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Low Power Wide Area Networks (LPWAN): Vor- und Nachteile der führenden Technologien Narrow-Band IoT und LTE Cat M1

Wer ein System für das Internet der Dinge entwickelt, steht vor der Frage, welche Verbindungstechnologie er wählen soll. Anja Schaal, Product Sales Manager und Wireless-Expertin bei Rutronik, erklärt die Vor- und Nachteile der Technologien.

Die verschiedenen Low Power Wide Area (LPWA) Technologien unterscheiden sich hinsichtlich Netzabdeckung, Datenrate, Stromverbrauch, Sicherheit, Skalierbarkeit und Interoperabilität. Weil keine in jedem Bereich punktet, gilt es zuerst die Anforderungen zu definieren. Denn passt die Technologie nicht zur Applikation, kann das eine verringerte Leistung, unnötig hohe Betriebskosten und eine eingeschränkte Skalierbarkeit zur Folge haben - im schlimmsten Fall ist sogar ein kosten- und arbeitsintensiver Wechsel nötig.

Lizenzfreie LPWA Varianten: SigFox und LoRa (RFMCU1232RFMCU1158DISSYS1148)

Grundsätzlich unterscheidet man lizenzierte und lizenzfreie Technologien. SigFox und LoRa sind die bekanntesten lizenzfreien Vertreter.

Ihre Vorteile:

- Die Module sind bislang günstiger als die der lizenzierten Technologien.

- Es sind keine SIM-Karten erforderlich. Dadurch entfallen auch die Kosten und der Aufwand für die Verwaltung und den Austausch der SIM-Karten. Eine monatliche / jährliche Gebühr an einen der im jeweiligen Land vertretenen Netzwerkprovider ist dennoch fällig, bleibt aber im Regelfall mit 1-10 Euro pro Jahr überschaubar.

- Mit LoRa kann sogar ein privates Netzwerk aufgebaut werden - Rutronik kann dazu Module z.B. von Telit (RE866A1-EU) und Murata (CMWX1ZZABZ) sowie ein dazu passendes Gateway von Advantech (WISE-3610) liefern.

Ihr Nachteil:

- Die Infrastruktur ist noch lückenhaft. Sie befindet sich erst im Aufbau, der noch einige Zeit dauern wird, da neue Gateways dafür installiert werden müssen.

Für Anwendungen, die flächendeckend eine zuverlässige Funkverbindung benötigen, kommen damit nur die lizenzierten Technologien in Frage.

 

Lizenzierte LPWA Varianten: NB-IoT und Cat-M1

Narrow-Band IoT (NB-IoT oder Cat-NB1) und LTE Category M1 (kurz Cat-M1 oder LTE-M) nutzen das Mobilfunknetz und bieten deshalb eine bessere Skalierbarkeit, Servicequalität und Sicherheitsmerkmale als die lizenzfreien LPWA Varianten LoRa und SigFox.

Um eine durchgängige Netzabdeckung bereitzustellen bedarf es bei den lizenzierten Technologien lediglich eines Software Updates der bestehenden LTE Gateways und Basestations. Wie auch LoRa und SigFox arbeitet NB-IoT und LTE-M in den SubGHz Frequenzbändern.

NB-IoT hat eine geringere Übertragungsrate als Cat-M1. Sie liegt für Downloads unter 250kbps, für Uploads unter 20kbps. Die Bandbreite beträgt 200kHz. Damit eignet sich NB-IoT vor allem für stationäre Applikation, die sehr energieeffizient arbeiten müssen.

Netzbetreiber in Europa und Asien setzen auf NB-IoT. Die Telekom hat schon Mitte 2017 zwei NB-IoT Starterpakete auf den Markt gebracht. In den USA bevorzugen die Netzbetreiber Cat-M1, doch T-Mobile unterstützt NB-IoT ab 2018 auch dort.

Module für NB-IoT Anwendungen bietet Telit: Das NE910C1 ist sehr energieeffizient und hat eine besonders zuverlässige Netzabdeckung, auch in Gebäuden. Durch den gängigen xE910 Formfaktor (28mm x 28mm) kann es andere Module im gleichen Formfaktor in existierenden Applikationen ganz einfach ersetzen. Das NE866B1 von Telit hat ganz ähnliche Eigenschaften. Dank seines noch kleineren xE866 Formfaktors (19mm x 15 mm) ist es perfekt für den Einsatz in sehr kleinen Geräten.

Cat-M1 verfügt über eine höhere Datenübertragungsrate als NB-IoT mit bis zu 1Mbps. Zudem unterstützt Cat-M1 - anders als NB-IoT - auch Voice Over LTE (VoLTE) für Anwendungsfälle mit Sprachübertragung. Da es außerdem einen Handover von einer Funkzelle zur nächsten ermöglicht, eignet es sich für mobile und bewegte Applikationen wie Telematik und Flottenmanagement.

Auch für Cat-M1 bietet Telit entsprechende Module. Deren Produkte, wie ME910C1 haben dieselben Formfaktoren wie die NB-IoT NE910C1 Module. Mit ME910C1-E1 bzw. ME910C1-E2 bietet Telit sogar ein Kombi-Modul an, welches sowohl Cat-M1 als auch NB-IoT integriert hat. Beide Varianten gibt es zudem mit oder ohne einem GNSS (Global Navigation Satellite System) Receiver. Die Variante ME910C1-E2 bietet darüber hinaus 2G Fallback. Dadurch kann in einem Gerät je nach Zielland und Funktechnologie ohne aufwändiges Re-Design das passende Modul zum Einsatz kommen.

 

LPWAN Basics

Low Power Wide Area Networks (LPWAN) sind drahtlose Kommunikationsnetzwerke, die gezielt für Internet of Things (IoT) Anwendungen entwickelt wurden. Denn die zellularen Technologien (GSM, UMTS, LTE) sind hierfür zu teuer, Short Range Networks (z.B. Bluetooth, WiFi) sind zu energieintensiv und zu eingeschränkt in der Übertragung.

LPWAN hingegen übertragen geringe Bit-Raten über lange Strecken und erfüllen damit exakt die Anforderungen von Geräten und Systemen im IoT. Durch die reduzierten Datenraten benötigen sie deutlich weniger Strom als andere Wireless Wide Area Networks (W-WAN) und eignen sich auch für batteriebetriebene Applikationen.