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LoRaWAN - der Funkstandard für die Smart City

| Autor/ Redakteur: Armin Przirembel / Jürgen Schreier

Smart-City-Anwendungen verbessern die Lebensqualität in den Städten. Dazu muss die Kommunikationsinfrastruktur Daten aber störungsfrei kabellos über weite Distanzen übertragen, wobei tiefe Keller oder dicke Betonwände keine Hürden darstellen dürfen. Dieses Anforderungsprofil erfüllt der Funkstandard LoRaWAN.

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LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) wurde speziell für die Langstrecken-Kommunikation entwickelt und gilt als besonders störungsresistent.
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) wurde speziell für die Langstrecken-Kommunikation entwickelt und gilt als besonders störungsresistent.
(Bild: Axians)

Der Müllcontainer meldet, dass er geleert werden muss. Die intelligente Ampel regelt den Verkehr nach Aufkommen und der Schadstoffbelastung in der Luft. Sie verhindert vorausschauend Staus und senkt Emissionen. Ähnliche Effekte erzielt die App, die Autofahrer schnell zum nächsten freien Parkplatz führt. Es gibt viele Möglichkeiten, wie Smart-City-Anwendungen die Lebensqualität verbessern können. An Optionen für die Umsetzung mangelt es nicht.

Im Gegenteil: Der Markt für Smart-City-Lösungen und damit verbundene Technologien boomt. Der eco Verband der Internetwirtschaft geht davon aus, dass der Umsatz bis 2022 jährlich um 16,5 Prozent auf 43,8 Milliarden Euro wachsen wird. Im Vergleich zu 2017 würde er sich damit mehr als verdoppeln. Weltweit erwartet das Beratungsunternehmen Frost & Sullivan bis zum Jahr 2025 Geschäftsmöglichkeiten für Smart-City-Anwendungen im Wert von über zwei Billionen US-Dollar.

Anforderungen an die Datenübertragung in der Smart City

Eine wichtige Voraussetzung für Smart-City-Anwendungen ist eine geeignete Kommunikationsinfrastruktur, um Daten zu übertragen. Denn Sensoren an Parkplätzen, Laternenmasten, Müllcontainern oder Feinstaub-Messstationen generieren Informationen, die an eine zentrale Plattform weitergeleitet werden müssen. Dort werden sie ausgewertet und für Anwendungen bereitgestellt.

Bei der Datenübertragung in der Smart City gibt es verschiedene Herausforderungen. Sie muss über große Strecken hinweg funktionieren und darf nicht durch Betonwände und Häuserblocks gestört werden. Außerdem sollte sie möglichst wenig Energie verbrauchen. Denn Sensoren sind meist nicht an das Stromnetz angeschlossen, sondern mit Batterien ausgestattet. Diese zu wechseln verursacht Aufwand, den Städte so selten wie möglich betreiben möchten. Darüber hinaus sollte die komplette Kommunikationsinfrastruktur möglichst preiswert sein und sich schnell aufbauen lassen. Nicht zuletzt muss die Datenübertragung sicher sein und gewährleisten, dass die Daten authentisch sind.

LoRaWAN als idealer Funkstandard für die Smart City

LoRaWAN, kurz für Long Range Wide Area Network, ist eine Funktechnologie, mit der sich die Anforderungen an die Datenübertragung in der Smart City nahezu perfekt erfüllen lassen. Sie wurde speziell für die Langstrecken-Kommunikation entwickelt und gilt als besonders störungsresistent. Ihr Vorteil liegt vor allem in der hohen Reichweite: Mit einer Basisstation lässt sich im Idealfall ein Umkreis von bis zu 15 km abdecken. Dadurch reichen wenige Gateways aus, um eine ganze Großstadt zu vernetzen.

LoRaWAN basiert auf dem offenen LoRa-Industriestandard, der ursprünglich aus der Militär- und Weltraumkommunikation stammt. Er nutzt in Europa das 868-Megaherz-Frequenzband – ein öffentliches Band, auf dem jeder Funkdienste betreiben darf, ohne dass er dafür Lizenzgebühren zahlen muss. Die Datenübertragung im LoRaWAN-Netz ist mit AES-Verschlüsselung geschützt.

Große Reichweite, hohe Latenz, geringe Datenrate

Trotz der großen Reichweite verbraucht LoRaWAN nur wenig Energie. Im Idealfall hält der Akku eines Sensors bei dieser Funktechnologie bis zu acht Jahre. Das liegt daran, dass Sensoren in einem LoRaWAN nicht kontinuierlich Daten senden, sondern nur bei Bedarf. Grundsätzlich ist eine bidirektionale Kommunikation möglich, das heißt ein Sensor kann nicht nur Informationen an den Server senden, sondern auch welche empfangen.

Dafür lassen sich drei verschiedene Modi definieren. Im einfachsten Modus folgen auf ein geplantes Uplink-Übertragungszeitfenster zwei kurze Downlink-Empfangsfenster. Ein Sensor kann also nur Daten empfangen, kurz nachdem er welche gesendet hat. Dieser Modus ist am energiesparendsten. Im zweiten Modus erhält der Sensor zusätzliche Downlink-Empfangsfenster und im dritten kommuniziert er fast ununterbrochen mit dem Server. Das verbraucht allerdings auch am meisten Strom.

Für viele Smart-City-Anwendungen eignet sich der erste, energiesparendste Modus. Ein Müllcontainer muss seinen Füllstand ja nicht laufend kommunizieren, sondern nur dann, wenn er geleert werden muss.

LoRaWAN hat allerdings auch Einschränkungen. Es beherrscht nur kleine Datenraten bis zu einer maximalen Bandbreite von 50kbps – das ist etwas langsamer als ein 56K-Modem. Für die Übertragung der meisten Sensordaten reicht das völlig aus, da es sich hier in der Regel um sehr kleine Datenpakete handelt. Videos kann man damit aber nicht streamen. Außerdem hat das Funknetz eine relativ hohe Latenz. Deshalb eignet es sich nur für Daten, die nicht in Echtzeit übertragen werden müssen.

Bei den meisten Smart-City-Anwendungen ist das kein Problem. Für autonomes Fahren, bei dem schon ein Sekundenbruchteil zählt, um die Sicherheit im Verkehr zu gewährleisten, eignet sich LoRaWAN aber nicht. Auch für kritische Infrastrukturen ist der Funkstandard nicht empfehlenswert, da hier meist eine kontinuierliche Kommunikation zwischen Server und Sensoren nötig ist. Das würde den Energiespar-Vorteil von LoRaWAN zunichtemachen.

Warum auf 5G warten, wenn LoRaWAN bereitsteht?

Der Funkstandard LoRaWAN hilft Kommunen, schnell und einfach eine geeignete Kommunikationsinfrastruktur aufzubauen. Wenn das Funknetz einmal steht, bietet es viele Optionen, Smart-City-Anwendungen zu implementieren. Zwar schafft der neue Mobilfunkstandard 5G in ein paar Jahren noch einmal ganz neue Möglichkeiten. Dennoch kann LoRaWAN im direkten Vergleich punkten.

Daher lohnt es sich, LoRaWAN einzusetzen. Denn für viele Anwendungsfälle reicht die Leistung dieser Funktechnologie völlig aus. Zudem ist sie preiswerter als 5G und steht jetzt schon zur Verfügung. Eine gute Chance also, um kostengünstig ein energieeffizientes, robustes und sicheres Funknetz mit großer Reichweite aufzubauen und mit Smart-City-Initiativen durchzustarten.

Armin Przirembel ist Leiter der Business Unit Funknetze bei Axians GA Netztechnik. Nach dem Studium zum Elektroingenieur startete Przirembel im jahr 2000 seine Laufbahn in der Mobilfunkbranche als Funknetzplaner für Vodafone, anschließend Mobilcom und E-Plus. 2005 wechselte er ins Management der heutigen Axians. Dort leitet er bis heute die Business Unit für Service und neue Märkte.
Armin Przirembel ist Leiter der Business Unit Funknetze bei Axians GA Netztechnik. Nach dem Studium zum Elektroingenieur startete Przirembel im jahr 2000 seine Laufbahn in der Mobilfunkbranche als Funknetzplaner für Vodafone, anschließend Mobilcom und E-Plus. 2005 wechselte er ins Management der heutigen Axians. Dort leitet er bis heute die Business Unit für Service und neue Märkte.
(Bild: Axians)

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