Einführung
LPWA-Technologien (Low-Power Wide-Area) erfüllen die Anforderungen des Internet of Things (IoT) -Markts mit billigen Geräten, die den Akku lange halten, und billigen Fernnetzwerken, während eine große Anzahl von Verbindungen aufrechterhalten wird. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, LPWA-Netzwerke aufzubauen, aber LoRaWAN- und NB-IoT-Technologien haben die größte Dynamik gezeigt und werden in den kommenden Jahren den größten LPWA-Marktanteil erhalten. In diesem Text werden diese Technologien im Hinblick auf gemeinsame Merkmale und Unterschiede betrachtet. Anschließend werden Beispiele für die Verwendung von LoRaWAN in vertikalen Märkten vorgestellt und die einzigartigen Vorteile von LoRaWAN hervorgehoben. Mögliche Optionen werden auch in Betracht gezogen, wenn LoRaWAN und NB-IoT zusammenarbeiten, um die größten Vorteile zu erzielen.
Technischer Vergleich von LoRaWAN und NB-IoT
LoRaWAN ist ein LPWAN-System mit offener Architektur, das von der gemeinnützigen Vereinigung der LoRa Alliance-Unternehmen mit mehr als 500 Mitgliedern entwickelt und standardisiert wurde. LoRa ist eine auf physikalischer Ebene verwendete Modulationstechnologie, die eine energieeffiziente Datenübertragung über große Entfernungen mithilfe der CSS-Modulation (Chirp Spread Spectrum) ermöglicht, bei der Schmalbandsignale über einen erweiterten Kanal verteilt werden, wodurch eine hohe Störfestigkeit und ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet werden. NB-IoT arbeitet seinerseits im lizenzierten Bereich und verwendet wie LTE die Uplink-Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriffs- (FDMA), orthogonale Downlink-FDMA- (OFDMA) und QPSK- (Quadrature Phase Shift Keying) Modulation. Obwohl beide Technologien in Bezug auf die Dienstgüte (Quality of Service, QoS) konkurrieren können, fühlen sich IoT-Anwendungen, die häufige Kommunikation erfordern, mit NB-IoT besser an, da der Arbeitszyklus im lizenzierten Bereich nicht eingeschränkt ist, jedoch die vollen Kosten für die Bereitstellung eines Systems teurer sind als LoRaWAN.
Sowohl LoRaWAN- als auch NB-IoT-Geräte verbrauchen weniger Strom, wenn sie in den Ruhemodus wechseln. Während NB-IoT als synchrones Protokoll arbeitet, verbraucht NB-IoT erheblich mehr Strom als LoRaWAN, ein asynchrones Protokoll, und wenn es mit demselben Durchsatz misst, verbraucht NB-IoT den höheren Spitzenstrom, der für die OFDM / FDMA-Modulation erforderlich ist. Trotzdem sind die Eigenschaften beider Technologien wichtig für die Implementierung vieler praktischer Lösungen, die eine hohe Durchdringung in Innenräumen und eine jahrelange Batterielebensdauer erfordern.
Für Unternehmenskunden, die ein Hybridnetzwerk sowohl mit privater als auch mit öffentlicher Netzwerkinfrastruktur bereitstellen möchten, ist es aus mehreren Gründen am besten, LoRaWAN zu verwenden. Bei privaten LoRaWAN-Netzwerken sind Unternehmen nicht an die geschäftlichen und finanziellen Gründe für die Datenübertragung gebunden. Der Zugang zum Unternehmensnetzwerk kann nach Möglichkeit durch das öffentliche LoRaWAN-Netzwerk ergänzt werden. NB-IoT-Konnektivität wird derzeit in Bereichen angeboten, in denen bereits eine Mobilfunkabdeckung verfügbar ist. Die Bereitstellungskosten sind jedoch im Vergleich zu LoRaWAN höher, da für die Bereitstellung eines privaten Netzwerks das HF-Spektrum von Netzbetreibern gekauft oder geleast werden muss. Ein weiterer Faktor, der die relativen Kosten und die Leistung von LoRaWAN und NB-IoT beeinflusst, ist die beste Durchdringung von LoRaWAN in Innenräumen. Der maximale Kommunikationsverlust (MCL-Wert) für die LoRaWAN-Aufwärts- und Abwärtsverbindung beträgt 165 dB. Die MCL für NB-IoT kann je nach Geräteklasse zwischen 145 dB und 169 dB für den Uplink und 151 dB für den Downlink liegen. Darüber hinaus führt die geringere Energieeffizienz der NB-IoT-Kommunikationsverbindung zu einer Verkürzung der Batterielebensdauer.
Mehr LoRa-Geräte als NB-IoT
Laut der LoRa Alliance gibt es im April 2019 mehr als 113 LoRaWAN-Netzwerke in 55 Ländern weltweit in verschiedenen Phasen der kommerziellen Bereitstellung im Vergleich zu 90 NB-IoT-Netzwerken. Laut der LoRa Alliance gibt es 118 LoRaWAN-Geräte, die von der LoRa Alliance zertifiziert sind. Gleichzeitig wurden nach Angaben der Global Association of Mobile Suppliers, NB-IoT und CAT-M kommerzielle Geräte insgesamt 43. Nach Angaben der Semtech Corporation belief sich die Gesamtzahl der LoRa-Endgeräte im April 2019 auf 97 Millionen. Das Wachstum von LoRaWAN-Lösungen beschleunigt sich, da das Ökosystem der Geräte schnell wächst und ein breiteres Spektrum vertikaler Märkte abdeckt.
Dienstprogramme
LoRaWAN hat dank Versorgungsunternehmen, die intelligente Zähler für Gas und Wasser verbinden, an Popularität gewonnen. China war eines der ersten Länder, das die LoRa-Technologie für Smart-Metering-Projekte eingeführt hat. Auf sie entfielen rund 65% der 2018 ausgelieferten Chips. Birdz, eine Tochtergesellschaft von Novo Veolia und Veolia Water, gab am 19. Dezember 2018 bekannt, dass sie Orange Business Services (OBS) für den Anschluss von 3 Millionen intelligenten LoRaWAN-Wasserzählern ausgewählt hat. Der Veolia-Vertrag ist die größte Implementierung intelligenter Wasserzähler über das öffentliche LPWA-Netzwerk. Energieunternehmen, die sich in einem fortgeschrittenen Stadium der Implementierung intelligenter Zähler befinden, beginnen nun mit der Aufrüstung ihrer elektrischen Infrastrukturen für Mittelspannung (MV) und Hochspannung (HV). ABB, ein führender Anbieter von Elektrifizierungslösungen, hat die Spannungsbegrenzer von LoRaWAN angekündigt, mit denen Entladestrom und Leckstrom gemessen werden. Die LoRa Alliance und DLMS gaben im April 2019 gemeinsam ihre Partnerschaft bekannt, um ein neues DLMS-Profil für LoRaWAN-Netzwerke bereitzustellen, mit dem Versorgungsunternehmen viele IoT-Anwendungen verwenden und das
DLMS / COSEM-Protokoll verwenden können , um intelligente Stromzähler mit LoRaWAN zu verbinden.
Intelligente Gebäude
In gewerblichen Gebäuden werden zunehmend IoT-Lösungen eingesetzt, die Sensoren zur Überwachung verschiedener Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Licht sowie zur Erkennung von Bewegungen, Stößen und Wasserlecks verwenden.
Zu den intelligenten Gebäuden gehören auch Raumverwaltungslösungen, die Raumsensoren verwenden, um Echtzeitinformationen zur Raumbelegung für den Zugang zum Arbeitsplatz und zu Konferenzräumen sowie zur optimalen Nutzung von HLK-Systemen (Heizung / Lüftung / Klimaanlage) bereitzustellen. Die Kenntnis der Fülle kann auch dazu beitragen, dass Gebäudemanager Softwaredienste wie Reinigung, Abfallmanagement und Sicherheit besser verwalten. Die LoRaWAN-Technologie hat den größten Erfolg bei der Implementierung dieser Lösungen erzielt und bietet Vorteile aufgrund der Verfügbarkeit von Geräten und der einfachen Erstellung von Netzwerken mit hoher Durchdringungsleistung in Innenräumen. Anbieter intelligenter Basisstationen wie Cisco, MultiTech, Kerlink, TEKTELIC und Laird bieten Mikro- und Femto-Basisstationen an, die zwischen 3.000 und 7.000 angeschlossene Terminals unterstützen.
Logistik / Nachverfolgung von Vermögenswerten (Waren, Ressourcen, Werte)
Die drahtlose Verfolgung von Assets ist eine der größten Chancen auf dem IoT-Markt. LPWA-Netzwerktechnologien werden eine wichtige Rolle spielen und in den nächsten 5 Jahren weltweit über 9.500 Millionen Assets verfolgen. Das größte Problem, das LoRaWAN lösen kann, ist die visuelle Darstellung und Verfolgung von Waren in der Lieferkette, von der internen Umgebung des Unternehmens bis hin zu Megastädten und Regionen mit einer einzigen Technologie. Derzeit ist die Produktverfolgung nur in Gebäuden mit drahtlosen Nahbereichstechnologien wie RFID, Bluetooth, UWB oder Wi-Fi oder im Freien mithilfe von Mobilfunk- oder Satellitentechnologie verfügbar. Am 19. Februar 2019 wählte der Flugzeughersteller Objenious (ein
französisches Internet- IoT-
Unternehmen ) für seine hybride LoRaWAN-Infrastruktur aus, mit der er seine Produkte nicht nur in Fabriken, sondern auch zwischen Fabriken über das von Objenious bereitgestellte öffentliche LoRaWAN-Netzwerk verfolgen konnte. Ein weiteres Beispiel sind Asset-Tracking-Systeme, mit denen Fahrzeuge mit wertvollen Gütern verfolgt werden. In Brasilien entschied sich Maxtrack für LoRaWAN und hatte bis Ende 2018 mehr als 400.000 Tracker platziert, um Fahrzeuge und Fracht zu verfolgen.
Industrie und intelligente Fertigung
Einer der Schlüsselfaktoren der digitalen Transformation in der Produktion ist das industrielle Internet der Dinge. Mit LoRa Alliance-zertifizierten Sensoren können IoT-Anwendungen in der Produktion die Sichtbarkeit des Workflows verbessern, die Betriebszeit der Geräte überwachen, Ausfallzeiten reduzieren, die Ressourcennutzung anzeigen und die Gesamtleistung untersuchen. Industrielle IoT-Anwendungen profitieren von den niedrigen Gesamtbetriebskosten von LoRaWAN und der Flexibilität, private Netzwerke zu verwalten und drahtlose Sensoren einzusetzen, um zusätzliche Datenpunkte zu sammeln und neues Wissen bereitzustellen. Industrielle Lösungen von Ineo-Sense und ADVEEZ zeugen von der Einführung von IoT-Technologien in der Automobil- und Luftfahrtindustrie.
Intelligente Landwirtschaft
Laut der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) muss die Landwirtschaft die Produktivität bis 2050 um 70% steigern, um dem prognostizierten Bevölkerungswachstum gerecht zu werden.
IoT-Technologien werden dazu beitragen, Ressourcen besser zu nutzen, um diesen prognostizierten Nahrungsmittelbedarf zu decken. Sinkende Rohstoffpreise erschwerten es jedoch einem großen Block von Produzenten, kleinen und mittleren Landwirten, verschiedene IoT-Technologien einzusetzen. Mit LPWA-Netzwerktechnologien können Sie flexible IoT-Lösungen auf zwei Arten implementieren: Erstens durch die Verfügbarkeit kostengünstiger Geräte zur Überwachung der Bodenfeuchtigkeit oder der Tierbedingungen, um den Ertrag oder die Milchproduktivität zu steigern. und zweitens die Schaffung erschwinglicher Netzwerke zum Empfangen von Informationen von Sensoren unter Verwendung von LoRaWAN-Geräten anstelle von Mobilfunknetzen, die möglicherweise nicht verfügbar sind. Wie bereits erwähnt, gibt es viele Anbieter von Basisstationen für den Aufbau privater LoRaWAN-Netzwerke.
Zusätzlich zu den bereits erzielten Erfolgen von LoRaWAN bei Unternehmenslösungen erwartet ABI Research eine signifikante Implementierung dieser Technologie für Verbraucherlösungen wie Smart Home. LoRaWAN unterstützt die Verbindung sowohl in Innenräumen als auch über große Entfernungen für Geräte, die sich am Umfang eines Objekts befinden. Darüber hinaus ist die Leistung der LoRaWAN-Batterie für viele batteriebetriebene Touch-Geräte wichtig, die in Lösungen wie Rauchmeldern, Wasserlecksuche, intelligenten Schlössern, Umgebungsüberwachung, Altenpflege und intelligenter Außenbeleuchtung verwendet werden. ABI Research geht auch davon aus, dass B2B-Unternehmen auch von LoRaWAN-Smart-Home-Netzwerken profitieren werden, da die Erweiterung der Verfügbarkeit von Heimnetzwerken eine Vielzahl von Anwendungsfällen unterstützt, die für Unternehmenskunden relevant sind, einschließlich Überprüfung der Frachtzustellung, Sicherheit und Sicherheitsüberwachung.
Koexistenz LoRaWAN und NB-IoT
Während sich der IoT-Markt weiterentwickelt, werden LoRaWAN und NB-IoT auf dem Markt koexistieren, in einigen vertikalen Märkten konkurrieren und sich in anderen ergänzen, basierend auf den Anforderungen spezifischer IoT-Lösungen für Kosten, Abdeckung und Bandbreite. Durch die Nutzung des nicht lizenzierten Spektrums bleibt LoRaWAN von anderen LPWA-Netzwerktechnologien getrennt und wird eine führende Rolle in privaten Unternehmensnetzwerken spielen, in denen Unternehmen die volle Kontrolle über ihre Infrastruktur und Geräte wünschen. Es gibt jedoch drei Situationen, in denen ein Bedarf an Hybridlösungen mit LoRaWAN und NB-IoT auftreten kann.
Die erste Situation ist die Verfolgung mobiler Assets. Da die Präsenz von LoRaWAN- und NB-IoT-Netzwerken weltweit weiter zunimmt, können Netzwerke auch komplementär sein und die allgegenwärtige Konnektivität bieten, die für die Verfolgung von Assets an mehreren Standorten und Regionen erforderlich ist.
Die zweite Situation sind Lösungen für die intelligente Ressourcenabrechnung und Überwachung von Energiesystemen. In Europa wird das M-Bus-Protokoll hauptsächlich für die intelligente Messung von Gas und Wasser verwendet - der ETSI-Standard (
European Telecommunications Standardization Institute ) für die intelligente Messung. M-Bus musste jedoch die Lösungsanbieterkette, die diesen Standard unterstützt, verkleinern. Dies macht LoRaWAN zu einem potenziellen Ersatz für den Anschluss von WANs an intelligente, batteriebetriebene Zähler. Um Ressourcenabrechnungssysteme zu implementieren, die die Architektur von Basisstationen verwenden, wie dies in Großbritannien und Deutschland der Fall ist, kann LoRaWAN außerdem Zähler und andere Endgeräte anschließen.
Schließlich können Hersteller von Industrieanlagen, die Fernüberwachungslösungen einsetzen, von der LoRaWAN / NB-IoT-Kombinationsverdrahtungslösung erheblich profitieren, um sowohl die Funktionalität als auch die Flexibilität für verschiedene industrielle Überwachungs- und Steuerungslösungen zu erhöhen. Die LoRaWAN-Technologie ist für eine lange Akkulaufzeit optimiert und kann als primäre Konnektivitätslösung verwendet werden, wenn Sensoren zum häufigen Senden von Überwachungsdaten benötigt werden. Die NB-IoT-Technologie mit geringerer Latenz und garantierter QoS, aber höheren Kosten kann für spezielle Fernsteuerungssituationen seltener verwendet werden.
Schlussfolgerungen
LoRaWAN- und NB-IoT-Netzwerke wurden erst vor relativ kurzer Zeit bereitgestellt, verzeichnen jedoch bereits ein schnelles Wachstum auf globaler Ebene. Es wird einen Platz für LoRaWAN und NB-IoT unter Massen-IoT-Anwendungen geben, basierend auf den aufgeführten Vorteilen: niedrigere Gerätekosten, Netzwerkinfrastruktur und Netzwerkzugriff; hohe Durchdringung des Gebäudes; und geringer Stromverbrauch. LoRaWAN hat jedoch in naher Zukunft einen klaren Vorteil gegenüber NB-IoT mit seinem entwickelten Lieferantensystem, zertifizierten IoT-Geräten und integrierten Lösungen, die bereits heute zur Implementierung bereit sind.
Veröffentlicht am 10. Juni 2019 vom Analyseunternehmen ABI Research
Übersetzt mit Genehmigung von ABI Research