Funkstandards im Vergleich LPWAN im Vergleich zu SubGHz Meshnet

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Für die Datenübertragung über Funknetze steht mit SubGHz Meshnet eine interessante Alternative zum verbreiteten LPWAN bereit. Wo liegen Unterschiede und mögliche Vorteile? Ein direkter Vergleich und ein detaillierter Blick hinter die Funktionsweise hilft Ihrem Fachwissen auf die Sprünge.

Um SubGHz Meshnet einfach zu erklären, machen wir einen Ausflug in die Welt der Tiere. Wir springen mit unseren Gedanken zu den Grashüpfern. Diese kleinen Insekten können das Vielfache ihrer Körperlänge weit hüpfen. In unserer Grafik bewegen sie sich von Grasbüschel zu Grasbüschel. Die Grashüpfer springen aus dem Stand mehrere Meter weit. Die kleinen Tiere würden niemals auf die Idee kommen, auf einen 10.000 Meter weit entfernten Turm zu springen. Der Energieaufwand für den Sprung ist viel zu hoch. Obendrein gibt es auf der langen Strecke das Risiko der Kollision. Hinzu kommen die vielen Vögel am Himmel, welche das grüne Insekt als Leckerbissen betrachten.

Der nachfolgende Text zeigt auf, wann klassisches LPWAN gegen SubGHz Meshnet (868/915 MHz) ersetzt werden kann und welche Vorteile dadurch entstehen.

Das SubGHz Meshnet von Neocortec verhält sich im Prinzip wie die Grashüpfer. Die Datenpakete im Meshnet hüpfen ein paar Meter bis mehrere 100 m von Teilnehmer zu Teilnehmer. Jeder Teilnehmer und somit auch jeder Sensor fungiert gleichzeitig als Router. Datenpakete werden einfach weitergereicht und vom Empfängerknoten quittiert.

Wenn aus irgendwelchen Gründen das Paket nicht ankommt oder die Quittung fehlt, wird das Aussenden auf einem anderen der 15 Funkkanäle wiederholt. Wenn 15 Grashüpfer sich gemeinsam im Gras vergnügen und ein Störenfried dazu kommt, springen diese alle zufällig in irgendeine Richtung. Für den hungrigen Vogel ist es somit unmöglich, allen 15 Leckerbissen gleichzeitig zu folgen. Die Funkmodule suchen sich 15 zufällige Frequenzkanäle verteilt über das gesamte 868 MHz, 915 oder 2400 MHz Band. Diese breite Verteilung der Kanäle sorgt dafür, dass bei einem geblockten Kanal die Pakete auf einem anderen Kanal versendet werden. Das Gleiche passiert bei Mehrfachempfang mit Signalauslöschung. Eine erneute Aussendung auf einer geänderten Frequenz sorgt dafür, dass sich auch die Signalauslöschung verbessert, weil sich auch die Phasenverschiebung ändert.

Das Chaosprinzip der Grashüpfer kommt auch bei der Auswahl der 3 - 12 Nachbarknoten zum Einsatz. Der Protokollstapel nimmt nicht den Nachbarn mit der höchsten Feldstärke, sondern wählt zufällig aus. Eine Auswahl der Nachbarknoten über die Feldstärke würde dazu führen, dass der gesamte Funkverkehr über hoch montierte Knoten im Meshnet laufen würde. Die Knoten hätten dann Überlast. Durch das Zufallsprinzip verteilt sich der Funkverkehr über bis zu 65.000 Knoten gleichmäßig.

Funktechniken im Vergleich

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Vergleich mit anderen Meshnet Stacks

Bevor wir nun SubGHz Meshnet mit den bekannten LPWAN Technologien wie NB-IoT, LoRaWAN und Sigfox vergleichen, machen wir einen kurzen Sprung zu den anderen bekannten Meshnet-Technologien.

Bei Neocortec gibt es nur einen Typ von Teilnehmern. Es gibt keinen Unterschied zwischen Routern und Sensorknoten. Alle gehen gemeinsam synchron schlafen und wachen gemeinsam wieder auf. Bei ZigBee, BLE Mesh, Openthread, Z-Wave dürfen die Router im Funknetz nicht schlafen gehen und benötigen dadurch viel Energie.

Das Meshnet von Neocortec synchronisiert sich im Takt von 1 Sekunde bis 30 Sekunden. Wenn das Funknetz auf einen Takt von 30 Sekunden mit drei Nachbarn eingestellt wird, dann arbeiten die Funkmodule von zwei Standard-AA-Zellen aus dem Supermarkt mit jeweils 2500 mAh sieben Jahre; sieben Jahre mit null Aussendungen oder 200 pro Tag. Das Sync braucht die meiste Energie. Das Datenpaket ändert kaum etwas. Auch ohne Nutzdaten sind die 2 AA Zellen nach 7 Jahren entleert. Die Energiemenge pro Synchronisation wird durch die 21 Byte Payload kaum verändert.

Das bedeutet, dass ein Funknetz aus wenigen Knoten oder 65.000 Knoten jahrelang ohne Austausch der Batterien arbeitet. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass es mehrere Gateways im gleichen Meshnet erlaubt. Bei den meisten anderen genannten Technologien ist das verboten.

Mehrere räumlich getrennte parallele Funknetze sind bei Neocortec ebenfalls erlaubt. Die Knoten können wie im Mobilfunk umherwandern und sich in jedes Funknetz mit gleicher Kennung einbuchen. Die meisten anderen Technologien arbeiten im 2400-MHz-Band, Neocortec arbeitet bei SubGHz und 2400 MHz. Dadurch, dass eine Synchronisation inklusive Payload den Funkkanal nur maximal 1 ms belegt, wird sogar das kurze Duty Cycle von 0,1 % im europäischen 868 MHz Band eingehalten. Weitere Unterschiede, wie zum Beispiel die Anzahl der Hops im Meshnet, sind in der Tabelle aufgeführt.

Direkter Vergleich mit NB-IoT, LoRaWAN und Sigfox

Wir beschränken uns in diesem Artikel auf den Vergleich der Betriebskosten, den Energieverbrauch und die Übertragungssicherheit. Das Linkbudget legen wir auf 134-154 dB fest. Die 144 dB wurden gewählt, weil LoRaWAN EU im realen Betrieb nur circa 141 dB mit Spreadingfaktor 12 bietet. Die oft zitierten 165 dB erreicht man mit LoRaWAN nur im Labor. Die 154 dB haben wir gewählt, weil das bei NB-IoT dem CL Level 1 entspricht. NB-IoT mit 164 dB Linkbudget können LoRaWAN und Sigfox nicht erreichen. 164 dB Linkbudget führt bei NB-IoT zu einem sehr hohen Energieverbrauch und sollte vermieden werden. Den Payload begrenzen wir auf 12 Byte, weil Sigfox im Upload nur 12 Byte und im Download nur 8 Byte unterstützt.

Ein Sigfox-Modul vom Hersteller Wisol benötigt für das Senden von 12 Byte circa 1000 Milliwattsekunden. Um die Empfangssicherheit am Gateway zu erhöhen, sendet ein Sigfox-Modul jedes Paket dreimal auf drei unterschiedlichen Frequenzen. Bei LoRaWAN wird jedes Paket nur einmal gesendet und empfohlen, die Gateways so dicht zu platzieren, dass ein Paket dreimal empfangen werden kann. Die Empfehlung führt dazu, dass sich die Einmalkosten für ein eigenes LoRaWAN-Netz verdreifachen.

In unserer Betrachtung übernehmen wir die Idee von Sigfox und senden das Paket dreimal aus (hellblauer Balken). Der graue Balken zeigt den Spreading-Faktor 13. SF13 gibt es nicht im realen Betrieb und macht es mit NB-IoT mit 144 dB Link Budget vergleichbar. Eine Änderung des Spreading-Faktors um 1 Digit verdoppelt den Energieverbrauch. NB-IoT wiederholt von Haus aus zweimal und bei 154 dB Linkbudget sogar öfter. Um die Wiederholungen muss man sich nicht kümmern. Das macht der Protokollstapel von NB-IoT automatisch.

Da Sigfox nur vier Meldungen pro Tag mit 8 Byte im Download empfangen kann, betrachten wir in der Energiebilanz nur ein reines Upload von Daten ohne Quittungsbetrieb. LoRaWAN mit 10 % Duty Cycle kann ebenfalls wenig Download anbieten. Bei maximaler Sendezeit von 360 Sekunden pro Stunde und 2 Sekunden mittlerer Länge des Telegramms wird ein Gateway auf 180 Quittungen pro Stunde begrenzt. Echter Quittungsbetrieb ist mit LoRaWAN schwer möglich.

NB-IoT bietet uns unlimitierten Upload und Download. Dort kann problemlos jede Meldung quittiert werden. Das führt aber zu einer annähernden Verdopplung des Energieverbrauchs. Sicherheit durch Quittung hat ihren Preis.

Eine ähnliche Verdopplung des Verbrauchs findet man beim Quittungsbetrieb mit LoRaWAN und Sigfox. Bei Neocortec ist die Quittung jedes Pakets Standard und lässt sich gar nicht deaktivieren. In Summe haben wir den Vergleich auf den kleinsten gemeinsamen Nenner reduziert. Wie wir in der nachfolgenden Betrachtung erkennen, benötigt Neocortec deutlich weniger Energie - inklusive der Quittierung aller Meldungen. LoRaWAN und NB-IoT regeln den Energieverbrauch in Abhängigkeit des Linkbudgets (Entfernung zum Gateway) nach, und bei Sigfox ist der Verbrauch total statisch. Der rote Balken bleibt konstant bei 1000 mWs.

Neben den 12 Byte Payload haben wir auf 140 Meldungen pro Tag begrenzt, weil mehr als das bei Sigfox nicht möglich sind. Auch bei LoRaWAN ist die Menge möglicher Meldungen durch das Duty Cycle begrenzt. NB-IoT hat keine Limitierung im Duty Cycle, dennoch lassen die Netzbetreiber nicht beliebig viel Datenkommunikation pro Monat und Gerät zu.

SubGHz Meshnet mit Neocortec unterstützt 21 Byte Payload pro Meldung und das Meshnet kann dynamisch vom energiesparenden Betrieb mit 30-Sekundentakt auf 1-Sekundentakt umgeschaltet werden. Hinzu kommt, dass es einen Broadcast an mehrere Teilnehmer gibt, um die Last im Netz zu vermindern. Die Krönung ist, dass bis zu 100 von ihnen direkt miteinander kommunizieren können, ohne den Datenverkehr über das Gateway zu leiten. Eine Kommunikation von Knoten zu Knoten gibt es bei LPWAN und vielen anderen Meshnet-Technologien nicht. Zu guter Letzt darf man in einem Neocortec-Meshnet mehr als ein Gateway im Betrieb haben, um die Redundanz bei Ausfall eines Gateways zu erhöhen oder um die Netzlast zu verteilen.

Bei 140 Meldungen pro Tag entsteht im SubGHz Meshnet ein Energieverbrauch von 4200 Milliwatt Sekunden pro Tag. Wenn man keine oder nur eine Meldung verschickt, dann sind es fast immer noch 4200 Milliwattsekunden. Verdoppelt man auf 280 Meldungen, sind es weiterhin ca. 4200 Milliwattsekunden. Keine Meldung oder auch ganz viele Meldungen machen also keinen großen Unterschied im Energieverbrauch. Bei NB-IoT, LoRaWAN und Sigfox steigt der Energieverbrauch proportional mit der Anzahl der Meldungen an. Gleichzeitig wird bei Änderung des Linkbudgets beziehungsweise der Entfernung der Energieverbrauch bei NB-IoT und LoRaWAN nachgeregelt. Sigfox ist statisch und regelt nicht nach. Wenn wir nun die 140 Meldungen mit Sigfox mit 140.000 Milliwattsekunden pro Tag den 4200 Milliwattsekunden mit Neocortec-Meshnet gegenüberstellen, dann entdecken wir, dass der Energieverbrauch mit Sigfox 33 x höher ist als mit Neocortec. Aus den 7 Jahren mit dem beiden AA Zellen mit Neocortec werden 2,5 Monate mit dem Sigfox-Modul.

Smart City

Frankfurt am Main startet LoRaWAN-Funk-Datennetz

Bei LoRaWAN und NB-IoT sieht es nicht viel besser aus. Das Sigfox-Modul sendet und hofft, dass die Meldung ankommt. Beim Neocortec-Modul werden alle Meldungen quittiert. Da das Netz alle 30 Sekunden synchronisiert wird, wird ein Ausfall eines Netzknotens zeitnah detektiert, weil das Gateway die Synchronisation des fehlenden Teilnehmers vermissen wird. Ein Ausfall eines Knotens fällt somit sofort auf. Beim klassischen LPWAN fällt es erst auf, wenn die zyklische Meldung im Upload mehrfach nicht ankommt. Eine fehlende Meldung im Upload bedeutet, dass der Knoten ausgefallen ist oder die Funkverbindung gestört ist.

Durch das zyklische Synchronisieren ist Neocortec den klassischen LPWAN-Technologien weit überlegen. Die Betriebssicherheit ist viel höher. Ein solches SubGHz Meshnet mit mehreren Gateways hat bei Ausfall mehrfache Redundanz. Wenn ein Gateway ausfällt, merkt das der Server. Der Funkverkehr läuft dann über ein anderes Gateway weiter. Dem Gateway (NB-IoT, LTEM, GSM, Neocortec mit Quectel BG95) von Triptec stehen in Deutschland acht zellulare Funknetze zur Verfügung. Ein solches Gateway wird nicht im tiefen Keller oder ebenerdig zwischen den Pumpen eines Kesselhauses installiert, sondern oben auf dem Dach. Dadurch können sich die Gateways mit acht Funknetzen verbinden. Wenn man einen Suchlauf nach GSM beziehungsweise LTE im Raum Frankfurt macht, dann stellt man fest, dass man über 100 Basisstationen zur Auswahl hat. Dass alle Basisstationen von drei Netzbetreibern gleichzeitig ausfallen, ist eher unwahrscheinlich. SubGHz Meshnet benötigt nicht nur viel kleinere Batterien, sondern hat deutlich weniger Wartungszyklen und ist durch Multi-Gateway mit multi-zellularen Funknetzen extrem betriebsbetriebssicher.

experte Integrierte Konnektivität

Hat die SIM-Karte bald ausgedient?

Kosten für die Kommunikation

Bei NB-IoT liegen die Kosten für die Kommunikation mit reichlich Datenvolumen bei einem Euro pro Jahr beziehungsweise kostet es 1,60 € pro Jahr, wenn man nationales NB-IoT Roaming und europaweites NB-IoT Roaming benutzen möchte. Für diesen Preis sind für Deutschland die drei GSM Netze und die bald vorhandenen LTE-Netze enthalten. Teilt man diesen Jahrespreis durch acht (3 GSM , 2 NB-IoT, 3 LTE-M), ergibt das folglich 0,20 € pro Jahr und pro Netz - ein sehr guter und fairer Preis. Für die 1,60 € pro Jahr bekommt man über 80.000 Basisstationen versus 2400 geplanten Basisstationen bei Sigfox.

Wem die 1,60 € pro Jahr zu teuer sind, kann auf die theoretischen 0 € pro Jahr mit LoRaWAN zurückgreifen. In der Realität ist aber auch diese Lösung nicht gänzlich gratis, da die Lizenzgebühr für den LoRaWAN-Server mehrere Tausend Euro beträgt und weil man für jeden ausgeschalteten LoRa-Knoten pro Monat noch einmal extra bezahlen muss.

Die LoRaWAN-Gateways mit den Antennen und der Installation generieren ebenfalls Einmalkosten von mehreren Tausend Euro. Wenn man die hohen Standorte zur Installation der Gateways nicht selbst besitzt, muss man 300 - 3000 € Mietkosten pro Monat annehmen. Aus den 0 € Lizenzkosten für die Sendefrequenz werden so schnell mehr als 1,60 € pro Knoten im Jahr.

Beim SubGHz Meshnet von Neocortec sieht das viel besser aus. Es entstehen dort keine Lizenzkosten für einen Kommunikationsserver, keine Kosten pro Knoten für die Aufschaltung auf den Server, keine Kosten für die Installation auf hohen Gebäuden und keine Kosten für die Miete auf den hohen Gebäuden. Neocortec bietet gegenwärtig also reale 0 €.

Beispiele für Anwendungen im SubGHz Meshnet

Der Zeitraum Januar bis März 2020 war laut des Deutschen Wetterdiensts das wärmste erste Quartal seit 100 Jahren. Es war ein halbes Grad wärmer als im Rekordjahr 1990. Wassergüte und Wasserknappheit sind in diesem Kontext ein wichtiges Thema. Und daher fokussieren wir dieses Element auch in den nachfolgenden Beispielen.

Abwasser in der Kläranlage

Kläranlagen sind ein typisches Beispiel für viele Sensoren und Aktoren auf einer begrenzten Fläche. Da bei dem SubGHz Meshnet von Neocortec im Gegensatz zu anderen Marktbegleitern keine Planung des Meshnet notwendig ist, fallen hierfür dort auch keine Kosten an.

Das Funknetz in der Kläranlage baut sich eigenständig auf und sucht sich selbstständig das Gateway und somit dem Weg zum Server. Auch hier reduzieren sich die Kommunikationskosten pro Knoten auf null Euro und es bleiben nur 1 bis 2 SIM-Karten in den Gateways übrig. Hinzu kommt, dass Energie und Zeit eingespart werden, weil der Sensor seine Meldung beispielsweise auch per Broadcast an mehrere Aktoren direkt senden kann, ohne den Umweg über das Gateway zum Server und dann zurück zum Aktor zu nehmen. Edge-Computing oder Cloud-Computing - man kann frei wählen.

Wasser im Abwasserkanal

Was für die Kommunikationskosten in der Kläranlage gilt, kann auch auf die Kommunikationskosten für die Sensoren im Abwasserkanal übertragen werden. Hinzu kommt, dass klassisches LPWAN durch das Erdreich oberhalb des Abwasserkanals stark gedämpft wird. Wenn überhaupt ein Signal ankommt, dann ist ein hoher Energieaufwand notwendig, um die weit entfernten Antennen zu erreichen.

Bei einem SubGHz Meshnet baut sich das Netz im Abwasserkanal selbstständig auf und man muss nur an einer oder auch mehreren Stellen das Netz mit ein paar Knoten in Richtung Erdoberfläche verlängern. An der Erdoberfläche finden sich dann die Gateways, welche über eines der redundanten, zellularen Funknetze die Kommunikation zum Server aufbauen.

Frischwasser am Fischteich

Der Fischteich ist ein klassisches Beispiel für die Wassergüte. Wenn die Pumpe am Fischteich nicht anläuft, schwimmen die Fische ganz schnell oben. Die Steuerung der Pumpe kann im SubGHz-Meshnet direkt vom Sensor erfolgen. Parallel zum Steuersignal zum Einschalten der Pumpe kann hier ein weiterer Sensor die Vibration erfassen und damit eine Meldung an den Server senden. Sollte der Sensor oder die Pumpe selbst ausfallen, wird das detektiert. Der ausgefallene Sensor wird sofort erkannt, weil dieser keine Signale zur Synchronisation versendet. Beim klassischen LPWAN ist eine zeitnahe, energiearme Erkennung der ausgefallenen Knoten nicht möglich.

Bewässerung und Bodenfeuchtigkeit im Gewächshaus

In Gewächshäusern und in Folientunneln findet man viele Sensoren, welche die Feuchtigkeit im Boden und in der Luft sowie die Temperatur messen. Auf einer riesigen Fläche mit vielen Messpunkten entstehen nur Kommunikationskosten für die SIM-Karten in den Gateways. Wir reden hier wieder über 1,00 bis 1,60 € pro Jahr und Gateway für SIM-Karten mit Hunderten von Knoten im Meshnet, welche 0 € Kommunikationskosten pro Jahr verursachen. Hinzu kommt, dass Sensormeldungen direkt an die Aktoren gesendet werden können, ohne den Umweg über den Server zu nehmen. Wenn die Wetterstation in der Nähe der Gewächshäuser Windböen feststellt, kann die Meldung zum Schließen der Fenster direkt gesendet werden, ohne den Umweg über die Cloud zu nehmen.

Überwachung der Kühlkette bei Nahrungsmitteln

Die Überwachung der Kühlkette von Nahrungsmitteln ist ein klassisches Beispiel für ein mobiles SubGHz-Meshnet, in dem sich die Knoten ständig bewegen und sich das Netz immer wieder erneut aufbauen muss. Das mit kostbarem Wasser produzierte Gemüse muss geerntet werden und dann gekühlt zum Verbraucher kommen.

An der Produktionsstätte wird es verpackt und die Temperatur erstmalig überwacht. In den Transportfahrzeugen gibt es mobile SubGHz Meshnet zu Zellular Gateways, welche sich mit dem Server verbinden. Sobald die Ware in den Lagerhallen ankommt, wird dort ebenfalls die Kühlkette überwacht. Es kommen Tausende von Transportkisten mit Funksensoren zum Einsatz. Die Kommunikationskosten reduzieren sich pro Kiste auf 0 €. Nur in den Gateways kommen SIM-Karten mit Kosten von 1,00 € bis 1,60 € pro Jahr zum Einsatz.

Handterminals beim Roten Kreuz auf den Philippinen

Im Katastrophenfall bricht sehr oft die Kommunikation über klassische, terrestrische Funknetze wie auch die Wasserversorgung zusammen. Da bei Neocortec jeder Knoten gleichzeitig Router ist, werden in dieser Anwendung die Daten von Handgerät zu Handgerät gereicht. Am Ende kommen diese sicher an einem der Gateways an. Die Rettungskräfte übertragen mit dem Terminal die Anzahl der Verletzten und die Art der Verletzung. Die Einsatzleitung generiert aus den eingehenden Daten den Einsatzplan. Die Kommunikationskosten pro Handterminal betragen hier wieder 0 €.

Mehr zum Thema LPWAN und SubGHz Meshnet

Am 24. September 2020 findet in Reichenwalde bei Berlin ein Seminar mit dem Titel „LPWAN und energiearme Alternativen“ statt.
Neben Referenten aus dem Bereich LPWAN ist auch Neocortec mit SubGHz Meshnet vor Ort und wird den geringen Energieverbrauch von nur 4200 Milliwattsekunden bei 500 m Reichweite unter Beweis stellen. Triptec wird das Gateway (Neocortec Meshnet, NB-IoT, LTEM, GSM) in Betrieb nehmen und erklären, wie man seine IoT-Platine aufbaut bzw. wie man integrierte Antennen auswählt und vermisst. Der Autor dieses Artikels wird aus seinem LPWAN Cookbook zitieren, und weitere Referenten werden erklären, wie man ein drahtloses IoT-Produkt durch die Funkzertifizierung bringt.

Weitere Informationen zum Seminar

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