Pepperl+Fuchs

LPWAN-Technologien im Vergleich

Showdown zwischen LoRaWAN, Mioty, NB-IoT, LTE-M und Sigfox

Interview LPWAN

Datennetze, die tausende von Sensoren über ein Gateway miteinander verknüpfen und die verlässliche Übertragung von Maschinenzustands- oder Umweltdaten ermöglichen, werden täglich mit einer von mehreren LPWAN-Technologien umgesetzt. Ohne diese Low Power Wide Area Networks wäre die Vision des Internet of Things noch keine Realität.

RFID im Blick sprach mit dem LPWAN-Experten Wolfgang Weber, ehemals Global Industry Manager bei Pepperl+Fuchs, über die einzelnen LPWAN-Technologien und den Stand des LPWAN-Netzausbaus.

Für weitere Auskünfte steht Daniel Möst, New Business Development Manager, Pepperl+Fuchs, zur Verfügung.

Technology story powered by: Think WIOT und Pepperl+Fuchs

LPWAN-basierte M2M-Konnektivität ermöglicht IoT-Geräten, die Umwelt wahrzunehmen und mit ihr zu interagieren, und zwar überall und zu jederzeit.

LPWAN gilt als eine Grundlagentechnologie für das Internet der Dinge.

Die englische Abkürzung LPWAN bedeutet Low Power Wide Area Network. LPWAN verfügt über Eigenschaften, mit denen Unternehmen ihre Zielsetzungen im Internet der Dinge (IoT) optimal umsetzen können. Der deutschsprachige Begriff ‚Niedrigenergieweitverkehrnetz‘ klingt eher störrisch, so dass sich die englische Abkürzung LPWAN etabliert hat. LPWAN steht für Netzwerkprotokolle, die Niedrigenergiegeräte wie batteriebetriebene Sensoren mit einem Server verbinden.

Das Netzwerk besteht aus Endgeräten, die Nodes genannt werden und Gateways, die als Basisstation fungieren. Die Gateways leiten die erfassten Daten der Endgeräte zur Auswertung an den Netzwerkserver weiter. Die Endgeräte werden somit vom Netzwerkserver gesteuert.

Die physikalische Verbindung zwischen Endgeräten und Gateways kann über lizenzfreie Frequenzen oder Mobilfunkfrequenzen erfolgen. LPWAN ist am Markt sowohl im unlizenzierten Spektrum (LoRaWAN, Sigfox und Mioty) als auch als zellenbasierte Narrowband-Technik (NB-IoT, LTE-M) verfügbar.

Vorteile vom Netzwerkprotokoll LPWAN

Geringer Energieverbrauch der Endgeräte
Große Reichweite der Kommunikation
Lizenzfreie Nutzung
Effiziente Bandbreitennutzung
Vereinfachte Topologie des Netzwerks
Skalierbarkeit des Netzwerks und Kapazitätserweiterung
Niedrige Kosten in Anschaffung, Errichtung und Betrieb
Robustheit für M2M-Kommunikation

Zu den LPWAN-Technologien, die in Europa aktiv am Markt vertreten sind, gehören NB-IoT (Narrowband-IoT), LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), Sigfox, Mioty und LTE-M (Long Term Evolution for Machines).

In Deutschland überwiegt der Einsatz von LoRaWAN, NB-IoT und LTE-M. Mioty ist relativ neu. Sigfox ist europaweit vertreten, vor allem im Herkunftsland Frankreich.

1. Herr Weber, seit wann beschäftigen Sie sich mit LPWAN-Technologien?

Wolfgang Weber: Ich beschäftige mich seit 2015 mit LPWAN. Damals kam die Stadt Heidelberg im Rahmen eines Smart City Projekts auf Pepperl+Fuchs zu. Wir lieferten Sensoren für das Projekt.

2. Welche Applikationen setzt Pepperl+Fuchs mit LPWAN-Technologien um?

Weber: Wir nutzen die Technologie LoRaWAN in erster Linie in Sensoren zum Messen von Füllständen und Distanzen in Flüssigkeiten, Feststoffen, Glas und anderen Materialien.

Im Bereich der Ultraschallsensoren nutzen wir LoRaWAN ebenfalls. Wir sind einer der weltgrößten Produzenten dieser Sensoren für die industrielle Automation.

Ultraschallanwendungen sind ein weites Feld. Wir decken nur einen Teil im Bereich industrieller Anwendungen ab. Unsere Ultraschallsensoren übertragen zu 99,99 Prozent der Anwendungen nicht über Funk. LPWAN ist in diesem Bereich eine neue Anwendung mit noch vergleichsweise geringer Stückzahl.

3. Entspricht die Entwicklung der vergangenen Jahre der allgemeinen Erwartung an LPWAN-Technologien?

Weber: : In technologischer Hinsicht ja. Die Technologien sind voll ausgereift und für viele energiearme Anwendungen geeignet. Jede der LPWAN-Technologien ermöglicht Batteriebetrieb über 10 Jahre und mehr.

Was die Marktdurchdringung angeht, war die Erwartungshaltung an LoRaWAN jedoch größer. Die Zahl der Implementierungen hat sich nicht in der Größenordnung entwickelt, wie wir erwartet hatten.

Das hat mit Sicherheit mit den Anforderungen an die IT-Struktur zu tun, die sich als sehr komplex herausgestellt haben. Zwar funktioniert die Datenerfassung sehr gut, die Nutzung der Daten hinterher birgt jedoch viele Herausforderungen. Es wird noch einige Jahre dauern, bis diese gelöst sind.

4. Sehen Sie die Zukunft für LPWAN deswegen gefährdet?

Weber: Nein, gar nicht. Wir sollten und werden an LPWAN festhalten und weitere Möglichkeiten, Lösungen damit zu schaffen, finden. Entscheidend für den Erfolg einer Anwendung wird auch das Geschäftsmodell sein, das der Anwendung zugrunde liegt.

LoRaWAN

LoRaWAN nutzt die Methode der Frequenzspreizung zur energiearmen und zuverlässigen Datenübertragung.

Bild: Thermokon Sensortechnik GmbH – www.thermokon.de

Das Protokoll LoRaWAN steuert die Kommunikation zwischen batteriebetriebenen LoRa-Geräten und Gateways. LoRaWAN-Netze funktionieren kabellos und erfüllen eine der zentralen Voraussetzungen an Technologien für das IoT. In Europa ist für die LoRa-Kommunikation das Frequenzband von 433,055 bis 434,795 MHz (ISM-Band Region5 1) und von 8635 bis 8705 MHz (SRD-Band) freigegeben.

In Nordamerika steht das Frequenzband von 902 bis 928 MHz (ISM-Band Region 2) zur Verfügung. Die Frequenzspreizung, basierend auf der Chirp-Spread-Spectrum Modulation, ermöglicht eine hohe Effizienz beim Datentransfer und einen niedrigen Energieverbrauch. Gleichzeitig minimiert die genutzte Modulation Interferenzen.

Die Kommunikation vom Endgerät zum Gateway und zum Anwendungsserver wird in zwei Ebenen verschlüsselt. Erstens die Protokollebene vom Endgerät zum Netzwerkserver und zweitens die Datenebene (Payload) vom Endgerät bis zum Anwendungsserver (Ende-zu-Ende).

Geschichte LoRaWAN

Die Entwicklungsarbeit, die schlussendlich zu LoRa führte, begann 2009 in Frankreich. Die Begründer von LoRa nutzten die Chirp Spread Spectrum (CSS)-Modulationstechnologie, eine Technologie, die in der maritimen Industrie für Sonargeräte und in der Luftfahrt für Radargeräte weit verbreitet ist.

LoRa ist eigentlich nur eine Kombination aus den beiden englischen Wörtern »Long« und »Range«, wurde aber dennoch von Semtech 2012 als Marke registriert. LoRa steht somit für »Große Reichweite«.’.

1. Welche technologischen Eckdaten sind herausragend zu nennen im Vergleich mit den anderen LPWAN-Technologien? Was müssen Anwender beachten?

Wolfgang Weber: LoRaWAN wird als die LPWAN-Technologie mit der höchsten Reichweite in der Datenübertragung eingestuft. In bebauten Gebieten können mit einem Gerät und einem Gateway Daten bis zu 2 Kilometer übertragen werden. Das liegt unter anderem an der hohen Gebäudedurchdringung. In ländlichen Gebieten wird oft von einer Reichweite bis zu 15 Kilometern gesprochen.

Anwender müssen beachten, dass die allgemeinen technischen Eckdaten keinen kann. Die Topographie an einem Projektstandort hat in der Regel einen großen Einfluss auf die Reichweite. Beim Hochwasserschutz in Tälern beispielsweise stößt jede Funktechnologie schneller an ihre Grenzen.

2. Welche Vorteile und Performance würden Sie LoRaWAN-Technologien zuordnen?

Weber: Der größte Vorteil liegt meines Erachtens in der Lizenzfreiheit von LoRaWAN. Daraus ergeben sich zwar einige Einschränkungen, beispielsweise in der Häufigkeit der Datenübertragung. Die Anschaffungskosten für LoRaWAN sind jedoch gering und der Netzzugang erfolgt problemlos durch die geeignete Hardware. Unternehmen können selber zum Netzbetreiber werden.

Außerdem werden keine SIM-Karten benötigt. Daraus ergibt sich eine flexible Skalierbarkeit, für die LoRaWAN auch konzipiert wurde. Große IoT-Bereitstellungen, bei denen tausende Geräte mit einer überschaubaren Anzahl an Gateways vernetzt werden, die mehrere Kanäle überwachen und mehrere Nachrichten zur gleichen Zeit verarbeiten, können leicht aufgebaut werden.

3. Wie weit ist der Netzaufbau vorangeschritten?

Weber: Landesweite LoRaWAN Netze sind inzwischen in den Niederlanden, der Schweiz und Südkorea aufgebaut. In Deutschland steigt die Zahl der Anwendungsfälle. Die RheinNeckar-Region mit Heidelberg und Mannheim weist eins der größten LoRaWAN Netze in Deutschland auf.

Weitere sind im Entstehen. Der Energieanbieter SH Netz in SchleswigHolstein hat 2023 beispielsweise beschlossen, im Landkreis Rendsburg-Eckernförde ein flächendeckendes LoRaWAN-Netz zu errichten. Genutzt werden soll es in erster Linie für Smart City Anwendungen wie Smart Parking und Smart Waste. Das sind nur einige Beispiele. Darüber hinaus sind hunderte LoRaWAN-Applikationen bereits im Einsatz.

4. Für welche Applikationen eignet sich LoRaWAN?

Weber: LoRaWAN eignet sich immer, wenn der Zugang zu Strom und Datenleitungen nicht vorhanden ist oder die Bereitstellung zu kostspielig wäre, da der Standort nur schwer zugänglich oder sehr abgelegen ist. Wegen der exzellenten Objektdurchdringung sind Smart City Anwendungen wie die bereits genannten, die Erfassung von Zählerständen und Umweltsensordaten und Lichtsteuerung mittlerweile typische Einsatzgebiete. Im Industrieumfeld kann LoRaWAN für die Maschinenzustandüberwachung und prädiktive Wartung eingesetzt werden.

5. Welche Nachteile sind mit dieser Technologie verknüpft?

Weber: Die maximale Datengröße darf 51 Bytes nicht überschreiten. Für die Übertragung größerer Datenmengen ist LoRaWAN deswegen nicht geeignet. Außerdem darf das Lizenzspektrum nur in einem Prozent der Zeit genutzt werden, also nur 36 Sekunden pro Stunde. Eine weitere Einschränkung für Anwendungen liegt in der Abhängigkeit von terrestrischen Verbindungen. In Verbindungen mit Satellitenkombination im 2 Ghz-Spektrum lassen sich dafür allerdings Lösungen finden.

NB-IoT

NB-IoT stellt ein Mobilfunk-basiertes LPWAN dar, das im lizenzierten Frequenzbandspektrum läuft. NB-IoT verwendet lediglich (schmale) 200 KHz der verfügbaren (breiten) Bandbreite. Das 2016 standardisierte NB1 überträgt bis zu 66 kbit/s im Uplink und 26 kbit/s im Downlink. NB2 von 2017 erreicht 159 beziehungsweise 127 kbit/s. Damit ist es ideal geeignet für die Übertragung der kleinen Datenmengen, die einfache Sensoren und Ortungsgeräte produzieren.

NB-IoT ist ein 3GPP-Industriestandard, der existierende Netzinfrastruktur wie Standorte, Basisstationen, Antennen, Backhaul im lizenzierten Spektrum nutzt. Da NB-IoT LTE-Sicherheitsmechanismen nutzt, die auf den Spezifikationen des 3GPP-Standards basieren, ist für die Nutzung von NB-IoT immer eine SIM-Karte notwendig. Die Inanspruchnahme eines standardisierten SIM-Profils ermöglicht auch den internationalen Einsatz.

NB-IoT-Roaming ist in allen europäischen Ländern verfügbar. Ländergrenzen überschreitende Anwendungen sind zwischen den Netzten der beteiligten Mobilfunkbetreiber möglich. Dazu gehören die Netze der Deutschen Telekom in Deutschland, den Niederlanden, Österreich, der Tschechischen Republik, der Slowakei, Ungarn, Griechenland, Polen und Kroatien; die Netze der Swisscom in der Schweiz und Liechtenstein, sowie von Telia Company in Dänemark, Finnland, Norwegen und Schweden; und die Netze von Vodafone in Spanien, Italien, Deutschland, den Niederlanden und Großbritannien.

NB-IoT ist ein von 3GPP entwickelter leistungsstarker LPWAN-Funktechnologiestandard für Mobilfunknetzgeräte und -dienste.

Die Anwendungsgebiete für NB-IoT stellen typische Einsatzszenarien für LPWAN dar.

1. Wodurch zeichnet sich NB-IoT aus?

Wolfgang Weber: Die energieeffiziente Erfassung und Übertragung kleiner Datenmengen wird auch von NBIoT-Netzen hervorragend gemeistert. Es gibt keine Begrenzung der Teilnehmer im Netz oder pro Funkmast. Die Übertragungsreichweite ist auch hier, wie bei anderen LPWAN-Technologien, mit bis zu 10 Kilometern sehr hoch. Im Einzelfall kann sie natürlich viel niedriger ausfallen.

2. Welche Vorteile und Performance würden Sie dieser Technologie zuordnen?

Weber: Wie alle LPWANTechnologien im lizenzierten Spektrum weist NB-IoT eine höhere Übertragungshäufigkeit auf als LoRaWAN und ermöglicht die Übertragung größerer Datenmengen.

Dabei ist die Performanz immer noch so energiearm, dass von einem Batteriebetrieb von 10 Jahren ausgegangen werden kann. Dieses LPWAN zeichnet sich darüber hinaus durch seine hohe Reliabilität aus, die auf der Wiederholung von Übertragungen beruht. So wird sicher gestellt, dass ein Signal den Empfänger auch tatsächlich erreicht.

3. Wie weit ist der NB-IoT Netzaufbau vorangeschritten?

Weber: Angaben dazu sind immer mit Vorsicht zu betrachten, da es nicht wirklich um Flächen geht, sondern um die erreichbaren Teilnehmer. Wir wissen wie viel Funklöcher es noch gibt, trotz angeblicher 98 Prozent Abdeckung im Mobilfunknetz.

4. Für welche Applikationen eignet sich diese Technologie?

Weber: Die Anwendungsbeispiele für NB-IoT sind vielseitig. Überall, wo Dinge miteinander vernetzt werden können, besteht die Möglichkeit, von NB-IoT zu profitieren. Smart City Anwendungen sind hier auch wieder als erstes zu nennen, darüber hinaus aber auch: Transport & Logistik, Produktion & Industrie, und Anwendungen in der Landwirtschaft und in der Sicherheitstechnik.

Zur Lokalisation von Gegenständen, Personen oder Tieren eignet sich NB-IoT ebenfalls. Und aufgrund der etwas höheren Sendeleistung können auch körpernahe Sensoren und Wearables mit NB-IoT betrieben werden.

5. Welche Nachteile sind mit dieser Technologie verknüpft?

Weber: Durch die Verwendung im lizenzierten Spektrum ergeben sich Kosten, die bei lizenzfreien LPWAN-Technologien nicht anfallen. Darüber hinaus resultieren aus der Technologie an sich einige Nachteile.

Bei höherem Datenbedarf bietet auch diese LPWAN-Technologie keine optimale Lösung. Zudem kann die Latenz bei NB-IoT bis zu 10 Sekunden betragen. In Verbindung mit der geringen Übertragungsrate ergibt sich aus diesem Umstand die Konsequenz, dass NB-IoT Geräte häufiger senden und somit einen etwas höheren Stromverbrauch aufweisen.

Aus der Abhängigkeit vom Mobilfunknetz ergibt sich ein weiterer Nachteil: haben regionale oder nationale Netzbetreiber keine Roaming-Vereinbarungen für NB-IoT abgeschlossen, so muss die Netznutzung auf die Region beschränkt bleiben.

6. Wie lautet Ihre abschließende Bewertung?

Weber: NB-IoT ist eine verlässliche LPWAN-Technologie. Sie befindet sich derzeit im Aufschwung und wird weiter wachsen. Bei Pepperl+Fuchs merken wir das an der größeren Anzahl an Projektanfragen für NB-IoT.

Sigfox

Sigfox verbindet verschiedenste Industriezweige miteinander und betreibt viele IoT-Netze in Europa.

Sensordaten verschiedenster Art werden zum Gateway übertragen und von dort in die Sigfox Cloud.

Sigfox steht für eine lizenzfreie UNB (Ultra-Narrow-Band/Schmalband) Technologie Signal mit nur 200 kHz Bandbreite. Die Technologie nutzt die Frequenzbereiche 868 MHz oder 902 MHz. Die nominale Reichweite einer Sigfox-Übertragung in ländlichen Gegenden liegt theoretisch bei 30 bis 50 Kilometern.

In dicht bebauten städtischen Gebieten können drei bis zehn Kilometer erreicht werden. Die Paketgröße für den Uplink ist auf 140 Nachrichten von zwölf Bytes pro Tag begrenzt. Die Downlink-Pakete sind kleiner und auf vier Nachrichten je acht Byte pro Tag begrenzt.

Geschichte Sigfox

Sigfox wurde 2010 in Frankreich gegründet. Dort wurden die ersten IoT-Netze aufgebaut. Sigfox bezeichnet diese Netze als 0G-Netzwerke. In Deutschland, Frankreich, Spanien und den Vereinigten Staaten von Amerika agierte Sigfox bis 2020 als selbstständiger Netzwerkbetreiber. Sigfox Germany wurde 2020 von Heliot, und Sigfox Frankreich 2022 von Unabiz übernommen.

Heliot Europe ist seit 2022 der exklusive Betreiber des globalen Sigfox 0G-Netzwerks in Deutschland, der Schweiz, Österreich, Slowenien sowie Liechtenstein. Damit ist Heliot Europe der größte 0G-Netzbetreiber in Europa. SigFox 0G-Netze werden in 75 Ländern weltweit betrieben, stehen damit theoretisch über 1,3 Milliarden Menschen zur Verfügung. In der Grundfläche erreicht das von SigFox Germany betriebene 0G-Netz eine landesweite Abdeckung von 90 Prozent. Zu den Kunden und Partnern zählen heute Konzerne wie die Deutsche Post DHL, Siemens, Weber Betonwerke sowie AlpsAlpine, ACP Digital und Box ID.

1. Wie unterscheidet sich Sigfox von anderen LPWAN-Technologien? Was müssen Anwender beachten?

Wolfgang Weber: Wie alle LPWAN-Technologien ist auch Sigfox in der Lage, energiearme Anwendungen mit geringen Datenübertragungsraten und kleinen Datenpaketen über große Entfernungen zu realisieren. Die maximale Reichweite einer Datenübertragung liegt nominell bei freier Sicht bei 50 Kilometern, was extrem weit ist.

Sigfox ist wie LoRaWAN eine proprietäre Technologie, operiert wie LoRaWAN im lizenzfreien Spektrum, wird aber wie NB-IoT von einem Netzbetreiber angeboten. Es gibt verschiedene Abonnementmodelle für die Abrechnung der Nutzungskosten.

2. Welche Vorteile würden Sie dieser Technologie zuordnen?

Weber: Sigfox ist für den Masseneinsatz im IoT geeignet. Millionen von Geräten können über ein Gateway in die Sigfox Cloud Daten übertragen. Die Eignung für den Einsatz im Industrial IoT wurde schon mehrfach von großen Logistikunternehmen und Industriekonzernen unter Beweis gestellt.

Ein weiterer Vorteil liegt in der unproblematischen Errichtung eines SigfoxNetzes, die der Betreiber übernimmt. Für den Datentransfer über Ländergrenzen hinaus entstehen keine Roaming-Gebühren, was ebenfalls ein Vorteil ist.

3. Wie weit ist der Netzaufbau vorangeschritten?

Weber: Er ist europaweit tatsächlich sehr weit vorangeschritten. In Kontinentaleuropa ist es überall verfügbar, wenngleich nicht flächendeckend. Laut einer Studie des Fraunhofer IML wurde für Sigfox in Europa nur eine punktuelle Verfügbarkeit in 10 von 24 Ländern nachgewiesen. [1]

4. Für welche Applikationen eignet sich diese Technologie?

Weber: Sigfox kann ähnlich wie alle anderen LPWAN-Technologien in Smart City Anwendungen einen großen Nutzen erzeugen. Die prominentesten Anwendungen finden sich beim Tracking und Tracing, also der Warenverfolgung im Logistikbereich (siehe DHL).

Einsätze im Bereich Entsorgung sind mir nicht bekannt. Wegen der sehr begrenzten Datenmenge sehe ich keine Einsatzmöglichkeiten bei anspruchsvoller Messtechnik. Temperatur oder CO₂ ginge sicherlich.

5. Welche Nachteile sind mit dieser Technologie verknüpft?

Weber: Dass Sigfox noch nicht flächendeckend in Europa verfügbar ist, erzeugt einige Einschränkungen. Zudem ist es ein proprietärer Standard, der nur mit dem Sigfox-Netz funktioniert. Will der Kunde den Anbieter wechseln, braucht er neue Endgeräte.

Mioty

Mioty wurde von Forschern am Fraunhofer IIS entwickelt und 2018 erstmals öffentlich vorgestellt. Mioty nutzt das lizenzfreie 868 MHz-Band in Europa und das 915 MHz-Band in Nordamerika. Es unterscheidet sich von anderen LPWAN-Technologien zum einen darin, dass es eine Software basierte Lösung ist und damit unabhängig von der eingesetzten Hardware genutzt werden kann.

Zweitens lag der Entwicklungsfokus der Fraunhofer-Forscher auf der Überwindung der Störanfälligkeit der Datenübertragung in freien, nicht-lizenzierten Funkbändern. Das Ergebnis ist die Datenübertragungsmethode Telegram Splitting Multiple Access (TSMA).

Die grundlegende Idee des Telegram Splitting ist es, die zu übertragenden Daten nicht in Gänze zu versenden, sondern in mehrere redundante Unterpakete aufzusplitten, die mehrmals über verschiedene Frequenzen im Band gesendet werden. Nur 50 Prozent der Pakete müssen für eine vollständige Übertragung korrekt empfangen werden. Kollisionen, auch durch andere Mioty-Geräte, stellen keine Störungsursache mehr dar.

In naher Zukunft werden mehr als 30 Milliarden Geräte mit dem Internet verbunden sein. Mioty wurde erfunden, um Interferenzen bei massenhafter Datenübertragung zu vermeiden.

Große Mengen von Mioty-Sensoren können auf weit ausgedehnten Industriegeländen mit nur einer Basisstation betrieben werden.

1. Welche technischen Einzelheiten stechen bei Mioty hervor?

Wolfgang Weber: Mioty ist entwickelt worden, um störungsarme Funkübertragungen über weite Strecken mit vielen Geräten zu ermöglichen. Störungen werden sowohl von anderen Mioty-Geräten als auch von fremden Geräten erzeugt, die im selben Frequenzbereich funken und stellen vor allem dann ein Problem dar, wenn Funkteilnehmer skalieren wollen. Die Übertragungen der unterschiedlichen Sensoren können dann Interferenzen erzeugen.

Mit TSMA wird das ausgeschlossen. Aus technischer Sicht wird dabei das Signal, das von den Sensoren gesendet werden soll, in viele kleine Subpakete unterteilt und auf unterschiedlichen Frequenzen und mit zeitlichen Abständen per Funk gesendet. Beim Empfang werden die Pakete wieder zur ursprünglichen Information zusammengefügt.

Die geringe Eigenstörung ermöglicht es, bis zu eine Millionen Sender gleichzeitig zu empfangen. Die Reichweite der Übertragung, die von den verschiedensten Faktoren abhängt, ist auch bei Mioty sehr hoch. Sie liegt nominell bei bis zu 15 Kilometern.

2. Wie weit ist der Netzausbau bei Mioty vorangeschritten?

Weber: Der Flughafen München beispielsweise misst an vielen Stellen präzise Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit und kann so die CO₂-Energiebilanz verbessern. Da Mioty noch relativ neu ist, steht der flächendeckende Netzausbau jedoch noch am Anfang.

3. Welche Nachteile birgt Mioty in sich?

Weber: Der initiale Installationsaufwand ist nicht so niedrig wie bei lizenzierten LPWANs. Die Basisstationen und Endgeräte muss sich der Anwender selbst beschaffen. Einen Anbieter zu finden, sollte nicht schwer sein, aber viele Anbieter gibt es noch nicht.

LTE-M

LTE-M wurde von 3GPP dezidiert für umfangreiche Machine-to-Machine- und IoT Anwendungen entwickelt.

LTE-M, auch als CAT-M1 bekannt, stellt eine wichtige LPWAN-Technologie zur Überbrückung der Lücke zwischen dem bestehenden LTE/4G-Netz und NarrowBand-IoT dar. Es gilt als zukunftssicherer Nachfolger von 2G und 3G, deren Netze weltweit zurückgebaut werden. LTE-M ist vor allem für die Übertragung kleiner und mittlerer Datenmengen prädestiniert.

LTE-M wurde im Release 13 der 3GPP als ergänzender Standard zu 4G/ LTE für eMTC (Enhanced Machine-type Communications) angelegt. Von der Grundanlage her ist es daher auf die Maschinenkommunikation im IoT ausgelegt. LTE-M arbeitet wie LTE zellular, die maximale Datengeschwindigkeit ist aber auf 1 MBit/s begrenzt, um Strom zu sparen und Batteriebetrieb der Module zu ermöglichen. Zum Einsatz kommt das lizenzierte Frequenzspektrum des herkömmlichen 4G-Netzes bei 800 MHz.

1. Welche technischen Möglichkeiten lassen sich mit LTE-M realisieren?

Wolfgang Weber: Es überträgt kleinere Datenmengen sehr zuverlässig. Die Sendeleistung liegt etwas über der anderer LPWAN-Technologien, ist aber niedrig genug für den Batteriebetrieb. LTE-M ist so etwas wie der leistungsstärkere „Bruder“ von NB-IoT. Beide benutzen die bestehende Mobilfunkinfrastruktur. Die maximale Anzahl von Nutzern, die von einer LTE-Zelle unterstützt werden können, liegt grob geschätzt bei über 10.000 aktiven Nutzern pro Zelle.

2. Wodurch besticht LTE-M im Vergleich zu anderen LPWAN-Technologien?

Weber: Grundsätzlich kann man sagen, dass Cat M gegenüber NB-IoT eine wesentliche höhere Bandbreite, eine deutlich höhere Datenrate und eine niedrigere Latenz aufweist. Gegenüber allen anderen LPWAN-Technologien gilt das erst recht, da NB-IoT ohnehin schon wesentlich leistungsfähiger ist.

Dafür ist die Reichweite niedriger und der Stromverbrauch höher. Wie hoch, hängt dann natürlich von der Menge der übertragenden Daten ab. Und die können sehr viel höher sein, als bei den anderen Technologien. Batteriebetrieb kann dann schon problematisch werden. Die 20 Kilometer Reichweite halte ich für unrealistisch. Es passt auch mit den Daten in den anderen Kapiteln nicht zusammen.

Grundsätzlich gilt bei den Reichweiten folgende Rangfolge: LoRaWAN, NB-IoT, LTE Cat M. Sigfox und Mioty sind mit LoRaWAN in etwa gleich. Es gilt weiter für LoRaWAN bei Freifeld 15 Kilometer, im Stadtgebiet ca. 3,5 und bis in den Keller 1,5 Kilometer. NB-IoT und Cat M liegen jeweils darunter.

3. Für welche Anwendungsgebiete ist es besonders geeignet?

Weber: LTE-M empfiehlt sich für IoT-Anwendungen mit einer hohen Anzahl von Nutzern. Produktionsanlagen mit hunderten Sensoren, die Maschinenzustands- und Prozessdaten übertragen, stellen einen idealen Einsatzbereich dar. Darüber hinaus eignet sich LTE-M vor allem für die Bereiche Smart City, Wearables, E-Health und Smart Tracking.

4. Wie weit ist der Netzausbau bei LTE-M vorangeschritten?

Weber: LTE-M wird aktuell in 17 Ländern in Mitteleuropa als flächendeckendes Netz angeboten. Der Kernbereich der Netzabdeckung reicht in einem West-Ost-Bogen von Frankreich im Westen über die BeneluxLänder und Deutschland bis Polen. In Deutschland ist es nach NB-IoT das IoT-Netz mit der größten Flachendeckung.

5. Welche Nachteile müssen für LTE-M genannt werden?

Weber: Der größte Nachteil ist eng verknüpft mit der großen Stärke dieses IoT-Netzes. Weil Datenübertragungen von vergleichsweise großem Umfang erfolgen können, ist der Energieaufwand hier höher als bei anderen LPWAN-Technologien.

Um noch mehr Energie zu sparen und damit eine Laufzeit von einer Batterieladung bis zu 10 Jahren zu ermöglichen, hat 3GPP im gleichen Release, das LTE-M festschrieb, auch NB-IoT als Standard kodifiziert.