Kurz erklärt: Long Range WAN
Steter Fluss
Der Erfolg des IoT hängt von zwei Bedingungen ab: hoher Reichweite bei der Netzanbindung und geringem Stromverbrauch. Long Range WAN erfüllt beide.
Die Ideen für den Einsatz von IoT sind schier grenzenlos – von der Parkplatzsuche über Smart Metering oder Füllstandsanzeigen bis zur Verfolgung mobiler Gegenstände. In Pilotprojekten fließen die Daten oft über WLAN oder LTE; damit lässt sich aber nur ein Bruchteil der möglichen Anwendungsszenarien umsetzen.
Der Anforderungskatalog an eine Kommunikationsschnittstelle für den breiten Einsatz von IOT-Sensoren liest sich wie die Quadratur des Kreises: günstige Herstellung, jahrelange Lebensdauer der Batterie (zehn Jahre und mehr) sowie mehrere Kilometer Radius um die Basisstation. Hinzu kommen die Nutzung eines lizenzfreien Frequenzbandes und eine große Reichweite selbst innerhalb von Gebäuden. Immerhin benötigen IoT-Devices nicht viel Bandbreite, da sie vergleichsweise wenige Daten übertragen.
Mit Long Range WAN (LoRaWAN) liegt eine ausgereifte Technik vor, die das Zeug zum flächendeckenden Einsatz hat. Für die Normierung ist die Non-Profit-Organisation LoRa Alliance zuständig, ein Zusammenschluss von Hardwareherstellern und Netzbetreibern. Wer Endgeräte mit LoRaWAN ausstattet, zahlt pauschal 3000 Dollar pro Jahr. Weitere Nutzungsgebühren fallen nicht an, sodass dieses Preismodell große Stückzahlen attraktiv macht. Zudem ist keine SIM-Karte nötig wie bei den auf IoT ausgelegten Mobilfunktechniken, etwa LTE-M.
Eine LoRaWAN-Architektur besteht aus Endgeräten, Basisstationen (Gateways genannt) und Netzwerkservern. Dank standardisierter Schnittstellen lassen sich auf einfache Weise Anwendungen entwickeln oder anbinden. Der Server steuert Übertragungstempo (Adaptive Data Rate, ADR) und Signalstärke für jeden einzelnen Sensor je nach Entfernung zum Gateway und sucht die optimale Kombination aus Transferrate, Netzkapazität und Energiebedarf. In Zukunft soll der Server für bewegliche Sensoren auch den Wechsel von einem Gateway zu einem anderen steuern (Roaming).
LoRaWAN überträgt die Daten in Europa im lizenzfreien 868-MHz-Band. Je nach Topologie erzielt es Reichweiten zwischen 2 und 15 km; bei Sichtverbindung sollen sogar bis zu 50 km möglich sein. LoRaWAN bietet gegenüber LTE eine deutlich bessere Gebäudedurchdringung bis in Tiefgaragen und Kellergeschosse, was es für die Übertragung von Zählerständen oder anderen Funktionen der Gebäudetechnik qualifiziert.
Der Strombedarf eines Sensors beträgt nur 10 mA beim Senden und 100 nA im Ruhezustand. Dies lässt sich nur mit einer niedrigen Datenrate von 0,3 bis 50 KBit/s erreichen, was aber für Statusinformationen von IoT-Geräten ausreicht. Dank bidirektionaler Kommunikation lassen sich nicht nur Zustände auslesen, sondern auch Steuerungsinformationen übermitteln. Vorgesehen ist ferner ein Multicast-Modus, etwa zum Verteilen von Notfallmeldungen an eine große Anzahl von Endgeräten. Über die Funkschnittstelle („over the air“) sind auch Firmware-Updates möglich, etwa zum Erweitern des Funktionsumfangs oder zwecks Fehlerbehebung.
Die LoRaWAN-Spezifikation unterscheidet drei Klassen von Endgeräten mit dem Ziel, den Energieverbrauch weiter zu senken. Hierzu wird die Übertragung auf kurze Zeitfenster reduziert, sodass Endgeräte nicht ständig empfangsbereit sein müssen. Class-A-Sensoren generieren zufallsgesteuerte Zeitfenster (random) und schicken dem Server ein Signal, wenn die Datenübertragung beginnt. Bei Class B lassen sich Zeiten planen, zu denen das Endgerät per zeitsynchronisiertem Beacon aufwachen soll (scheduled). Class-C-Geräte befinden sich immer im energiehungrigen Empfangsmodus und eignen sich damit eher für Geräte mit externer Stromversorgung.
Millionen von Sensoren können nur automatisiert ins Netz gebracht werden. LoRaWAN sieht hierfür zwei Verfahren vor, die Sensoren so zu konfigurieren, dass sie sich später automatisch bei einem Server anmelden können. Damit ist auch sichergestellt, Daten von Anfang an mit einer sicheren AES-128-Verschlüsselung zu übertragen. Mit der Trennung in einen Netz- und einen Applikationsschlüssel lassen sich zudem Betreiber- und Kundendaten sicher voneinander trennen.
Nicht alternativlos
LoRaWAN konkurriert mit anderen Techniken zur Anbindung von IoT-Geräten, beispielsweise Sigfox oder NB-IoT. Alle haben das Ziel besonders niedriger Leistungsaufnahme („Low Power WAN“). Es steht zu erwarten, dass sich mehrere Standards etablieren. Denn nicht nur die technischen Parameter differieren, sondern auch die Vermarktungskonzepte. Während Sigfox in mehreren Ländern selbst ein flächendeckendes Netz von Basisstationen aufbaut und darauf Dienste anbietet, handelt es sich bei LoRaWAN um eine technische Spezifikation. Mit den verfügbaren Produkten können Firmen ihre eigenen Netze aufbauen (Private Networks). Noch interessanter ist aber die Etablierung entsprechender Dienste durch Serviceprovider (Public Networks). Die großen Telcos könnten aber geneigt sein, NB-IoT oder LTE-M den Vorzug zu geben, da diese eng mit GSM/LTE verwandt sind und von den Mobilfunkausrüstern stammen. Mit KPN, Orange und Swisscom sind aber auch klassische Serviceprovider Mitglied der LoRa Alliance. (un)