NB IoT und LoRaWAN - Eine Einordnung und der Status Quo

Das Internet der Dinge, Smart City, Industrie 4.0, Digitalisierung und Automatisierung, das sind Begriffe, die sich alle mit einem Thema befassen: Wie können wir technische Prozesse transparenter, effizienter, ökologischer und humaner gestalten? 

Unabhängig vom Einzelfall geht es immer darum Ereignisse zu erfassen, zu übertragen, an einer Stelle zu speichern, aus den gewonnenen Daten die richtigen Schlüsse ziehen und dann regelbasiert Prozesse anzusteuern, Befehle zu senden und Maschinen zu steuern. Dafür sind Übertragungseinheiten erforderlich, die alle Komponenten in geeigneter Form miteinander vernetzen. Die klassischen Netzwerkinfrastrukturen wie WLAN, DSL, Bluetooth oder Mobilfunk sind oft nicht verfügbar, nicht praktikabel genug oder unrentabel, weil sie am gewünschten Ort nicht verfügbar sind, eine Energieversorgung für Sensorik nicht vorhanden ist oder bauliche bzw. andere physikalische Parameter dem entgegenstehen.

Flächendeckende Übertragung mit NB IoT und LoRaWAN

Immer dann, wenn Ereignisse erfasst werden müssen und die klassischen Übertragungswege nicht verfügbar sind, werden Techniken gesucht die mit geringem Stromverbrauch über große Reichweiten  oder durch „dicke“ Mauern Datenübertragung ermöglichen. Mit NB IoT (NarrowBand IoT) und LoRaWAN (long range wide area network) stehen zwei etablierte Übertragungsnetze zur Verfügung, die eine flächendeckende IoT-Infrastruktur erst ermöglichen. Sie sind dabei auf die Anwendungen optimiert, die mit einer niedrigen Datenmenge und -übertragungsgeschwindigkeit auskommen. Damit wird ein großer Teil der Anwendungen abgedeckt. 
Smart City Anwendungen profitieren genauso wie technische Anforderungen in Gebäuden und Industriegebieten. Die Zusammenführung an vielen Standorten wird mit NB IoT und LoRaWAN aus wirtschaftlichen Gründen relevant. Beide Standards zeichnen sich dadurch aus, dass sie funkbasiert arbeiten und auf Grund der zugrundeliegenden Technologie hohe Reichweiten erzielen. Dabei weisen sie einen geringen Energieverbrauch auf. Üblicherweise werden die einschlägigen Sensoren und Aktoren mit Batterien betrieben, die eine Lebensdauer von mehreren Jahren anbieten. Die Sensoren senden den Status der Batterieversorgung zudem mit, sodass ein planbarer Austausch der Batterien gewährleitet ist.

NB IoT bietet auch an schwer zugänglichen Orten und Räumen eine gute Funkversorgung

NB IoT (NarrowBand IoT) ist ein Funkstandard, der dafür vorgesehen ist, Geräte im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) zu vernetzen. Er ermöglicht die schmalbandige Datenübertragung und bietet eine gute Netzabdeckung. NB IoT basiert auf bestehenden Mobilfunknetzen, benötigt aber auf Endgeräteseite wesentlich weniger Energie als herkömmliche Mobilfunkgeräte wie Smartphones oder Handys. So können vernetzte IoT-Geräte schon mit kleinen Batterien problemlos über lange Zeiträume kommunizieren.
Im Gegensatz zum normalen Mobilfunknetz ist die Funkversorgung bei NB IoT auch an schwer zugänglichen Orten wie in Kellerräumen gegeben. Es handelt sich bei NarrowBand IoT um eine LPWA-Technologie (Low Power Wide Area). Eine weitere Bezeichnung für NB IoT ist LTE Cat NB1. Spezifiziert ist der Standard vom 3GPP (3rd Generation Partnership Project). NB IoT wird von den in Deutschland bekannten Mobilfunkanbietern in deren Netze integriert: Inzwischen wurde eine flächendeckende Versorgung etabliert.

Die LoRaWAN-Architektur setzt sich hauptsächlich aus vier Elementen zusammen:

• Endknoten
  • Ein Endknoten ist eine Hardware mit Sensorfunktionen, einer gewissen Rechenleistung sowie einem Funkmodul zur Übertragung der Daten. Die Endgeräte können über einen UP- und einen Downlink verfügen. Es werden drei unterschiedliche Geräteklassen unterschieden.
    • Klasse A - Geräte haben den geringsten Stromverbrauch: Sie können aber einen Downlink nur dann empfangen, wenn sie vorher einen Uplink gesendet haben.Geräte der Klasse A eignen sich für das Übermitteln von Daten in zeitbasierten Intervallen (z. B. alle 15 Minuten)
    • Klasse B - Geräte ermöglichen mehr Zeitslots, verbrauchen aber auch mehr Energie
    • Klasse C Geräte hingegen verfügen über ein permanent offenes Empfangsfenster, dieses wird nur dann geschlossen, wenn eine Uplink-Nachricht gesendet wird
• Gateway (Basisstationen / Router)
  • Gateways sind Geräte, die einerseits mit Endgeräten kommunizieren und andererseits mit Netzwerkservern in Verbindung steht
• Netzwerkserver
  • Netzwerkserver stellen die Instanz dar, die Daten aus der Peripherie empfängt, verarbeitet und in die Peripherie sendet
  • Netzwerkserver sind Bestandteil der großen Netze: Weltweit verfügbar ist das The Things Network, das auch in Deutschland bereits weit verbreitet ist

• Anwendungsserver
  • Die Anwendungsserver bilden schlussendlich die gewünschte Funktionalität ab: Sie stehen im engen Kontakt zu einem oder mehreren Netzwerkservern. ATRADIS<XGuard, die IoT-Lösung von TCC ist zum Beispiel ein Anwendungsserver.

Ein technischer Vergleich zeigt die Unterschied:

Messdatenerfassung aus dem Alltag mit NB IoT und LoRaWAN

Eine der wesentlichen Anwendungen ist die Messdatenerfassung (Smart Metering): Vor allem für Gas-, Strom- und Wasserzähler wird diese Technik eingesetzt. Da sich die Zähler häufig in Kellerräumen oder an schwer zugänglichen Stellen befinden und Gas- sowie Wasserzähler keinen eigenen Stromanschluss besitzen, ist NB IoT und LoRaWAN ein gerne eingesetztes Übertragungsmedium. Aufgrund der guten Netzabdeckung und Gebäudedurchdringung können ihre Verbrauchsdaten in regelmäßigen Abständen per Funktechnik an einen zentralen Server übertragen und dort weiterverarbeitet werden. Das ist möglich, weil es sich um kleine Datenmengen handelt, die keine breitbandigen Netze erfordern. Für die Gas- und Wasserzähler ergibt sich der Vorteil, dass die Funkmodule per Batteriebetrieb über viele Jahre betreibbar sind und keine externe Stromversorgung notwendig ist. Manuelles Ablesen und Übermitteln von Zählerständen wird überflüssig. Darüber hinaus werden Einblicke in die Verbrauchscharakteristika der Haushalte möglich.

Weitere Anwendungen von NB IoT und LoRaWAN sind:

• Smart City (intelligente Stadt)
• Smart Building (intelligente Gebäude)
• Transport und Logistik
• Produktion und Industrie
• Landwirtschaft
• Sicherheitstechnik
• Lokalisation von Gegenständen
• Lokalisation von Personen oder Tieren

In intelligent vernetzten Städten setzen NB IoT und LoRaWAN ein, um beispielsweise die Straßenbeleuchtung zu steuern. Mit entsprechenden Funkmodulen ausgestattete Straßenlampen lassen sich aus der Ferne einschalten, ausschalten oder dimmen. Gleichzeitig sind sie in der Lage, Defekte an eine zentrale Stelle zu melden. Vernetzte Mülltonnen informieren Abfallentsorgungsunternehmen über ihren Füllstand und Messstellen informieren über die Luftqualität und Verschmutzung in bestimmten Bereichen. Viele weitere Anwendungen sind mit NB IoT und LoRaWAN in einer Smart City möglich. Eine umfassende Lösung für eine technische Aufgabenstellung ist immer nur so gut wie die Datenerfassung und die dazu passende Softwarelösung. TCC hat mit ATRADIS<XGuard eine Softwarelösung bereitgestellt, die Sie dabei unterstützt Ihre Produkte und Dienstleistungen zu smarten Produkten und Dienstleistungen weiterzuentwickeln. Mit ATRADIS<XGuard passt eine Smart City Lösung auch in kleine Budgets.

Wenden Sie sich gerne an die IoT-Spezialisten von TCC und buchen Sie noch heute ihren persönlichen, kostenlosen Beratungstermin.