als bevorzugte Technologie für IoT-Geräte fest. Dies half Netzbetreibern dabei, die spezifischen Anforderungen von IoT-Anwendungen in Bezug auf Energieverbrauch, Kosten und Netzabdeckung zu erfüllen. Gleichzeitig wurde die LoRa Alliance gegründet, um die Weiterentwicklung des LoRaWAN-Netzprotokolls (Long Range Wide Area Network) zu fördern, das heute bei vielen IoT-Plattformen zur Anwendung kommt.

Welche drahtlosen Kommunikationsprotokolle gibt es für das IoT und die M2M-Kommunikation?

Es gibt derzeit eine Reihe von LPWA-Netzen. Zu den führenden Technologien gehören unter anderem:

  • LTE-M: LTE-M (auch LTE-MTC) wird als eine der ersten Generationen von LPWA-Mobilfunktechnologien betrachtet und nutzt bestehende LTE-Netze, die eine hocheffiziente Konnektivität auf mehreren GSM-Bändern mit erweiterter Abdeckung in Gebäuden und unter der Erde ermöglichen. So reduziert LTE-M die Komplexität der Geräte und den Bedarf an Modulen und Varianten erheblich.
  • NB-IoT: Narrowband IoT (NB-IoT) erweitert die Kosten- und Energieeffizienz von LTE-M auf große Flotten von bis zu 50.000 IoT-Geräten pro NB-IoT-Zelle. Zudem erhöht NB-IoT die Kapazität zur Unterstützung einer großen Anzahl neuer Verbindungen, wobei nur ein Teil des verfügbaren Spektrums genutzt wird. Dies minimiert den Stromverbrauch und ermöglicht eine Batterielebensdauer von mehr als zehn Jahren. NB-IoT dringt tief in den Untergrund und in geschlossene Räume ein und bietet eine Abdeckung von 20+dB in Innenräumen.
  • Sigfox: Sigfox ist derzeit eines der größeren LPWA-Netze. Es nutzt eine nicht lizenzierte Frequenz in den Bändern 868 MHz oder 902 MHz. Da es sich um eine Ultra-Narrowband-Funkübertragung handelt, bietet es eine große Reichweite mit einer niedrigen Datenübertragungsrate. Jede Nachricht ist 100 Hz breit mit Übertragungsraten von 100 oder 600 Bit pro Sekunde. Die Kommunikation zurück zum Gerät ist begrenzt, was für eine bidirektionale Kommunikation von Nachteil ist.
  • LoRa: LoRaWAN™ ist ein LPWAN-Technologiestandard, der speziell auf batteriebetriebene Geräte ausgerichtet ist. LoRA ermöglicht eine einfache Interoperabilität zwischen IoT-Lösungen, ohne dass komplexe lokale Installationen erforderlich sind. Da LoRa-Geräte ohne SIMs oder MIMs für die Verschlüsselung und ID-Authentifizierung operieren, benötigen sie eine zusätzliche Ebene der digitalen Sicherheit.
  • Weightless SIG: Weightless ist ein offener, weniger kommerzieller Standard, der im unlizenzierten Spektrum arbeitet, was ihn unabhängig von Netzbetreibern und Hardware-Anbietern macht. Es gibt Weightless-W, das die nicht lizenzierten Frequenzen zwischen den Frequenzen der Fernsehsender nutzt. Weightless-N verwendet ein unlizenziertes Schmalbandprotokoll und Weightless-P nutzt den 12,5-kHz-Schmalbandbereich. Weightless SIG bietet bidirektionale Kommunikation.
  • Ingenu: Mit einer Reichweite von 3 bis 6,5 Meilen hat Ingenu eine Technologie, die sich Random Phase Multiple Access (RPMA) nennt. Diese Technologie arbeitet im 2,4-GHz-Spektrum. Es kann zwar in vielen verschiedenen Ländern genutzt werden, ist aber anfällig für Störungen durch andere Geräte, die dasselbe Spektrum nutzen, wie etwa Bluetooth oder WiFi.

LPWA für IoT-Anwendungen und Machine-to-Machine-Kommunikation

Da LPWA-Netze eine begrenzte Bandbreite aufweisen, eignen sie sich nicht für diverse kommerzielle und private Anwendungen wie Audio, Video oder Textnachrichten. Daher werden LPWA-Netze fast ausschließlich bei Geräten des Internet of Things und der Machine-to-Machine-Kommunikation genutzt. Gängige Einsatzgebiete sind derzeit vor allem in den Bereichen Smart City und Industrie angesiedelt. Dazu zählt das Parkraum-Management, das LPWA-Technologien hauptsächlich wegen des geringen Stromverbrauchs nutzt. Auch im Bereich von Wasserzählern und Rohrleitungen wird LPWA eingesetzt. Da sich entsprechende Module teilweise weit unter der Erdoberfläche befinden, sind LPWA-Technologien wegen ihrer großen Reichweite hier sinnvoll. Bei smarten Paletten kommt ebenfalls LPWA-Technologie zum Einsatz – sowohl für die Langstreckenkommunikation während des Transports als auch wegen der langen Batterielebensdauer. Ebenso bei der Straßen- und Wegebeleuchtung kommt LPWA aufgrund des niedrigen Energieverbrauchs, der großen Distanzen von bis zu 50 Kilometern, teilweise sogar bis zu 800 Kilometern, und wegen des geringen Bedarfs an Übertragungsbandbreite häufig zum Einsatz.

5G ist keine Alternative zu LPWA

Die meisten IoT-Lösungen benötigen Weitverkehrsnetze mit geringem Stromverbrauch. Darum ist auch in Zukunft 5G kein Ersatz für LPWA-Technologien. Bei großen IoT-Projekten wird LPWA oft mit verschiedenen anderen Netztechnologien des Mobilfunks kombiniert. Einige LPWA-Technologien befinden sich in verschiedenen Stadien der Entwicklung oder Einführung. Es ist wahrscheinlich, dass weitere Technologien entwickelt werden, bis sich marktbeherrschende Standards herauskristallisieren oder Standardspezifikationen zusammengeführt werden. Einige der anderen LPWA-Technologien sind unter anderem GreeOFDM von GreenWaves Technologies, ThingPark Wireless oder Symphony Link von Link Labs.

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