LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT, LTE-M, GSM – Welche Technologie für welchen Anwendungsfall?

LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT, LTE-M, GSM – Welche Technologie für welchen Anwendungsfall?

Die enorme Menge an unterschiedlichen Technologien im Bereich Internet der Dinge führt oft zur Qual der Wahl. Von Hardware bis hin zur Datenanalyse gibt es zahlreiche Angebote und alle bringen ihre Vor- und Nachteile. Heute wollen wir uns mit dem Bereich der Low-Power Wide-Area (LPWA) Netzwerke befassen, dass heißt mit Funktechnologien, die energiesparend sein sollen, aber eine große Reichweite erreichen. Wir betrachten also kein Smart Home (hier ist in der Regel WiFi verfügbar, ansonsten kommen hier häufig ZigBee, Enocean oder Z-Wave zum Einsatz).

Es gibt bereits viele technische Vergleiche zu dem Thema. Eine gute Übersicht bietet zum Beispiel der Artikel Sigfox, LoRA, MIOTY und NB IoT (LTE-M) im Vergleich.

Wir werden in diesem Artikel einen anderen Weg gehen. Die technischen Vor- und Nachteile werden wir nur kurz anreisen. Der Schwerpunk liegt darauf, anhand verschiedener Anwendungsfälle eine Entscheidungshilfe zu geben.

Datenrate vs. Latenz vs. Preis

Schauen wir uns kurz die vier großen Player in dem Bereich an:

  • LTE-M kann hohe Datenraten (bis zu 1Mbit/s) und geringe Latenzen erreichen. Sowohl Uplink als auch Downlink (also Kommunikation in beide Richtungen) ist jeder Zeit möglich. Die von LTE-M genutzten Frequenzbänder sind lizenziert. Man benötigt spezielle SIM-Karten, die z.B. über Telekom, Vodafone oder 1nce verfügbar sind. Die Anbieter bieten spezielle IoT Tarife an.
  • NB-IoT nutzt ebenfalls lizenzierte Bänder und ist über die o.g. Anbieter verfügbar. Im Gegensatz zu LTE-M erreicht es nicht ganz so geringe Latenzen und geringere Datenraten (bis zu 127kbit/s), kommt allerdings besser durch Wände und verbraucht weniger Strom.
  • LoRaWAN nutzt im Gegensatz zu LTE-M und NB-IoT keine lizenzierten Bänder. Daher muss die Infrastruktur dazu in der Regel selbst aufgebaut werden. Meist wird LoRaWAN mit einer Sterntopologie als Netzwerkarchitektur verwendet, d.h., viele Endgeräte verbinden sich mit einem LoRaWAN Gateway, welches dann die Verbindung zum Backend herstellt. Es werden Reichweiten bis zu 10km erreicht und Datenraten bis zu 50kbit/s. Bei LoRaWAN muss man einen Betriebsmodi wählen. Je nach Betriebsmodi ist eine bidirektionale Kommunikation dauerhaft möglich oder es gibt nur gewisse „Receive-Windows“, in denen das Gerät auch Daten empfangen kann.
  • Sigfox ist eine proprietäre Technologie des geleichnamigen franz. Anbieters. Der Vorteil gegenüber LoRaWAN ist, dass die Infrastruktur durch Sigfox bereitgestellt wird. Sigfox bietet mittlerweile in vielen Ländern eine gute Abdeckung. Großer Nachteil von Sigfox: Aktuell ist der Datenverkehr auf 140 Datenübermittlungen pro Tag und 12 Byte pro Nachricht limitiert. Jede Nachricht wird dreimal gesendet. Wenn sie dann nicht empfangen wurde, ist sie verloren. Downlink ist nur innerhalb eines Fensters kurz nach vorangegangenem Upload möglich. Die Daten werden an eine Sigfox-Cloud übermittelt und können dort abgeholt und weiterverarbeitet werden. Im Vergleich zu LTE-M und NB-IoT ist Sigfox dafür recht günstig.

Da LTE-M und NB-IoT noch nicht überall verfügbar sind, bieten die meisten LTE-M/NB-IoT Modems noch einen Fallback auf GSM. GSM ist allerdings deutlich weniger energieeffizient.

Die Anwendungsfälle

Eine häufiges Muster, dass wir bei viele Anwendungsfällen wiederfinden, wollen wir uns am Beispiel Smart Farming anschauen.

(Icons Attribution)

Smart Framing

Im Bereich Farming hat man üblicherweise eine Vielzahl an Sensoren auf recht großer Fläche verteilt. Es gibt Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren, Sensoren für Stoffe in der Luft oder Erde, Füllstandsanzeigen für Wasser, Düngemittel und Futtermittel und manchmal sogar Feldroboter, die jede Menge Sensorik verwenden. Die meisten dieser Sensoren senden nur sehr selten Daten, beispielsweise 1x pro Tag. Eine eigene Stromversorgung ist nicht verfügbar, daher bleibt nur ein Solarbetrieb bzw. Batteriebetrieb. Eine eigene NB-IoT bzw. LTE-M Verbindung für diese Sensoren bringt unnötige Kosten mit sich. Die geringen Latenzen und vergleichsweise hohen Datenraten werden für diese Sensoren nicht wirklich benötigt und man erkauft diese zudem mit einem hohen Energiebedarf.

Eine Möglichkeit wäre, die Sensoren mit Sigfox zu nutzen. Sigfox bringt allerdings einige Nachteile die wir uns später nochmal anschauen. Wir schauen uns daher eine Alternative an. Wichtig ist hier, dass wir es mit mehren Sensoren zu tun haben, die auf einen überschaubaren Bereich verteilt sind. Das lässt sich ausnutzen. Wir müssen nämlich nicht jeden Sensor einzeln ins Internet bringen, sondern haben einen idealen Anwendungsfall für eine Gatewaylösung. An der Stelle kommt LoRaWAN ins Spiel. Die Sensoren kommunizieren per LoRa mit einem Gateway. Dieses kümmert sich dann um die Anbindung ans Internet. Außerdem kann sich das Gateway auch um die Verwaltung der Geräte, wie z.B. Over-The-Air Updates, kümmern. Inbesondere kann für Sensoren, die nicht auf direkten Downlink angewiesen sind auch der besonders energiesparende LoRaWAN Betriebsmodus gewählt werden.

Je nach gesamten Datenaufkommen und Verfügbarkeit von Stromanschluss kann dann für die Konnektivität des Gateways NB-IoT oder LTE-M gewählt werden. Theoretisch ist hier sogar eine Anbindung per LTE, 5G, WiFi oder Ethernet denkbar.

Die Architektur ist in der Abbildung weiter oben dargestellt. Dank der enorm großen Reichweite von LoRaWAN lässt sich diese Architektur auch Eins-zu-Eins auf andere Anwendungsfälle, wie z.B. Smart City, übertragen. Wenn die Reichweite mal nicht ausreichen sollte, kann man einfach mehr Gateways hinzufügen.

Weitere Anwendungsfälle

Die meisten anderen Anwendungsfälle bedürfen keiner ganz so aufwendigen Architektur. Hier ist nur wichtig, wie schnell das Gerät reagieren soll und welche Datenmengen es übermittelt. Und natürlich spielt der Preis auch immer eine Rolle. Wo Steckdose und Ethernet oder WiFi verfügbar sind, ist die Entscheidung schnell getroffen. Wenn aber nur Solarstrom oder Batterie und kein WiFi/Etherent zur Verfügung stehen wird die Entscheidung etwas schwieriger. Wir schauen uns ein paar weitere prototypische Anwendungsfälle an.

Smart Home

Wide-Area? Natürlich nicht! Wir führen Smart Home hier nur der vollständigkeitshalber auf. Im Bereich Smart Home spielen andere Technolgien eine Rolle. Für batteriebetrieben Sensoren, die geringe Datenmengen übertragen sind dies ZigBee, Z-Wave, Enocean. Für Anwendungsfälle wie Überachungskameras und Roboter (z.B. Staubsauger) kommt in der Regel WiFi zum Einsatz.

Fernsteuerbare Anlage (z.B. Schranke)

Wenn es sich um viele Geräte handelt (z.B. beim Thema Smart City), dann bietet sich wieder die für den Fall Smart Farming beschriebene Architektur an. Handelt es sich nur um wenige Geräte dann müssen wir hier sehen, dass es sich um recht geringe Datenraten handelt, nur spezielle Downlink Fenster aber keine Alternative darstellen. Immerhin wollen wir die Schranke auch fernsteuern (z.B. weil jemand seine Zutrittskarte vergessen hat). Sigfox kommt hier als nicht in Frage. Für diesen Anwendungsfall bietet sich daher NB-IoT an.

Dieser Anwendungsfall lässt sich übertragen auf viele Smart-City Anwendungsfälle (z.B. Straßenlampen), macht allerdings nur dann gegenüber der LoRaWAN Technologie Sinn, wenn diese aus anderen Gründen ausscheidet.

Smart Metering und Condition Monitoring

Beim Smart Metering geht es darum (Strom-)Messdaten an ein zentrales System zu übertertragen und dort auszuwerten. Auch hier hat man meistens viele Messgeräte auf großer Fläche. Daher bietet sich hier auch die für Smart Farming vorgestellte Kombination aus LoRaWAN und LTE-M/NB-IoT an. Gleiches gilt für Condition Monitoring. Dabei werden viele Sensorewerte permanent überwacht und daraus ein Zustand berechnet. Die Zustandsbrechnung sollte auf einem zentralen System passieren. Wenn nur wenige Anlagen überwacht werden, kommt auch die direkte Anbindung per LTE-M und NB-IoT in Frage. Da meist größere Datenmengen übertragen werden (permanente Überwachung) kommen Technologien wie Sigfox nicht in Frage. Zudem dient die Zustandsüberwachung meist dazu, dass Daten an das Gerät übertragen werden müssen, um den Zustand in die gewünschte Richtung zu ändern. Es ist daher ein Downlink notwendig und geringe Latenzen sind ebenfalls wünschenswert.

Smart Factory

Auch bei Smart Factory handelt es sich um keinen klassischen LPWA Anwendungsfall. Man es hier mit sehr großen Datenmengen zu tun und üblicherweise auch Stromanschlüsse, Ethernet oder WiFi verfügbar. Falls eine andere Funktechnologie benötigt wird, ist wegen der großen Datenmengen eher LTE oder 5G zu wählen.

Kamerabilddaten

Ob Verkehrsüberachung, Wildkameras oder Überwachungskameras, es gibt sehr viele Anwendungsfälle, bei denen Bilddaten übertragen werden müssen. Die Übertragung von Bildaten ist meist nicht energiesparend möglich. Hier bieten sich eher Technologien wie 5G und LTE an. Häufig kann man die Bilddaten aber vor Ort verarbeiten. Z.B. kann man bei einer Wildkamera bei erkannter Bewegung nur ein Bild übertragen oder sogar nur die Information, dass eine Bewegung erkannt wurde. In dem Fall kommen LTE-M oder NB-IoT zum Einsatz.

Smart Wearables

Bei Smart Wearables kam bisher meistens LTE zum Einsatz. Energieeffizienz ist hier aber ein wichtiger Punkt, immerhin will man nicht mehrmals am Tag sein Wearable laden. Daher bietet sich hier auch LTE-M an, um die Energieeffizienz zu steigern.

Asset Tacking

Beim Tracking von Gütern und anderen Assets werden üblicherweise nur Ortsinformationen, teilweise auch andere Sensorinformationen übertragen. Man steht allerdings vor der Herausforderung, dass man nicht im gesamten Trackinggebiet eine gute Abdeckung aller Funktechnologien hat. Man sollte hier mit Modulen arbeiten, die Fallbackmöglichkeiten anbieten. NB-IoT mit Fallback auf GSM ist hier eine gute Möglichkeit.

Grenzfälle

Bei vielen der vorgestellten Anwendungsfälle kann es auch vorkommen, dass WiFi oder Ethernet in der Nähe ist. Wenn außerdem eine außreichend große Solarzelle oder gar Stromleitung verfügbar ist, dann ist es oft sinnvoll die entsprechende LPWA Technologie durch WiFi/Ethernet auszutauschen. Z.B. könnte das LoRa-Gateway im Smart Farming Anwendungsfall an einem Haus stehen, bei dem WiFi verfügbar ist. In dem Fall hätte man hier auch über WiFi gehen können. Außerdem kommt LTE oder 5G auch häufig dort in Frage, wo außreichend Strom verfügbar sind und geringe Latenzen bzw. hohe Datenraten notwendig sind. Für unseren Smart Farming Anwendungsfall wäre das z.B. für eine sehr große Anzahl von Sensoren der Fall (oder wenn eine hohe Auflösung der Daten gewünscht ist).

Sigfox bietet sich unserer Meinung nach nur für sehr wenige Anwendungsfälle an, nämlich dann, wenn nur sehr wenige Geräte, sehr weit voneinander entfernt sind und nur sehr wenige Daten übertragen müssen. In vielen Fällen, kann man sich mit einer Kombination von anderen Technologien behelfen und muss die erheblichen Nachteile (Risiko Nachrichten zu verlieren, nur sehr wenige Daten die pro Tag übertragen werden können,…) von Sigfox nicht in Kauf nehmen.

Wir haben uns eine Standardarchitektur aus Kombination von LoRaWAN und anderen Funktechnologien angeschaut, die in der untenstehenden Skizze nochmal zusammengefasst ist.

(Icons Attribution)

Wir empfehlen diese Architektur für viele Anwendungsfälle, denn sie bietet einen optimalen Kompromiss aus Energieeffizienz, geringen Latenzen und hohen Datenraten bei geringen Kosten für die Infrastruktur. Diese Architektur wird in Zukunft die Basis für viele Anwendungsfälle im Internet der Dinge bilden.

Christof Tinnes

Christof Tinnes

Co-Founder

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