Definition Was ist LPWAN?

Der Begriff Low Power Wide Area Network (LPWAN) steht für Konzepte und Technologien, mit denen sich Geräte mit geringem Energiebedarf über größere Entfernungen drahtlos vernetzen lassen. Typische Einsatzbereiche sind das Internet der Dinge (IoT) und Machine-to-Machine-Anwendungen (M2M-Anwendungen). Zu den LPWAN-Technologien zählen zum Beispiel LoRaWAN, Sigfox, LTE-M, RPMA, Wi-Fi HaLow und einige mehr.

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Das Akronym für Low Power Wide Area Network ist LPWAN. Teilweise wird auch nur das Kürzel LPWA verwendet. Die deutsche Übersetzung lautet Niedrigenergieweitverkehrsnetz. Es handelt sich um Konzepte und sowohl proprietäre als auch standardisierte Technologien und Netzwerkprotokolle, mit denen sich Geräte energieeffizient über größere Entfernungen drahtlos vernetzen lassen.

Zur Vernetzung kommen lizenzierte und nicht-lizenzierte Frequenzbereiche im Sub-GHz-Bereich aber auch in höheren Frequenzbereichen zum Einsatz, mit denen sich die gewünschten Reichweiten erzielen lassen. Die in einem LPWAN möglichen Datenraten sind im Vergleich zu klassischen WLANs oder Mobilfunknetzen deutlich niedriger und bewegen sich in einem Bereich von wenigen 100 bit/s oder einigen Kbit/s bis maximal einige 100 Kbit/s.

Typische Geräte, die über ein Low Power Wide Area Network vernetzt werden, sind batteriebetriebene Sensoren für Anwendungen des Internets der Dinge (IoT, Internet of Things) oder der Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M-Kommunikation). Weltweit sind bereits einige Low-Power-Wide-Area-Netz realisiert. Ein sehr bekanntes LPWAN ist das Sigfox-Netz des gleichnamigen französischen Telekommunikationsunternehmens Sigfox. Weitere LPWAN-Technologien und Konzepte sind zum Beispiel LoRaWAN, LTE-M, RPMA, Weightless, NarrowBand-IoT (NB-IoT), Wi-Fi HaLow oder Mioty. Low-Power-Wide-Area-Netze werden für einzelne Anwendungen spezifisch oder für allgemeinere Anwendungsszenarien von Netzanbietern wie Mobilfunkprovidern realisiert und betrieben.

Grundsätzliches zur LPWAN-Technik

Ein LPWAN hat diese vier zentralen Anforderungen zu erfüllen:

• 1. geringer Energieverbrauch der vernetzten Geräte

• 2. geringe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Endgeräte und ihrer Hard- und Software

• 3. Überbrückung größerer Entfernungen

• 4. Einbindung einer großen Anzahl von Teilnehmern in das Netzwerk

Da die typischen Anwendungen des LPWAN wie IoT- und M2M-Anwendungen mit geringen Bandbreiten auskommen, genügen Datenraten von wenigen 100 bit/s bis einigen 100 Kbit/s. Herkömmliche Netzwerktechnologien und -standards aus dem WLAN- und Mobilfunkbereich erfüllen die Anforderung hinsichtlich Energieeffizienz, Reichweite und Teilnehmerzahl nur teilweise oder sehr eingeschränkt. Ein über ein Low Power Wide Area Network vernetztes und mit Batterien versorgtes Endgerät lässt sich bis zu mehreren Jahren ohne Batteriewechsel betreiben. Als Übertragungsfrequenzen nutzen Low Power Wide Area Networks lizenzierte oder nicht-lizenzierte Frequenzbereiche, mit denen größere Entfernungen überbrückbar sind. Dazu zählen Frequenzen im Sub-GHz-Bereich mit niedrigen Freiraumdämpfungen wie das 868-MHz-Funkband. Zum Teil kommen aber auch Frequenzbereiche größer ein Gigahertz wie das lizenzfreie 2,4-GHz-Band zum Einsatz.

Oft basieren die Standards und Konzepte eines Low Power Wide Area Networks auf einer sternförmigen Netztopologie, bei der jedes Endgerät direkt mit zentralen Zugangspunkten verbunden ist. Größere Entfernungen lassen sich über Long-Range-Gateways realisieren.

Besondere Herausforderungen sind im Bereich der LPWAN-Sicherheit zu meistern. Da die Endgeräte hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Hard- und Software beschränkt sind, lassen sich aufwendige Authentifizierungs- und Verschlüsselungskonzepte mit State-of-the-Art-Technologien und -Schlüssellängen nicht immer umsetzen. Daher erreichen die verschiedenen Protokolle, Standards und Konzepte teils sehr unterschiedliche Sicherheitsniveaus. Das LoRaWAN bietet beispielsweise 128-Bit-AES-Verschlüsselung und Authentisierung und damit ein akzeptables Sicherheitslevel. Einige mobilfunkbasierte Technologien wie LTE-M nutzen Authentisierungsmechanismen der vorhandenen Mobilfunknetze.

Verfügbare LPWAN-Standards, -Technologien und -Netze

Wie eingangs beschrieben, handelt es sich bei Low Power Wide Area Network nicht um einen einzelnen Standard, sondern um eine Gruppe von sowohl proprietären als auch standardisierten Technologien, Netzwerkprotokollen und Netzwerkimplementierungen. Es hat sich eine große Vielfalt an Konzepten entwickelt und zahlreiche Standardisierungsgremien und Unternehmen sind in diesem Bereich aktiv. Im Folgenden exemplarisch einige kurze Beschreibungen wichtiger Standards, Technologien und Netze im LPWAN-Umfeld:

Long Range Wide Area Network (LoRaWAN)

Long Range Wide Area Network ist von der LoRa Alliance standardisiert. Die Technologie nutzt Frequenzen im Sub-Gigahertz-Bereich für Entfernungen von mehreren Kilometern und verwendet eine Variante der CSS-Modulation. Obwohl das LoRaWAN-Protokoll ein offener Standard ist, sind geeignete Kommunikations-Chips nur von wenigen Herstellern verfügbar. Die Topologie des Netzes ist baumartig und nutzt Gateways zur Anbindung der Endgeräte. Das Long Range Wide Area Network definiert den MAC-Layer und verwendet zur Vernetzung der Gateways das Internet-Protokoll (IP). Bei den Endgeräten werden drei Geräteklassen (A, B und C) mit verschiedenen Synchronisiations- und Kommunikationseigenschaften und unterschiedlichem Energieverbrauch definiert.

Sigfox

Sigfox ist ein LPWAN mit proprietärer Technik des gleichnamigen französischen Telekommunikationsunternehmens Sigfox. Es ist eines der weltweit verbreitetsten LPWANs mit einer guten Abdeckung in vielen Ländern. Es arbeitet in einem schmalbandigen Frequenzbereich bei 868 MHz oder 902 MHz und lässt in jedem Land nur einen einzigen Netzbetreiber zu. Die Technik erzielt Reichweiten von 50 Kilometern und mehr, ist aber hinsichtlich der Datenrate stark beschränkt. Je nach Region liegen die Übertragungsraten in einem Bereich von nur wenigen hundert Bit pro Sekunde. In einer Nachricht lassen sich Nutzlasten von maximal zwölf Byte übertragen. Im Downlink ist die maximale Größe auf acht Byte begrenzt. Je Endgerät ist die Anzahl an Nachrichten pro Tag auf 140 beschränkt.

RPMA (Random Phase Multiple Access)

Random Phase Multiple Access ist eine proprietäre Technologie von Ingenu. Sie arbeitet im 2,4-GHz-Band und erzielt Reichweiten von maximal 50 Kilometer bei freier Sicht. Die Kommunikation erfolgt bidirektional. In den USA betreibt das Unternehmen Ingenu ein LPWAN auf Basis von Random Phase Multiple Access. Aufgrund der Verwendung des stark genutzten 2,4-GHz-Frequenzbereichs ist eine gewisse Anfälligkeit für Störungen durch andere Geräte beispielsweise aus dem WLAN-Umfeld gegeben.

LTE-M (Long Term Evolution for Machines)

LTE-M ist eine auf der 4G-Mobilfunktechnik LTE basierende LPWAN-Technologie. Sie bietet im Vergleich zu anderen LPWANs recht hohe Bandbreiten. Abhängig von der jeweiligen Spezifikation (zum Beispiel LTE Cat M1 oder LTE Cat M2) liegen die maximal erreichbaren Datenraten bei mehreren 100 Kbit/s. Die 3GPP-Spezifikation (3rd Generation Partnership Project) wird von Mobilfunkprovidern eingesetzt, um Mobilfunknetze für typische M2M- und IoT-Anwendungen nutzbar zu machen. Die notwendigen 4G-Halbduplex-Funkchips sind mit einem speziellen Energiesparmodus versehen. Funkverbindungen der Endgeräte sind nur für begrenzte Zeitintervalle aktiv.

Neben diesen LPWAN-Technologien, -Standards und -Netzimplementierungen existieren zahlreiche weitere wie:

• Extended Coverage GSM IoT (EC-GSM-IoT)

• NarrowBand-IoT (NB-IoT)

• Weightless

• Mioty

• Wi-Fi HaLow

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