Neue Netze für die IoT-Post

Wireless Communication - Neue Funknetze erleichtern die Sensor-to-Cloud-Kommunikation. Mit lizenzfreien Low-Power-Wide-Area-Netzwerken wie Sigfox können sowohl der Energieverbrauch als auch die Kosten der IoT-Anbindung in Schach gehalten werden.

30. Oktober 2019
Neue Netze  für die IoT-Post
Der Sigfox-basierte Kamstrup-Zähler soll 16 Jahre ohne externe Energie funken können. (Bild: Kamstrup)

Um eine Seamless Convergence of Automation & IT zu bewerkstelligen, bedarf es nicht immer einer Ethernet-Schnittstelle, einem WLAN oder einer SIM-Karte für die Mobiltelefonie. Es gibt auch viele kleine Nachrichten, die man über Low-Power-Wide-Area-Netzwerke (LPWAN) an Clouds schicken kann.

Besonders kostengünstig lässt sich über die lizenzfreien Frequenzbereiche funken, welche jedermann nutzen kann. Werden weltweite Netze für LPWAN aufgebaut, brauchen sich Hersteller von Sensoren und Antrieben nicht um die Infrastruktur zu kümmern.

Hohe Energieeffizienz

Eine Funkverbindung mit LPWAN-Geräten hat grundsätzlich eine hohe Energieeffizienz, wie der Name dieser Funktechnologie bereits indiziert. Diese liegt im Wesentlichen darin begründet, dass sich die Geräte nicht permanent mit dem jeweiligen Netz verbinden, sondern nur bei Bedarf funken. So können besonders lange Batteriestandzeiten erreicht werden.

Sensoren lassen sich über Jahre und Jahrzehnte hinweg auch ohne Stromanschluss betreiben. Dies bietet immense Vorteile bei der Anbindung bestehender Geräte, Maschinen und Anlagen, denn LPWAN-Sensoren eignen sich hervorragend als adaptive Sensorik.

Je weniger Daten übertragen werden und je weniger gefunkt wird, desto länger sind auch die Batteriestandzeiten. Hersteller wie Kamstrup etwa bieten Wasserzähler an, die laut Herstellerangaben bis zu 16 Jahre ihre Zählerdaten funken können – dies ganz ohne externe Stromzufuhr, allein auf Basis von Batterien.

Hohe Reichweite

LPWAN-Netze – ebenfalls nomen est omen – haben eine hohe Reichweite. Je nach eingesetzter Technologie unterscheiden sich die Reichweiten. Sie umfasst beispielsweise bei Sigfox in Städten rund drei bis fünf Kilometer, über Land bis zu 30 oder gar 50 Kilometer und über See schließlich bis zu 1.000 Kilometer.

LPWANs unterscheiden sich damit signifikant von lokalen Funkstandards wie WLAN, Bluetooth oder NFC. Sie lassen sich damit auch in Outdoor-Applikationen über weite Flächen hinweg nutzen, weshalb sie auch Anwender im Bereich der Telematik findet.

LPWAN-Netze lassen sich zudem auch vergleichsweise einfach in sehr abgelegenen Gegenden aufbauen, sodass man mit ihnen auch Versorgungsinfrastrukturen der Prozessindustrie, beispielsweise Pumpen, oder auch Verkehrswege, wie Kabelschachtab- deckungen von Gleiswegen, gut überwachen kann.

Deep-Indoor-Tauglichkeit

Die LPWAN-Nachrichten reichen auch in Gebäude hinein respektive aus Gebäuden heraus, was sie Deep-Indoor-tauglich macht und damit das Anwendungsfeld nicht nur auf Outdoor-Applikationen beschränkt, sondern sie universell anwendbar macht. Anwendungsfelder sind deshalb zum Beispiel auch Zählerfernaus- legungen von Energieversorgungsunternehmen.

»Die Netzabdeckung von Sigfox ist öffentlich abrufbar und umfasst derzeit 85 Prozent von Deutschland.«

— Aurelius Wosylus, Chief Sales Officer, Sigfox Germany

Je nach eingesetzter Technologie werden unterschiedliche Techniken eingesetzt, um die QoS der Funkübertragung der Nachrichten, die jeweils im Ultra-Schmalband-Format gesendet werden, sicherzustellen. Manche drosseln bei schwacher Übertragungsleistung beispielsweise die Datenrate und wiederholen so lange, bis die Nachricht sicher übertragen wurde. Andere wiederum senden die gleiche Nachricht direkt dreimal im Frequenzsprungverfahren und stellen so die Übertragung sicher.

LPWAN-Spielarten

Es werden derzeit mehrere LPWAN-Netze aufgebaut, um kostengünstigere Alternativen zu klassischen Telekommunikationsnetzen zu schaffen. Neue LPWAN-Netze mit vergleichsweise hoher Bandbreite und entsprechenden Kosten sollen in den lizenzierten Frequenzbändern verfügbar werden. Hierzu zählen vor allem LTE-CAT1-, LTE-M- und NB-IoT-basierte Netze. Anbieter sind Telekommunikationsgesellschaften, die Lizenzen für diese Frequenzbereiche ersteigert haben und nun für LPWAN-Technik bereitstellen. Neben diesen Lösungen werden auch LPWAN-Netze in den lizenzfreien Frequenzbändern aufgebaut. Die erlaubten Bandbreiten sind hier nach den Vorschriften der Regulierungsbehörden niedriger. Ein Device darf aber nicht mehr als ein Prozent des Netzes auslasten. Wie viele Daten braucht man aber?

In vielen Fällen reichen ganz kleine Nachrichtenpakete aus. So umfassen etwa GPS-Koordinaten sechs Bytes, Temperaturwerte zwei Bytes, Geschwindigkeitswerte ein Byte, Objekt-Status ein Byte und In-Betrieb-Meldungen null Byte. Reichen kleine Datenmengen aus, kann man jedes LPWAN einsetzen, das angeboten wird. Bei den LPWAN-Lösungen im freien Band sind derzeit zwei Technologien am Markt: Lora und Sigfox. Während Lora bislang primär dazu genutzt wird, private Netze aufzubauen, zielt das Sigfox-0G-Netz darauf ab, ein öffentliches Netz anzubieten, das jedermann nutzen kann. Beide Anbieter geben jedoch an, dass sie beide Spielarten beherrschen. Die Netzabdeckung ist dabei bei öffentlichen Netzen entscheidend.

LPWAN-Modulkosten

Je nach LPWAN-Technologie variieren die Kosten für die Module ohne Batterie zwischen über zehn Euro für LTE-Cat-1 und unter fünf Euro für die leistungsfähigsten Netze im lizenzierten Band. Im freien Band liegen die Kosten bei etwas unter sieben Euro für Lora und bei unter drei Euro für Sigfox. Die Kosten werden in allen Bereichen mit vermehrter Anwendung sinken. Mancher Hersteller stellt sogar Kosten in Aussicht, die unter einem Euro liegen. Prognostiziert wurden beispielsweise 20 Cent für eine Einmalverbindung von Einweg-Devices im Sigfox-Netz.

Insgesamt wird in allen Bereichen von stark sinkenden Kosten ausgegangen. Es ist nämlich davon auszugehen, dass künftig rund 80 Prozent der prognostizierten Milliarden-Devices über LPWAN-Netzwerke angebunden werden. Hohe Stückzahlen führen dabei automatisch zu Massenproduktionen mit entsprechend hohen Economies of Scale. Applikationsseitig ist davon auszugehen, dass geringere Bandbreiten und Datenmengen zu geringeren Kosten führen, sodass die Technische Universität Deggendorf im Zusammenhang der LPWAN-Erforschung auf Basis von Sigfox vom Ein-Euro-IoT spricht.

LPWAN-Gebührenerhebung

Neben Modulkosten sind auch Verbindungsentgelte entscheidend. Generell ist davon auszugehen, dass kleinere Datenmengen und Bandbreiten zu geringeren Kosten zu erwerben sind. Eine Übersicht der Kosten ist jedoch nicht möglich, da Tarife derzeit nicht öffentlich zugängig sind. Bekannt ist aber, dass beim Sigfox-Netz keine Gebührenabrechnungen mit dem Endanwender erfolgen.

»Will man Geräte weltweit einsetzen, fallen beim Sigfox-0G-Netz keine Roaming-Gebühren an.«

— Aurelius Wosylus, CSO, Sigfox Germany

Es ist vielmehr der Device-Hersteller, der die Entgelte zu entrichten hat, was für den Netzbetreiber und Anwender den Verwaltungsaufwand reduziert, da nur der Device-Hersteller zu verwalten ist, der gegebenenfalls hunderte oder auch tausende Kunden haben kann. Die Lizenzgebühr für die Nutzung des Netzes durch die Devices wird in diesem Fall bereits mit der Bereitstellung der Funkmodule abgegolten. Ein solches Preismodell ist bei höheren Bandbreiten, wie sie im lizenzierten Band angeboten werden, bislang nicht Ziel der Netzbetreiber. Ungeachtet dessen können Device-Hersteller selbstverständlich Volumentarife mit den Netzbetreibern abschließen und Kunden damit ähnliche Verträge anbieten, wie sie etwa bei Sigfox üblich sind.

Spezialfall Roamingkosten

Will man Geräte weltweit einsetzen, fallen beim Sigfox-0G-Netz keine Roaming-Gebühren an. Von Roaming-Kosten in den lizenzierten Frequenzbändern ist hingegen auszugehen, denn auch heute noch gibt es kein kostenloses weltweites Roaming für Mobiltelefonie.

Hersteller wie das Luxuswaren-Unternehmen Louis Vuitton haben zum Beispiel einen Tracker für Koffer entwickelt, mit dem man weltweit seinen Koffer auf großen Flughäfen tracken kann. Sie können Nachrichten von Devices aller Art an die Basisstationen des Netzes senden. Diese stellen sie dann als Service in einer kundenspezifischen Cloud bereit. Für die Nutzung des Netzes werden keine Gebühren erhoben, wie sonst bei Mobilfunknetzen üblich. Das erleichtert die Administration erheblich.

Geolokalisierung

Es gibt LPWAN-Netze, die auch Geolokalisierungsfunktionen bieten. Anwender können dadurch wertvolle Informationen über die areale Nutzung ihrer Devices erhalten, um etwa die Instandhaltungseinsätze zu optimieren. Auch das Supply Chain Management kann davon profitieren, in dem es Assets konstant über LPWAN trackt. Airbus trackt mit LPWAN-Technologie etwa seine Ersatzteile auch im Rolling Stock auf Landstraßen und Autobahnen. Bei Just-in-Time- und Just-in-Sequence-Lieferungen ist die LPWAN-Ortung auch ideal zum Management der Assets auf den letzten Meilen.

Hintergrund

0G versus 5G

Das 5G-Netz ist für breitbandige Mobilfunkkommunikation konzipiert, um Applikationen wie autonomes Fahren, virtuelle Realität oder auch Industrie-4.0-Applikationen in Echtzeit zu ermöglichen. Es bedarf vieler kleiner Zellen, da die pro Teilnehmer er- forderlichen Nutzfrequenzen hoch sind und die Anzahl der Teilnehmer pro Basisstation begrenzt ist. Das 0G-Netz von Sigfox ist für eine sehr schmalbandige Kommunikation ausgelegt, um extrem energiesparend De- vices an das Internet anzubinden. Es lässt 12 Byte pro Nachricht zu und diese können bis zu 140 Mal pro Tag gesendet werden. Es bedarf weniger Zellen, da eine Zelle bis zu einer Million Devices verwalten kann und die Signale des LPWAN sehr weit reichen.

Wie genau ist nun aber die Ortung? Sie hängt von der eingesetzten Sensorik ab. Der Sigfox-Service-Atlas ermöglicht es beispielsweise, jedes Sigfox-Device bis auf rund 500 Meter respektive bis 1,5 Kilometer genau zu lokalisieren, indem die vom Device gesendeten Datensignale im Sigfox-Backend ausgewertet werden. Es werden also keine weiteren Bauelemente benötigt, was Energie spart und Kosten senkt.

Mit einem zusätzlich im Device integrierten WLAN-Sensor ist in urbanen Regionen eine Ortungsgenauigkeit von bis zu 30 Metern umsetzbar. Ergänzt man zusätzlich den Sigfox-Service-Monarch, ist sogar eine globale Ortung über alle Weltregionen hinweg möglich. Falls eine zentimetergenaue Lokalisierung erforderlich ist, können darüber hinaus natürlich auch noch GNSS-Empfänger integriert werden.

Zeit für kreative Ideen

Je günstiger die Kosten einer Anbindung werden, desto weiter lässt sich die LPWAN-Technologie auch verbreiten. Geht man beispielsweise von 20 Cent aus, kann man selbst das Öffnen einer Einwegverpackung tracken, um Nachbevorratungen auszulösen oder auch beispielsweise bei unerlaubter Öffnung eines Schaltschranks zu melden. LPWANs eröffnen folglich viele hoch innovative Lösungen. Und welche kreativen Ideen haben Sie?

Erschienen in Ausgabe: 07/2019
Seite: 46 bis 48