Pro und Kontra verschiedener LPWAN-Netzwerke für Ihre IoT-Anwendung

August 30, 2017 Altium Designer

Das Kolosseum

 

Aktuell ist das IoT wie ein Gladiatorenkampf im Kolosseum der Marktmächte und öffentlichen Meinungen. Es gibt immer neue Ranglisten, welche Protokolle oder Stacks am besten, welche IoT-Produkte am nützlichsten (oder sinnlosesten) sind und wer sich welches Element des wachsenden IoT-Ökosystems sichern wird. Das Beste ist, dass jeder dieser kleinen Kämpfe auch eine Entscheidung mit Folgewirkungen für Ihr nächstes IoT-Design ist. Klasse, oder?

 

Zu ihrem Glück habe ich für eines der großen Gladiatorenduelle im IoT-Kampf bereits die Quote bestimmt. Es geht um die Frage: Lohnt sich der Einsatz eines stromsparenden Weitverkehrs-Netzwerks (LPWAN) für Ihr IoT-System?

 

Noch ein IoT-Protokoll? Was muss ich wissen?

LPWANs sind eine große Umstellung gegenüber den Netzwerken, die sich auf das Internet oder mobile Kommunikation stützen. Wir haben vor Kurzem über sie geredet, aber die wichtigsten Punkte für eine Anwendung in IoT-Systemen sind folgende:

 

Niedriger Stromverbrauch

Das ist so wichtig, dass es sogar Teil des Namens ist. Anders als bereits verfügbare Mobilfunknetzwerke soll LPWAN die Stromkosten für ein IoT-System minimieren. Geräte produzieren meist nicht mehr als 10-25 mW, um die Konformität zu den ISM-Frequenzbändern zu gewährleisten. So können Fernsensoren oder Geräte lange Zeit, idealerweise jahrelang ohne Batteriewechsel arbeiten.

 

Große Bereichsabdeckung

Der Einzugsbereich von LPWANs liegt zwischen einigen Kilometern im städtischen Bereich und 15 bis 30 Kilometern in ländlichen Gebieten, ohne dass übermäßig viele Störungen auftreten. Ihre Reichweite ist wesentlich größer als die kurze bis mittlere Reichweite von Systemen wie Bluetooth oder Wi-Fi.

 

Geringe Bandbreite

Weil die meisten IoT-Geräte nur kleine Datenmengen senden, reduziert eine geringe Bandbreite die Systemkosten. LPWANs sind für Anwendungen ausgelegt, die wenige, kleine Nachrichten pro Stunde austauschen, und nicht für Anwendungen wie das Streaming mit ihren großen Datenmengen.

 

Niedrige Kosten

Die meisten LPWANs nutzen ein Abonnementmodel, was die Hardware (den Funk-Chipsatz) sehr günstig macht. Dafür fällt eine jährliche Abonnement-Gebühr für jedes Gerät an, das an das Netzwerk angeschlossen wird. Viele nutzen das nicht lizenzgeschützte Spektrum der ISM-Bänder (z. B. 868 MHz in Europa oder 915 MHz in den USA), um Kosten zu reduzieren.

Wer nutzt LPWAN?

LPWAN-Anwendungen in der Consumer-Elektronik stecken noch in den Kinderschuhen, werden also noch nicht im großen Stil eingesetzt. Allerdings kommt SigFox in Europa langsam in Schwung, und IoT Central vermeldet einen Nutzungszuwachs von 6 % im letzten Jahr. Aktuell sind die Anwendungen meist im gewerblichen Bereich oder in „Smart Cities“ zu finden, wo es in der Versorgungswirtschaft und den Dienstleistungen mehr Anwendungsmöglichkeiten gibt.

Was sind meine Netzwerk-Optionen?

Wie bei allem im IoT-Bereich gibt es viele Wettbewerber und noch mehr Meinungen darüber, welcher der Beste ist. Wenn Sie Interesse an einer detaillierteren Übersicht haben, gibt es von IoT For All ein Whitepaper am Ende dieses Artikels, das Sie interessieren könnte.

 

Gladiators fighting

LoRa und SigFox sind die größten LPWAN-Anbieter, aber es gibt auch einige Außenseiter mit großem Potential.

 

LoRa und SigFox sind die Schwergewichtskämpfer in der LPWAN-Arena. Allerdings gibt es auch einige Außenseiter wie Ingenue und Weightless, die definitiv einen Blick wert sind. Sehen wir zuerst, was die Schwergewichte zu bieten haben.

LoRa

LoRa hat in Europa Fuß gefasst, wo es bereits fest eingerichtete Versorgungsbereiche gibt. Voraussetzung ist ein Funk-Chipsatz von Semtech, es handelt sich also nicht um einen offenen Standard.

Pro:

  • Große Unterstützung durch die Industrie und Partner, darunter Cisco, IBM Microchip Technology, KPN, IMST und andere.
  • Vergleichsweise ordentliche Bandbreite (für LPWAN-Verhältnisse, schließlich möchte man damit keine YouTube-Videos streamen)
  • Sicherheit: AES CCM (128-bit) Verschlüsselung und Authentifizierung

Kontra:

  • Kein offener Standard
  • Es können nur von Semtech genehmigte Anbieter genutzt werden
  • Private Netzwerke sind mit LoRa schwierig bis unmöglich einzurichten
  • Komplizierte Validierungs-/Bestätigungsprotokolle und hohe Fehlerraten
  • Begrenzte Downlink-Fähigkeit

SigFox

Der andere große Akteur ist auch schon etabliert. Auch SigFox genießt die starke industrielle Unterstützung durch Partner wie Texas Instruments, Silicon Labs und Axom.

Pro:

  • SigFox ist mit viel Zugkraft in Europa und San Francisco eingestiegen.
  • Dank der fehlenden Empfängerschaltungen wird weniger Strom benötigt.
  • Größere Reichweite auf Kosten langsamerer Modulation macht SigFox zur besten Wahl für einfache Messanwendungen

Kontra:

  • Kein offener Standard
  • Die US-Architektur unterscheidet sich von der europäischen, weil die FCC die Übertragungslänge vorgibt. Testergebnisse sind dadurch eventuell weniger zuverlässig.
  • Minimale Sicherheit (16-bit-Verschlüsselung)
  • Keine Downlink-Kommunikation
  • Potentiell stärkere HF-Störungen

Ingenu

Ingenu ist später auf den Markt gekommen als SigFox oder LoRa, weil mehr Zeit und Arbeit auf die Entwicklung des gesamten LPWAN-Technologieangebots verwendet wurde. Ingenu war Gründungsmitglied der iEEE 802.15.4k Task Group und dort zuständig für die Überwachung der Niedrigenergie-Infrastruktur, verfügt also über fundiertes Basiswissen.

Pro:

  • Architekturentwicklung mit überlegenen Uplink- und Downlinkkapazitäten im Vergleich zu anderen LPWANs.
  • Höheres Link-Budget als bei LoRa oder SigFox, was eine bessere und zuverlässigere Bereichsabdeckung ermöglicht
  • International kompatibel dank des Betriebs mit 2,4 GHz.

Kontra:

  • Vermehrte Störungen durch WLAN, Bluetooth und Gebäude mit 2,4-GHz-Technik.
  • Kürzere Batterielaufzeit aufgrund höherer Rechenleistung

Weightless

Weightless ist ein weiteres Sub-Gigahertz-LPWAN, das im unlizenzierten Spektrum arbeitet. Ich bin Weightless-Fan, denn in diesem Bereich ist es der einzige offene Standard und bietet großes Potential für neue Anwendungen. Es gibt drei Standards: N, W und P. Kosten und und Geschwindigkeit lassen sich gut gegeneinander abwägen, und aus den umfangreichen Funktionssets lässt sich das auswählen, das am besten zu Ihrem System passt.

Pro:

  • Optionen für langsame Sensornetzwerke (N) oder private Netzwerke mit adaptive Raten (P)
  • Uplink- und Downlinkfähigkeit (P, W)
  • Gute Reichweite in städtischer Umgebung (2 bis über 5 km)
  • Dank fortschrittlicher Demodulation nur geringe Interferenzen mit anderen RF-Technologien

Kontra:

  • Für Weightless W werden freie Frequenzbänder im TV-Spektrum benötigt
  • Batterielebensdauer von 2 bis 10 Jahren, je nach Standard

Die Außenseiter

Es gibt noch eine Reihe weiterer Optionen. Diese müssen aber zuerst noch Fuß fassen. Dazu gehören LTE-M, IEEE P802.11AH (eine stromsparende Wi-Fi--Option) und Dash7. Um Ihr IoT-Gerät einzusetzen, brauchen Sie ein vorhandenes und gut erreichbares LPWAN. Darum sind diese Optionen keine gute Wahl – zumindest bis jetzt. Sie sind aber garantiert Wettbewerber, also behalten Sie sie im Auge.

Sollte ich LPWAN nutzen?

Wie bei anderen IoT-Kommunikationsprotokollen auch gibt es keine einfache Antwort auf die Frage, was das Richtige für Sie ist. Allerdings lässt sich leicht sagen, ob LPWAN nicht für Sie geeignet ist. Finden Sie zuerst heraus, welche Abdeckungsoptionen im geplanten Einsatzgebiet Ihrer Systeme zur Verfügung stehen. Gibt es kein Netzwerk, dann wäre der Einsatz von LPWAN wie eine Wette auf einen Gladiator, der gar nicht in der Arena steht.

 

Gladiatorensymbole

Die Auswahl an LPWAN-Wettbewerbern ist groß, aber suchen Sie sich unbedingt denjenigen aus, der am Anwendungsort für Sie sinnvoll ist.

 

Während wir alle auf den nach oben gereckten Daume  für das Protokoll warten, welches am weitreichendsten verfügbar sein und unterstützt werden wird, sollten Sie sich vielleicht auf etwas Bewährtes verlassen. Verlieren Sie LPWAN aber nicht aus den Augen. Wenn Ihre IoT-Geräte langfristig kompatibel sein sollen, müssen Sie es auf dem Schirm behalten.

 

Wenn Sie Ihre Recherche abgeschlossen und mit dem Design Ihrer IoT-Produkte begonnen haben, sollten Sie Ihre Bauteile und Anforderungen langfristig verwalten. PCB-Software wie Altium Vault machen das einfach und helfen auch bei der Verwaltung der Versionskontrolle, sobald Sie die Hardware für neue Netzwerkoptionen integrieren möchten. Sie können noch heute einen Altium-Vertreter kontaktieren und sofort loslegen!

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PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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