LPWAN – Drahtlose Netzwerke mit geringem Energieverbrauch

Definition: Was bedeutet LPWAN?

Der Begriff LPWAN ist eine Abkürzung und steht für „Low Power Wide Area Networks“. Er umschreibt allgemein drahtlose Netzwerke mit einem geringen Energieverbrauch und hoher Reichweite. Die Bandbreite zum Übertragen von Informationen ist bei derartigen Netzwerken äußerst gering. Dafür haben sie im Verhältnis zu anderen Netzwerkarten wie beispielsweise WLAN eine hohe Reichweite. Die Nutzung solcher Netzwerke ist darauf ausgelegt, Geräte über eine hohe Reichweite mit tiefer Gebäudedurchdringung sowie einem geringen Energieverbrauch zu vernetzen. Innerhalb des Netzes werden Informationen mit einem geringen Umfang übertragen.

Funktionsweise der LPWA-Networks

Ähnlich wie Netzwerke mit Narrowband-IoT bauen auch alle anderen LPWAN-Technologien auf einer schmalen Bandbreite auf. Somit können in der Regel nur geringe Bitraten übertragen werden. Folglich sind derartige IoT-Netzwerke besonders geeignet für die Vernetzung von Geräten, die gut mit geringem Informationsumfang und höherer Latenz auskommen. Das sind beispielsweise batteriebetriebene Sensoren und Funkmodule, die eine besonders lange Lebensdauer haben. Für kommerzielle Verbraucheranwendungen wie Audio- und Video-Übertragung sind LPWA Netzwerke daher weniger geeignet. Der Fokus liegt klar auf IoT-Anwendungen und IoT-Geräten sowie der Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M). Der Grundaufbau besteht zumeist aus einer Sterntopologie. Das heißt, dass jedes gekoppelte Gerät mit einem zentralen Steuergerät (Central Access Point) verbunden ist.

LPWAN-Netztypologien

LPWAN steht stellvertretend für eine Gruppe von energiesparenden Wide Area Networks mit diversen Varianten. Zu den verbreitetsten Arten der LPWAN-Technologien zählen das NB-IoT, das UNB von Sigfox sowie das LoRaWAN der LoRa Alliance.

LPWAN und NB-IoT

Das NB-IoT (Narrowband-Internet of Things) stellt einen Funkstandard im Bereich der LPWAN dar. Diese Standards werden, wie der Name bereits suggeriert, zur Datenübertragung im Internet of Things genutzt, um Maschinen und Maschinenelementen (sprich IoT-Geräte) mit Servern zu vernetzen. Der Hauptunterschied zwischen NB-IoT und anderen LPWAN sind unterschiedliche Frequenzen und Kommunikationsprotokolle für die Übertragung, den Energieverbrauch sowie die Spezifika hinsichtlich Bandbreite und Reichweite.

Ultra-Narrow-Band Modulation von Sigfox

Das UNB der französischen Firma Sigfox ist ein Funknetzwerk, das weltweit genutzt wird. Es ist proprietär, nicht lizenziert und zählt zu den am meisten genutzten Netzwerken im Bereich des IoT. Es ist eine Ultra-Schmalband-Technologie und operiert in Frequenzbereichen von 868 bis 902 MHz. In Umgebungen mit freier Sicht sind Übertragungen mit Sigfox theoretisch innerhalb von 1.000 Kilometern möglich. In der Praxis finden sich hier jedoch viele Nachteile für die Anwender: Man kann sich nur bedingt bis gar nicht an der Weiterentwicklung des Standards beteiligen und Institutionen wie die Bundesnetzagentur sind nicht damit beauftragt, das Netz zu entstören. Dies kann zur Anfälligkeit für böswillige Angriffe führen und damit die eigenen Applikationen instabil werden lassen.

Long Range Wide Area Networks (LoRaWAN) der LoRa Alliance

LoRaWAN ist ein ebenfalls nicht lizenziertes Netzwerk und wird von der LoRa Alliance betrieben, einem Zusammenschluss aus bis zu 500 Unternehmen. Es ist weniger anfällig für Störungen, da es im Sub-Gigaherz-Bereich arbeitet. Die Grundlage bildet das sogenannte MAC-Layer-Protokoll, welches die Kommunikation zwischen IoT-Anwendungen und IoT-Geräten sowie den entsprechenden Gateways steuert. Speziell im Bereich der Vernetzung von Sensoren wird LoRaWAN verbreitet genutzt, da sich Paketgrößen anders als in anderen LPWAN konkret definieren lassen.

Weitere Typologien

Weitere bekannte LPWAN neben Sigfox und LoRaWAN sind die Weightless Narrowband-IoT Networks, die von der Organisation Weightless SIG (Special Interest Group) ins Leben gerufen wurden. Zu den drei Standards zählen das unidirektionale Weightless-N, das bidirektionale Weightless-P sowie Weightless-W. Der letztgenannte Standard hat die kürzeste Betriebsdauer, weshalb andere Typologien beliebter sind. Der große Vorteil dieser Netze ist die Möglichkeit, im nicht lizenzierten und lizenzierten Bereich der Schmalband-Technologien zu operieren.

Anwendungsbereiche für LPWAN

Der Anwendungsbereich von LPWAN nimmt aufgrund der wachsenden Bedeutung des IoT ebenfalls stetig zu. Im Bereich der Logistik und Lagerhaltung sind entsprechende Anwendungen bereits seit vielen Jahren nicht mehr wegzudenken und führen zu immer effizienteren Lieferketten.

Hinsichtlich der Wasser- und Energieversorgung ländlicher Regionen haben sich LPWA-Networks ebenfalls große Potenziale freigesetzt. Die gezielte und bedarfsgerechte Steuerung ist aufgrund der großen Reichweite und langen Lebensdauer auch bis in die abgelegensten Gebiete möglich. Smart Metering führt darüber hinaus zu effizienteren Geschäftsprozessen, da durch die automatisierte Übertragung von Sensorwerten das Service-Personal abgebaut werden kann.

Aber auch im Sinne von Smart Cities sind entsprechende IoT-Netze die Grundlage der weiteren Vernetzung und Entwicklung. Die tatsächlichen Potenziale sind jedoch längst nicht ausgereizt, weil das Verständnis für die Technologie gerade erst entsteht.

Vorteile der LPWAN-Nutzung

„Low Power“ und „Wide Area“ - die zwei hauptsächlichen Vorteile werden bereits durch den Netzwerk-Namen konkret definiert. Der geringe Energieverbrauch macht schließlich die Langlebigkeit derartiger Netze aus. Die hohe Reichweite steht mit dieser in einem perfekten Zusammenspiel, weil dadurch Geräte über riesige Distanzen über viele Jahre ohne Notwendigkeit von Eingriffen vernetzt bleiben.

Je nach Netzwerk sind manche LPWANs auch deshalb so attraktiv, weil keine Lizenzierungskosten anfallen. Verfahren zur Genehmigung und Regulierung verlaufen dabei meist in einem überschaubaren Rahmen ab. So ist ein schneller Roll-Out von Technologien mit wenigen Risiken möglich.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass hinsichtlich der Übertragungsrate und der Vielfältigkeit der anschließbaren Module einige Abstriche gemacht werden müssen. Demgegenüber stehen dafür hohe Reichweiten und ein reduzierter Energieverbrauch.

Sicherheit von Low Power Wide Area Networks

Grundsätzlich sind Attacken von Hackern in allen Arten von Netzwerken möglich, auch im Internet of Things. Der eigentliche Nachteil der LPWAN-Technologie, die geringe Bandbreite, entpuppt sich in diesem Fall jedoch als besonderer Vorteil. Außerdem sind die vernetzten Objekte selten attraktiv, um durch Hacker angegriffen zu werden.

Von LPWAN gehen daher normalerweise keine größeren Sicherheitsrisiken aus. Dennoch ist immer Vorsicht geboten. Aus diesem Grund empfehlen wir unseren Kunden in vielen Fällen den Einsatz von Verschlüsselungen wie DTLS und TLS. Auch hier ist die schmale Bandbreite wieder eine lösbare Herausforderung, weil entsprechende Anwendungen meist ein Mindestmaß an Übertragungsraten benötigen. Letztendlich ist das Thema Sicherheit für LPWAN ein Aspekt, welcher sich aus zwei Perspektiven betrachten lässt.

Wie sieht die Zukunft der LPWAN-Technologie aus?

Die Potenziale der IoT-Netzwerke nehmen in Wirtschaft und Gesellschaft rasant zu. Unternehmen setzen im Zeichen der Digitalisierung zunehmend auf Vernetzung, gerade im industriellen Bereich. LPWA-Networks sind dabei eine neue Variante und unterliegen noch einer stetigen Entwicklung. Dennoch gilt es jetzt auf den Zug aufzuspringen und die Möglichkeiten des Internet of Things voll auszuschöpfen.

Mit den IoT-Experten von grandcentrix können auch Sie von diesem Wandel profitieren. Sprechen Sie uns an und lassen Sie sich unverbindlich beraten.