Das Netz der Zukunft: LPWA-Technologien spielen eine wichtige Rolle bei IoT-Projekten

Solange 5G noch Zukunftsmusik bleibt, ist das Netzwerkprotokoll Low-Power Wide-Area (LPWA) die wohl vielversprechendste Alternative für das Internet of Things. [...]

Solange 5G noch Zukunftsmusik bleibt, ist das Netzwerkprotokoll Low-Power Wide-Area (LPWA) die wohl vielversprechendste Alternative für das Internet of Things. © chombosan - shutterstock.com
Solange 5G noch Zukunftsmusik bleibt, ist das Netzwerkprotokoll Low-Power Wide-Area (LPWA) die wohl vielversprechendste Alternative für das Internet of Things. © chombosan - shutterstock.com
Das Netzwerkprotokoll LPWA gilt als Zwischenlösung auf dem Weg zu 5G. Vorzüge wie der geringe Stromverbrauch der IoT-Endgeräte, geringe Modulkosten und Wartung, geringe Latenzzeiten, hohe Gebäudedurchdringung sowie die Übertragungsfähigkeit von Datenmengen über größere Distanzen hinweg, zeichnen LPWA aus. Laut Aussage von Beecham Research aus dem Jahr 2015 sollen LPWA-Netzwerke bereits 2020 mehr als ein Viertel der gesamten IoT-Vernetzung abdecken.
LPWA erlaubt massive Skalierung zu geringen Kosten
Im Gegensatz zu 5G sind für LPWA-basierte Netze keine Neuinvestitionen für Funkmasten oder Antennen notwendig. Der Stadtnetzbetreiberverbands Buglas hat vor kurzem eine stolze Zahl von 1,2 Millionen neu benötigter Antennen ausgerufen, um das Netz der fünften Generation überhaupt zu ermöglichen. Auch wenn diese Zahl laut Branchenexperten wohl deutlich zu hoch gegriffen sei, sind sich Branchenkenner einig, dass für den europäischen 5G-Netzausbau dennoch Investitionen in Milliardenhöhe erforderlich werden. Hingegen kann die wohl bekannteste auf LPWA basierende Technologie „Narrowband-IoT“ (NB-IoT) in bereits bestehenden Netzen über Software-Upgrades realisiert werden.
LPWA-Technologien im Vergleich
Neben NB-IoT spielen vor allem noch die LPWA-Technologien von Sigfox und LoRA eine Rolle, um Geräte im IoT zu vernetzen. Die Unterschiede der drei Technologien liegen hauptsächlich im variierenden Stromverbrauch der IoT-Geräte, also der Batterielaufzeit mit Zeiten von zehn bis 20 Jahren, der Verschlüsselung und Authentifizierung sowie der unterschiedlichen Reichweite – zwischen zehn Kilometern innerstädtisch und bis zu 50 Kilometern auf dem Land. Je nach Anwendungsszenario müssen Unternehmen also abwägen, welche LPWA-Technologie für sie sinnvoll ist. Der wichtigste Unterschied besteht aber wohl darin, dass nur NB-IoT durch das Standardisierungsgremium 3GPP spezifiziert ist – und lizensierte Frequenzen auf verschiedenen Frequenzbändern nutzt.
Bei NB-IoT gibt es daher keine Einschränkungen der Ausgangsleistung im Vergleich zu Sigfox und LoRA, die hingegen lizenzfreie Bänder nutzen. Die Telekom versprach im Februar, NB-IoT in all ihren europäischen Märkten etablieren zu wollen. T-Mobile Holland nutzt Narrowband-IoT bereits zur Überwachung von Schienennetzen. Der Elektronikriese Samsung hat vor kurzem einen mobilen Tracker auf Basis von NB-IoT vorgestellt, um etwa Haustiere und Wertsachen zu überwachen und zu lokalisieren.
Narrowband-IoT ist ohne neue Netzinfrastruktur nutzbar
Prädestinierte Einsatzfelder von LPWA sind vor allem Szenarien in den Bereichen Smart Cities, Smart Metering, Landwirtschaft und Logistik. Ein weiterer Vorteil von NB-IoT ist, dass es über Softwareupgrades des Funkzugangsnetzes innerhalb des bestehenden LTE-Netzes aktiviert werden kann. Somit ist es nicht nötig, ein neues Netz aufzubauen.
Wollen Unternehmen jedoch Sigfox- und LoRa-Technologien nutzen, muss eine neue Netzinfrastruktur über Carrier oder direkt durch das Unternehmen separat bereitgestellt werden. Die südkoreanische SK Telekom sowie die Niederlande verfügen seit 2016 über eine flächendeckende Versorgung mit LoRaWAN. In Russland sollen 30 Millionen Menschen Zugang zu einem LoRaWAN-Netzwerk haben laut Semiconductor-Hersteller Semtech.
Netzwerk-Monitoring ermöglicht Erkennung von Anomalien beim Endgerät
IoT-Systeme erzeugen einen sehr unregelmäßigen Traffic, der sich durch kurze, heftige Lastenspitzen auszeichnet. Und bestimmte LPWA-Technologien sind bei hoher Netzlast besonders anfällig. Bedenkt man, dass LPWA-Verbindungen über das bestehende LTE-Netz laufen ebenso wie Mobilfunkgeräte-Verbindungen und OTT-Dienste, kann es bei Lastspitzen zu Kapazitätsproblem kommen. Zwar erzeugen NB-IoT-Geräte nur geringen Datenverkehr, doch die Kommunikation kann auch bidirektional erfolgen. Angenommen Carrier oder Unternehmen wollen ihre 20.000 Smart-Meter-Geräte über das LTE-Netz updaten, können weitere Lastspitzen auftreten und die Funkzelle überlasten.
Zudem kann ein NB-IoT-Gerät nur bedingt Störungen melden, vor allem dann nicht, wenn kein Signal vorhanden ist. Wenn Techniker die Geräte dann manuell vor Ort überprüfen müssen, kommt der große preisliche Vorteil von NB-IoT-Geräten, nämlich ihre günstigen Modulpreise von durchschnittlich zehn US-Dollar, nicht mehr zum Tragen.
Über Anomalie-Detektion und Mustererkennung können Carrier und Unternehmen jedoch aus der Ferne überwachen, ob eine Störung vorliegt. Geräte können zwar auch aktiv von Unternehmen angetriggert werden, um eine Status-Meldung abzugeben – dies wirkt sich jedoch auf die versprochenen extrem langen Batterielaufzeiten von mindestens zehn Jahren negativ aus. Zudem ist es kaum effizient, täglich Millionen Devices lediglich für eine Statusmeldung anzupingen.
Service Assurance zur Sicherstellung hoher Netzqualität
Die Marktforscher von Strategy Analytics gehen davon aus, dass es in fünf Jahren weltweit bereits fünf Milliarden LPWA-Verbindungen geben wird. Da aber vor allem lizenzfreie Bänder störungsanfälliger sind, und etwa Übertragungsfehler und Paketverluste auftreten können, ist eine Überwachung des Netzwerkes ratsam. Erste NB-IoT-Projekte gibt es vor allem im B2B-Bereich, etwa im Schienennetz, bei Smart Metering oder Smart Cities mit Pilotprojekten bei Parkleitsystemen.
Gerade im B2B-Bereich sind SLAs jedoch entsprechend streng und die Anforderungen an die Service-Qualität hoch. Auch um eventuellen Vertragsstrafen zu entgehen, kann die genau Überwachung des Netzwerks helfen und sichergestellt werden, dass alle Prozesse optimal laufen. Die Monitoring-Software zeigt, welche Komponenten miteinander kommunizieren und macht somit Abhängigkeiten transparent.
Auch plötzliche Veränderungen können detektiert werden – sei es, dass sich das Antwortzeitverhalten eines Systems ändert, das Datenvolumen unerwartet steigt oder fällt oder Server nicht mehr innerhalb des Quality-of-Service-Levels antworten. Auf diese Weise kann die Fehlersuche eingegrenzt werden. Werden zum Beispiel Zwischenvermittler beziehungsweise externe Dienstleister zwischen Netzbetreiber und Unternehmen eingebunden, können über ein Monitoring die jeweiligen Verantwortlichkeiten bei Störungen zugeordnet werden.
* Martin Klapdor ist als Senior Solutions Architect beim Business-Assurance-Anbieter Netscout tätig.
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