Low‑Power Wide‑Area (LPWA) Netzwerke: Ein umfassender Überblick

Low‑Power Wide‑Area (LPWA) Netzwerke haben sich als führende Lösung für die Verbindung von IoT-Geräten etabliert. Doch die Terminologie kann verwirrend sein. Dieser Artikelレビューt die wichtigsten LPWA-Technologien und die Unternehmen dahinter.

LPWA zielt darauf ab, IoT-Sensoren mit dem Internet zu verbinden, während zellulare Kosten, Wi‑Fi-Stromverbrauch und Bluetooths begrenzte Reichweite vermieden werden.

Während LPWA-Geräte während der Übertragung mehr Strom verbrauchen als Bluetooth – oft zehnfach – bezieht sich „low‑power“ auf ihre Architektur, die es ihnen erlaubt, über 99 % der Zeit zu schlafen. Mit Ruheströmen im Mikroampere-Bereich können viele Systeme jahrelang mit einer einzigen Batterie laufen.

„Wide‑Area“ bezeichnet präziser ein hohes Link Budget. LPWAs beeindruckende Reichweite resultiert aus erhöhter Empfangsempfindlichkeit an beiden Enden, ermöglicht durch sehr niedrige Datenraten und ausgeklügelte Processing-Gain-Techniken.

Multiple-Access-Schemata erlauben zahlreichen Geräten, dasselbe Gateway gleichzeitig zu teilen, doch jede LPWA-Technologie nutzt einen distincten Ansatz.

Wir untersuchen jede Technologie hinsichtlich:

• Wie hohe Empfangsempfindlichkeit erreicht wird.
• Das Multiple-Access-Schema.
• Kernstärken.
• Kernschwächen.
• Das Geschäftsmodell.

Das Verständnis des Geschäftsmodells ist entscheidend – einige Unternehmen bieten Netze an, andere verkaufen Technologie, manche beides.

Sigfox

Sigfox, nun fast ein Jahrzehnt alt, pioneerte den LPWA-Markt. In den USA operiert es als Netzwerkanbieter, in anderen Regionen liefert es Technologie an Carrier.

• Seine Basisstationen nutzen einen FPGA-basierten Channelizer, um niedrigbitrate DPSK-Übertragungen über hunderte potenzielle Kanäle zu detektieren.
• End-Nodes wiederholen dieselbe 12-Byte-Nachricht dreimal auf drei distincten Frequenzen, was die Wahrscheinlichkeit erfolgreichen Empfangs erhöht.
• Downlink ist theoretisch möglich, aber limitiert, da die Basisstation off-air sein muss während der Übertragung, was die Chance auf verpassten Traffic erhöht.
• Die Protokollsimplicität erlaubt eine Vielzahl von RF-Transceivern, was Kunden multiple Supply-Optionen gibt.
• Use Cases sind auf sehr einfache IoT-Payloads beschränkt, da jede Übertragung nur 12 Bytes trägt.
• Firmware-Updates oder Control-Applikationen sind über Sigfox nicht machbar.
• In den USA reduzieren FCC Time-on-Air-Limits (400 ms) Sigfox’ Link Budget um ca. 9 dB im Vergleich zu Europa, und höhere Interferenzen im 900‑MHz-Band degradieren Performance weiter.

WAVIOT

• WAVIOT, ein russisches Unternehmen, bietet Technologie, die Sigfox nahezu identisch ist, aber keine Netzwerkdienste anbietet.
• Im Gegensatz zu Sigfox kann jeder Kunde WAVIOT-Hardware kaufen, um eine private Lösung aufzubauen.
• Die Technologie nutzt ein gehopptes Signal, das ihr ein höheres Link Budget als Sigfox für FCC-konforme US-Anwendungen gibt.
• Basisstationen-Equipment ist teuer, da es ein großes FPGA erfordert, um alle DPSK-Kanäle zu implementieren.

LoRaWAN

• LoRaWAN baut auf der LoRa-Physikalschicht auf, während Wettbewerber wie Link Labs’ Symphony Link ein anderes Protokoll mit fortgeschrittenen Features implementieren.
• LoRa bietet überlegene Empfangsempfindlichkeit am End-Node, was zu einem balancierteren Link Budget im Vergleich zu Sigfox führt.
• Wie Sigfox nutzt LoRaWAN ein asynchrones, Aloha-Style Access-Schema, was ähnliche Downlink-Constraints auferlegt.
• Für tiefere Einblicke lesen Sie unseren LoRaWAN Considerations Guide.
• Das Geschäftsmodell ist komplex: Semtech verkauft die LoRa PHY, die LoRa Alliance entwickelt das Protokoll, und mehrere Operatoren testen Carrier-Grade-Netze.
• Carrier- und private LoRaWAN-Deployments können sich gegenseitig interferieren.

LTE‑M1

• LTE‑M liefert die Stromeffizienz von LoRaWAN oder Sigfox, während es LTE-Grade Datenraten und Feature-Sets bietet. Erfahren Sie, wie LTE‑M Power-Profile verbessert in unserem LTE‑M Power Guide.
• Die Nutzung von LTE‑M erfordert ein Abonnement bei einem zellulären Operator.
• Gerätezertifizierung auf Carrier-Netzen kann teuer sein.
• LTE‑M1-Netze waren für 2017 in den USA geplant.
• Preise sollen wettbewerbsfähig mit Sigfox sein.

NB‑IoT

• NB‑IoT (auch bekannt als LTE‑M2) ist eine kürzlich finalisierte 3GPP-Technologie, distinkt von LTE‑M1, aber deploybar innerhalb von LTE-Spektrum oder in Guard Bands.
• Sie wurde designed, um in legacy GSM 200‑kHz-Blöcken zu passen, und viele europäische und asiatische Operatoren planen, sie für IoT zu deployen.
• Sigfox’ Marktproof half Carriern, das Business-Potenzial für NB‑IoT zu sehen.
• NB‑IoT hinkt LTE‑M1 um etwa ein Jahr hinterher; Netze werden ab Ende 2017 oder 2018 erwartet.
• Wie bei LTE‑M1 erfordert die Nutzung von NB‑IoT Carrier-Bezahlung und Gerätezertifizierung.

Ingenu

• Ingenu, ehemals Onramp Wireless, betreibt sein eigenes 2,4 GHz DSSS-Netz.
• Sein Link Budget ist stark, aber der DSSS-Endpoint-Modem verbraucht mehr Strom als LoRa-basierte Lösungen.
• Ingenus Fokus liegt darauf, IoT-Netzwerkanbieter zu sein, nicht reiner Technologievendor, ähnlich wie LTE‑M oder NB‑IoT.
• Sein Netz ist derzeit nur in wenigen Städten deployed.
• Es wird interessant sein zu sehen, wie Ingenu gegen große LTE‑M-Rollouts von Carriern wie AT&T und Verizon abschneidet.

Zusammenfassend bietet die LPWA-Landschaft eine Reihe von Optionen. Für Off-the-Shelf-Technologie betrachten Sie Symphony Link, das die fortschrittlichste LPWA-Lösung außerhalb von LTE‑M bleibt.

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