RFID & Wireless IoT tomorrow 2021 am 20. & 21. Oktober in Wiesbaden bei Frankfurt

Transformation zur Smart City mit Wireless IoT-Technologien

Immer mehr Städte nutzen LoRaWAN!

Was verbindet die Städte Amsterdam, Bologna, Gießen, Heidelberg, Heiligenhaus, Hamburg, Lissabon, Ludwigsburg, Madrid, Paris, Pinneberg und Zürich? Diese Städe haben im Jahr 2021 ein LoRaWAN- Netzwerk installiert oder ausgebaut. Die Liste der Namen ließe sich noch umfangreich weiterführen.

Bereits 2020 startete das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) die Studie "SMIoTI (Secure Municipal Internet of Things Infrastructures)" gemeinsam mit den Städten Bonn, Delbrück, Dresden, Haßfurt, Kaiserslautern, Paderborn, Solingen, Ulm und Wolfsburg, Handlungsempfehlungen zur IT-Sicherheit von Digitalisierungsprojekte in Städten zu erarbeiten. Auch in dieser Studie geht es maßgeblich um Wireless-IoT-Technologien wie LoRaWAN. Laut BSI seien besonders Haupt- und Großstädte Vorreiter in der Implementierung von Smart-City-Technologien. Aber auch in kleineren Städten würde die Infrastruktur mit Wireless-IoT-Technologien wie LoRaWAN immer weiter vorangetrieben.

Mehr Informationen und Konkrete Use Cases zum Thema LoRaWAN:

Warum LoRaWAN?

Vereinfacht erklärt besteht ein LoRaWAN-Netzwerk aus einem zentralen LoRaWAN-Server, LoRaWAN-Gateways und LoRaWAN-Endgeräten. Daten werden von Sensoren an Gateways und von dort an den Server übermittelt. Hohe Reichweiten der Datenübermittlung über mehrere Kilometer, niedriger Energieverbrauch und vielseitige Anwendungsmöglichkeiten durch batteriebetriebene Sensoren sowie eine Auslastung von bis zu 10.000 Sensoren pro Gateway sind Vorteile der LoRaWAN-Technologie. Die Datenübermittlung wird durch die sogenannte Adaptive Data Rate (ADR) optimiert, indem die Datenübertragungsrate, Betriebszyklus und Energieverbrauch automatisch angepasst werden.

Technische Spezifizierungen von LoRaWAN

LoRaWAN ist das MAC-Layer-Protokoll, das die Kommunikation zwischen LoRa-Geräten – beispielsweise Nodes oder Sensortransponder – und den sogenannten Gateways steuert. LoRaWAN-Applikationen arbeiten in global und regional unterschiedlichen Frequenzbereichen des ISM-Bandes und des SRD-Bandes. In Europa ist für die LoRaWAN-Kommunikation das Frequenzband von 433,05 bis 434,79 MHz (ISM-Band Region 1) und von 863 bis 870 MHz (SRD-Band Europa) freigegeben. In Nordamerika steht das Frequenzband von 902 bis 928 MHz (ISM-Band Region 2) zur Nutzung zur Verfügung. Die Frequenzspreizung, basierend auf der Chirp-Spread-Spectrum-Modulation von Semtech, ermöglicht eine hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieverbrauch.

Gleichzeitig minimiert die genutzte Modulation Interferenzen. Die Kommunikation vom Endgerät bis zum Netzwerkserver und zum Anwendungsserver ist in einem LoRaWAN zweifach mit 128-bit-AESKeys verschlüsselt. Eine LoRaWAN-Netzwerktopologie wird sternförmig angelegt. Endgeräte, wie Nodes oder Sensortransponder, kommunizieren Datenpakete mit Messwerten und Informationen über Gateways, welche die einzelnen Datenpakete an einen zentralen Server senden. Über unterschiedliche Schnittstellen werden erfassten Daten verschlüsselt IoT-Plattformen und -Applikationen zur Verfügung gestellt.

Im Juni 2016 hat das Telekommunikationsunternehmen KPN in den Niederlanden das weltweit erste landlandesweite LoRaWAN-Netz in Betrieb genommen. Aktuell sind in 162 Ländern Netze von 148 LoRaWAN-Netzwerkbetreibern realisiert (Stand: März 2021).

Städtische Infrastruktur mit LoRaWAN

Die LoRaWAN-Technologie ist vielseitig einsetzbar. Schachtwasserzähler werden mit LoRaWAN ausgelesen. In Schulen wird mit LoRaWAN die Raumluft auf den CO2-Gehalt untersucht und überwacht. LoRaWAN-GPS wird bei Großveranstaltung zum Tracking des Personals verwendet. Wetterdaten werden mithilfe von Sensoren erfasst, via LoRaWAN übertragen und öffentlich zugänglich gemacht. Das Energiemanagement und die Straßenbeleuchtung werden mit LoRaWAN gesteuert um den Energieverbrauch zu senken, eine bedarfsgerechte Beleuchtung zu erzielen und die Lichtverschmutzung zu verringern. Mit der Implementierung von LoRaWAN in einer Smart City werden stetig weitere Anwendungsmöglichkeiten hinzugefügt.

Metallumgebung erschwert LoRaWAN-Datenübermittlung

Besondere Umgebungen wie Metall oder Straßenpflaster stellen eine Herausforderung für die LoRaWAN-Technologie dar: Die Dämpfungswirkung des Materials erschwert die Datenübermittlung von Sensoren an die Gateways, es werden stark verringerte Übertragungsreichweiten erzielt. Eine Implementierung von LoRaWAN in der Füllstandsmessung von unterirdischen Abfallcontainern wird somit zum schwierigsten Use Case.

Die Datenübermittlung von unterirdischen Containern zu LoRa-Gateways wurde in Lissabon erforscht. Eine Forschungsgruppe des Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (Institut für Ingenieurswesen Lissabon) konnte eine LoRaWAN-Datenübermittlung mit einer Reichweite von 1km in schwierigen Umgebungen nachweisen. Mehr über den Use Case LoRaWAN im Abfallmanagement erfahren Sie im Artikel „LoRaWAN – Herzstück der Smart City“ in der „Smart City & Consumer IoT“-Ausgabe des E-Magazins RFID im Blick.

Vision LoRaWAN – Ausblick für 2022 und danach

Die Studie des BSI zum Thema fortschreitende Smart-City Anwendungen in acht deutschen Städten sollte bis Mitte 2021 laufen, Ergebnisse sind noch nicht veröffentlicht. In der Zwischenzeit erfolgte im Juli 2021 ein weiteres Auswahlverfahren des Bundesministeriums des Innern, für Bau und Heimat (BMI), in denen 28 weitere Städte, Kreise und Regionen in Smart-City Projekten mit Fördermitteln in Höhe von 300 Millionen Euro unterstützt werden sollen.

Gleichzeitig wird in Städten wie Hamburg 2022 die Pilotphase von LoRaWAN-Projekten beendet und die Nutzungsphase eingeleitet. Die LoRaWAN-Technologie wird bundesweit stetig verbreitet und immer weiter eingesetzt. Erfahren Sie mehr über den Rollout von LoRaWAN anhend des konkreten Use Case der Stadt Heidelberg im Vortrag von Wolfgang Weber auf dem Think WIoT Day "Smart City & Consumer IoT".

Niklas Van Bocxlaer
Niklas Van Bocxlaer
Exhibition Manager
Lüneburg bei Hamburg, Deutschland
Anja Van Bocxlaer
Anja Van Bocxlaer
Chefredakteurin und Konferenzmanagerin
Lüneburg, Deutschland
Vanessa Tan
Vanessa Tan
Redakteurin
Lüneburg, Deutschland
Rena Garbe-Emden
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Graphics Specialist
Lüneburg, Deutschland
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