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LPWA

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Was ist LPWA?

 

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LPWA steht für „Low-Power Wide-Area“. Dieser Begriff bezieht sich nicht auf eine spezifische Technologie, sondern dient als Oberbegriff für jedes Netzwerk, das für drahtlose Kommunikation mit niedrigerer Energie als andere Netzwerke wie Mobilfunk-, Satelliten- oder WiFi-Netzwerke konzipiert wurde.

Außerdem kommunizieren LPWANs (Niedrigenergie-Weitverkehrnetzwerke) über größere Entfernungen als andere Niedrigenergienetzwerke, bei denen zum Beispiel Bluetooth oder NFC eingesetzt wird.
LPWA wird auch als LPWAN bezeichnet, wobei das N für Netzwerk steht. LPWA ist den Begriffen LAN oder WAN ähnlich, weil es dafür ebenfalls keine offizielle, spezifische Definition gibt.

Gewöhnlich können bei der Kommunikation über große Entfernungen mit niedriger Energie nur kleine Datenmengen gleichzeitig übertragen werden. Während moderne Mobilfunknetzwerke mit LTE Advanced und die bevorstehenden 5G-Netzwerke in den Bereich von Gigabits pro Sekunde vordringen, übertragen LPWA-Netzwerke viel weniger – oft nur ein paar Kilobits pro Kanal. Auf der anderen Seite können viele LPWA-Technologien über größere Entfernungen kommunizieren, manchmal bis zu 800 km oder mehr.

Wofür wird LPWA eingesetzt?

 

Die sehr begrenzte Bandbreite von LPWA-Netzwerken ist für die meisten Verbraucheranwendungen und kommerziellen Anwendungen wie Sprachübertragung, Video, Audio oder sogar SMS-Nachrichten nicht geeignet. Daher werden LPWA-Netzwerke fast ausschließlich von Einheiten im Internet der Dinge („Internet of Things“/IoT) und zur M2M-Kommunikation (Machine-to-Machine) verwendet.

Während sich Geräte wie Kühlschränke, Glühbirnen oder Thermostate zu Hause oder im Büro einfach an eine WiFi-Verbindung anschließen lassen, gibt es Geräte, die nicht auf eine derartige Konnektivität zählen können.

Nehmen wir zum Beispiel einen Bewässerungsgraben, der sich meilenweit durch Amerikas Farmland zieht. Entlang dieses Bands aus Wasserläufen und Gräben befinden sich Hunderte oder sogar Tausende von Pumpen und Absperrungen. Ein großer Teil des Bewässerungskanals verläuft kilometerweit über privates Land zwischen Getreidefeldern hindurch. Daher ist es äußerst unpraktisch und von nur begrenztem Nutzen, dem Verlauf des Kanals zu folgen um sicherzustellen, dass alle Pumpen richtig laufen – und sei es auch nur einmal pro Tag. Wenn eine Pumpe ganz am Ende der Strecke ausfällt, kann es Stunden dauern, bis sie erreicht wird. Wenn eine Pumpe ausfällt, die schon hinter Ihnen liegt, merken Sie das erst am nächsten Tag.

Für solche Fälle gibt es kein lokales Netzwerk. Gewöhnliche Mobilfunknetzwerke sind in abgelegenen Gegenden Amerikas lückenhaft oder oft überhaupt nicht vorhanden. Eine Satellitenverbindung könnte funktionieren, wäre aber sehr kostspielig und energieaufwendig. In so einem Fall ist ein LPWA-Netzwerk genau die richtige Lösung.

Mit einer Reichweite bis zu Dutzenden von Kilometern kann das gesamte Pumpennetz leicht und preisgünstig verbunden werden. Obwohl die Menge der übertragenen Daten begrenzt ist, sind erstaunlich wenig Daten notwendig, um so etwas wie den Zustand einer Wasserpumpe zu übermitteln. Eine einzige Zahl kann den Gesamtzustand wiedergeben: eine Zahl für normalen Betrieb, eine Reihe anderer Zahlen für unterschiedliche Fehlerzustände, und schließlich eine weitere Zahl für das pro Tag gepumpte Volumen. Mit diesem System könnten Farmer jede Pumpe an der Leitung von einer zentralen Steuereinheit aus überwachen. Eine Fehlermeldung zu einem Überhitzungszustand und ein Abfall des gepumpten Volumens könnten eine defekte Pumpe signalisieren. Mithilfe derartiger früher Warnzeichen kann ein Techniker im Voraus verständigt werden. Und das alles dank einer winzigen, periodischen Datenübertragung.

Von Geräten in Wetterstationen auf Berggipfeln und Lampen in einem ausgedehnten Gewächshauskomplex bis hin zu Verkehrsampeln, Bahnübergangssignalen und vielem mehr – alles lässt sich mit der eingeschränkten Datenmenge und dem niedrigen Energiebedarf von LPWA überwachen und in manchen Fällen sogar verwalten.

 

LPWA-Technologien


LoRa Alliance

LoRaWAN steht für „Low-Power Long Range Wide Area Network“ (Niedrigenergie--Weitverkehrnetzwerk mit großer Reichweite). Die LoRa Alliance ist ein gemeinnütziger Verband, der das LoRaWAN-Protokoll definiert und implementiert. Zurzeit gibt es kein vorherrschendes oder standardisiertes Protokoll für LPWA-Netzwerke, und dieser Verband ist darum bemüht, dies zu ändern. Einige große Technologieunternehmen sind Mitglieder der LoRa Alliance. Dazu gehören u. a. Alibaba, Cisco, IBM, Charter Communications und SoftBank.

Das LoRaWAN-Protokoll ist ein offener Standard, obwohl zurzeit nur ein Unternehmen Chips herstellt, bei denen das Protokoll verwendet wird. Es wurde für eine Baumtopologie konzipiert. Geräte verbinden sich mit Gateways, und die Gateways werden auf traditionellere Weise über regulär verbundene IP-Netzwerke verbunden.

In diesem Protokoll werden drei Arten von Klassen definiert. Klasse A verbraucht am wenigsten Energie und muss auf allen LoRaWAN-Geräten unterstützt werden. Geräte der Klasse A sind asynchron, und die Kommunikation beginnt immer mit dem Endgerät. Nach Senden des Uplinks öffnet sich kurz ein Fenster, in dem Antworten gesendet werden können, wodurch die Möglichkeit für bidirektionale Kommunikation geschaffen wird. Zusätzlich zu vom Endgerät initiierten Verbindungen werden Geräte der Klasse B mit periodischen Signalen oder Funkbaken synchronisiert. Diese Synchronisierungen erzeugen Empfangsfenster, während denen das Gerät Signale oder Befehle empfangen kann, wodurch echte bidirektionale Kommunikation geschaffen wird. Klasse C geht einen Schritt weiter und hält einen Empfänger am Endgerät durchgehend offen. Dadurch wird ein bidirektionaler Kommunikationskanal mit niedriger Latenz ermöglicht. Jedoch wird der Energieverbrauch deutlich erhöht, weswegen diese Klasse nur brauchbar ist, wenn eine kontinuierliche Energiequelle zur Verfügung steht.

Sigfox

Sigfox, ein firmeneigenes LPWA-Netzwerk, das von einem französischen Unternehmen angeboten wird, ist gegenwärtig eines der größeren LPWA-Netzwerke. Es verwendet eine unlizenzierte Frequenz im 868-MHz- oder 902-MHz-Band. Diese ultraschmalbandige Funkübertragung bietet eine große Reichweite, jedoch mit niedriger Datenübertragungsrate. Jede Mitteilung ist 100 Hz breit und hat je nach Region eine Übertragungsrate von 100 oder 600 Bits pro Sekunde. Die Kommunikation zurück zum Gerät ist eingeschränkt, weswegen dieses Netzwerk schlecht für Anwendungen geeignet ist, bei denen bidirektionale Kommunikation erforderlich ist. Jede Uplink-Übermittlung hat eine maximale Nutzlast von 12 Bytes.

 

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In ländlichen Gegenden ist theoretisch eine Kommunikation über Entfernungen von mehr als 50 Kilometern mit einer Stern-Netzwerkarchitektur möglich, wo jede Sendung von jeder Basisstation in Reichweite empfangen werden kann. Anders als im Fall von offenen Protokollen kann Sigfox nur durch das Unternehmen bezogen und eingesetzt werden.

 

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RPMA

Mit einer Reichweite von 5 bis 10 km (nicht Sichtlinie) bietet Ingenu eine Technologie an, die von der Firma als „Random Phase Multiple Access“ (RPMA/Direkt-Phasen-Mehrfachzugriff) bezeichnet wird. Diese große Reichweite ermöglicht es dem Unternehmen, das Gebiet von Dallas/Fort Worth mit nur 17 Netzwerktürmen abzudecken. Nach Angaben des Unternehmens kann RPMA Beton durchdringen und sogar Verbindungen mit unterirdischen Geräten herstellen.

Diese Technologie läuft im 2,4-GHz-Bandbereich, wodurch sie anfällig für Störungen durch andere Geräte wird, die dasselbe Frequenzband verwenden, z. B. WiFi, Bluetooth und ältere schnurlose Handtelefone. Der Vorteil besteht jedoch darin, dass der 2,4-GHz-Bandbereich in vielen unterschiedlichen Ländern zur Verwendung freigegeben ist, was bedeutet, dass ein einziger Signalfunktyp überall auf der Welt genutzt werden kann.

Einem Pressebericht von 2017 zufolge ist eine Abdeckung in 29 Ländern auf fünf Kontinenten möglich.

LTE-M

LTE-M ist eine 4G-Mobilfunktechnologie. Dieser Standard wird vom „3rd Generation Partnership Project“ (3GPP) in der Spezifikation seiner Version 13 veröffentlicht. Gewöhnlich handelt es sich bei Mobilfunkgeräten nicht um Niedrigenergiegeräte, wie jeder weiß, der sein Handy ständig nachladen muss. Um den „Niedrigenergie“-Aspekt von LPWA nutzen zu können, werden diese 4G-Funkchips mit einem Energiesparmodus konzipiert. Der Chip ist im Prinzip die meiste Zeit abgeschaltet und wird nur in vorgegebenen Zeitabschnitten aktiviert. Außerdem handelt sich um Halbduplex-Chips, die sogar im eingeschalteten Zustand weniger Energie verbrauchen, jedoch viel langsamer sind als eine traditionelle 4G-Verbindung. Die maximale Datenrate beträgt ca. 100 kbits/s. Diese LPWA-Version bietet Niedrigenergie-Konnektivität, aber nur an Orten, an denen eine LTE-Verbindung verfügbar ist. Das Problem mit derartigen Mobilfunktechnologien besteht darin, dass sie die Tendenz haben, von den Telefongesellschaften schneller neutralisiert zu werden, als die Geräte in Umlauf gebracht werden können. Zum Beispiel ist es unwahrscheinlich, dass Geräte, die von einer 2G-Verbindung abhängen, irgendwo in den USA funktionieren können, wo solche Netzwerke abgestellt und hochgerüstet worden sind.

Unternehmen wie IBM fehlen auffallend in der LTE-M-Sonderkommission, die an diesem Standard arbeitet. Dennoch gehören zur LTE-M-Sonderkommission viele wichtige Telefongesellschaften, u. a. die vier größten US-Gesellschaften Verizon, AT&T, Sprint und T-Mobile, sowie mehrere Chiphersteller wie z. B. Qualcomm.

NB-IoT

NB-IoT steht für „Narrowband Internet of Things“ (Schmalband-Internet der Dinge). NB-IoT stammt auch von der Spezifikation der 3GPP-Version 13 und wird manchmal als CAT M2 bezeichnet. Es verwendet DSSS-Modulation zur Kommunikation. NB-IoT bietet eine Spitzen-Downloadrate von 250 kbit/s und eine Uplinkrate von 250 kbit/s bei Mehrfrequenzbetrieb oder 20 kbit/s bei Einzelfrequenzbetrieb. NB-IoT-Geräte können eine Batterielebensdauer von 10 Jahren haben.

NB-IoT setzt eine neue physikalische Schicht und Signale ein. Infolgedessen kann es mit Geräten an 2G-, 3G- und 4G-Netzwerken koexistieren. Zu den Betreibern, die zurzeit NB-IoT-Netzwerke einsetzen, gehören China Mobile, China Telecom, Deutsche Telekom und andere.

Einem kürzlichen Artikel zufolge könnte dieser Standard an Dynamik gewinnen, wenn Ericsson ein NB-IoT-Netzwerk in Indien startet.

EC-GMS-IoT

Außerhalb der Vereinigten Staaten nutzen viele Mobilfunknetzwerke das GSM-Protokoll. Ähnlich wie das LTE-M-Protokoll das bestehende LTE-Netzwerk energiesparend nutzt, zielt das „Extended Coverage-GSM-IoT“-Protokoll (EC-GSM-IoT) darauf ab, sich bestehenden GSM-Netzwerken weltweit anzuschließen. Viele Anwendungsfälle können eine Batterielebenszeit bis zu 10 Jahren aufweisen.

Als Protokoll auf GSM-Basis kann es mit 2G-, 3G- und 4G-Netzwerken koexistieren.

Weightless

Weightless ist ein offener Standard, der im unlizenzierten Bandbereich läuft. Dadurch wird er sowohl von Telefongesellschaften als auch von Geräteanbietern unabhängig, er lässt sich aber auch schwerer vertreiben. Es gibt drei Arten von Weightless. Weightless-W nutzt die unlizenzierten Frequenzen zwischen Fernsehsenderfrequenzen. Weightless-N nutzt ein unlizenziertes Schmalband-Protokoll. Weightless-P nutzt den 12,5-kHz-Schmalbandbereich und bietet bidirektionale Kommunikation.

DASH7

DASH7 ist ein interessantes Angebot von Haystack Technologies und wurde entwickelt, um Dinge zu verbinden, die sich bewegen. DASH7 nutzt die 433-MHz-Frequenz. Dadurch werden je nach Standort und eventuellen Beeinträchtigungen Reichweiten zwischen 200 m und 2 km möglich. Obwohl die Batterielebensdauer bei DASH7 für die meisten Anwendungsfälle in Jahren gemessen wird, gibt das Unternehmen zu beachten, dass auch Energie aus Solarzellen genutzt werden kann.

Aus Sicherheitsgründen unterstützt DASH7 das Cloaking von Geräten, um sie vor Scannern zu verbergen, sowie AES-128-Kryptographie mit Chiffrierung mit öffentlichem Schlüssel.

Weitere Technologien

Weitere LPWA-Technologien befinden sich in unterschiedlichen Stadien der Entwicklung oder der Markteinführung. Es ist wahrscheinlich, dass sich mehr Technologien entwickeln werden, bis sich eine Handvoll marktführender Akteure hervorhebt oder Standard-Spezifikationen zusammengeführt werden. Einige der anderen Technologien umfassen:

  • GreeOFDM von GreenWaves Technologies
  • Symphony Link von Link Labs
  • ThingPark Wireless
  • WAVIOT

 

LPWA-Sicherheit

 

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Kürzlich haben IoT-Sicherheitsprobleme für Schlagzeilen gesorgt. Zum Beispiel hat der Mirai-Angriff Zugang zu Endgeräten ermöglicht. Derartige Angriffe können bei vielen IoT-Geräten, bei denen LPWA eingesetzt wird, weniger nützlich für Hacker sein. Das liegt einerseits an der kleineren Bandbreite und andererseits an der Tatsache, dass die verbundenen Geräte u. U. nicht „intelligent“ genug sind, um für einen Hacker von Nutzen zu sein. Allerdings sind an vielen LPWA-Netzwerken Man-in-the-Middle-Angriffe möglich. Das Potential für Missbrauch ist weniger spektakulär, aber ebenso bedeutsam. Eine Möglichkeit wäre das Ausspionieren von Wettbewerbern durch Empfang ihrer Geräteberichte, und anders als bei herkömmlichem Hacken wäre es unmöglich zu wissen, ob die Kommunikation gefährdet wurde, weil diese Signale in die Luft ausgesendet werden.

Ein Problem liegt darin, dass die Endgeräte oft ihre eigene Verschlüsselung nicht selbst sicherstellen können. Ein gemeinsam genutzter Hash könnte eine gute Lösung sein, wenn da nicht das Problem wäre, dass viele Netzwerke Paketgrößen verlangen, die zu klein sind, um einen Hash aufnehmen zu können, der für dauerhaften Schutz lang genug ist. Zum Beispiel bietet die Sigfox-LPWA-Technologie nur eine digitale 16-Bit-Signatur, die weit unter dem Industriestandard von 128 Bits liegt. LoRaWAN bietet dagegen 128-Bit-AES-Verschlüsselung und Authentisierung.

Mobilfunktechnologien wie LTE-M, NB-IOT und auch EC-GSM-IoT klinken sich in die Authentisierung des vorhandenen Netzwerks ein.

 

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Gegenwärtige Verwendungen von LPWA

 

Während es viele Möglichkeiten für LPWA-Netzwerke gibt, haben sich manche Konzepte besser etabliert als andere.

Parkraum-Management

Es gibt zahlreiche Anwendungen im Bereich des Parkraum-Managements. Ein Sensor in oder neben einer Parklücke kann melden, ob der Platz besetzt ist oder nicht. Die Daten können dann zu zahlreichen Applikationen gesendet werden, z. B. zu Tafeln, die die Anzahl offener Plätze auf einer Parkhausebene anzeigen. Oder zu Applikationen, die freie Parkuhren zeigen, und zu Schnittstellen, die einer Stadt melden, wo ein Auto zu lange an einer Parkuhr geparkt wurde. Bei derartigen Applikationen ist der niedrige Energieverbrauch wichtiger als die große Reichweite der LPWA-Netzwerke. Niemand möchte es auf sich nehmen, die Batterien in Hunderten oder sogar Tausenden von Parkplatzmonitoren zu wechseln.

Wasseruhren und Rohrleitungen

Ein einfacher Druckmesser, der seinen gegenwärtigen Messwert übermittelt, kann dazu beitragen, eine Undichtigkeit zu finden, noch bevor sie gemeldet wird. Bei Rohrleitungen, die sich über Kilometer hinweg erstrecken, ist die Fähigkeit der Datenübermittlung über große Entfernungen ohne vorhandenes Netzwerk von ausschlaggebender Bedeutung, und die Batterielebensdauer muss in Jahren gemessen werden können. In einer Stadt kann dasselbe Signal, das in ländlichen Gegenden die Kommunikation über große Entfernungen sicherstellt, stattdessen die unterirdische Kommunikation übernehmen und die Überwachung von Rohrleitungen ermöglichen, die unter der Stadt vergraben sind.

Kleine Paletten

Für die Verfolgung von Lieferungen ist es gewöhnlich erforderlich, dass das Frachtstück an jeder Transferstelle gescannt wird. Zwischen diesen Änderungen wird einfach angenommen, dass sich das Frachtstück immer noch im selben Gebäude befindet bzw. auf demselben Lastwagen oder Zug, wenn es unterwegs ist. Bei einer intelligenten Palette kann ein Ping nicht nur den Standort kontinuierlich aktualisieren, sondern auch melden, ob ein Behälter geöffnet, fallen gelassen oder anderweitig misshandelt wurde. LPWA wird sowohl für die Kommunikation über große Entfernungen gebraucht, wenn das Frachtstück zwischen Städten unterwegs ist, als auch wegen der langen Batterielebensdauer, weil niemand die Batterien an häufig beförderten Paletten auffinden und wechseln möchte.

Straßenbeleuchtung

Bürgersteige in Wohnvierteln, belebte Kreuzungen und einsame Landstraßenabschnitte werden von Zehntausenden von Lampen erhellt. Heutzutage bedeutet Überwachung oft nichts anderes als dass jemand etwas bemerkt und anruft. Mit LPWA können Lampen einer Steuerzentrale melden, ob eine Glühbirne funktioniert oder ob das Licht zurzeit an ist, wodurch eine bessere Energienutzung und erhöhte Sicherheit möglich werden.

Andere Anwendungen umfassen intelligente Messgeräte (zu Hause und am Arbeitsplatz) sowie intelligente Sensoren für Landwirtschaft, Fabriken und Lagerhäuser.

 

LPWA-Fragmentierung

 


Der Markt für LPWA-Netzwerke bietet viele Möglichkeiten. Manche sehen dies als Fragmentierung, andere als einen Markt, auf dem die Möglichkeit besteht, die Angebote abhängig davon auszuwählen, was für jedes einzelne Projekt am besten ist. Während die Nachfrage nach LPWA wächst, gibt es vorerst keine Einheitslösung.