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IoT-Funktechnik: LoRaWAN macht die City smart

Wie können viele IoT-Geräte angeschlossen werden und gleichzeitig energieeffizient kommunizieren? Womit kann man Sensoren, die selbst in tieferen Kellern von Gebäuden installiert sind, per Funk anschließen? Wie werden Abfallbehälter oder Parkplätze intelligent? Die Antwort lautet: LoRaWAN.

Smart City Parkraummanagement Bildquelle: © Vadim Georgiev-123rf

Das Internet der Dinge wächst rasant. Es wird geschätzt, dass bis zum Jahr 2020 annähernd 40 Milliarden IoT-Geräte online sein werden. Natürlich macht der Fortschritt auch nicht vor den Städten halt: Immer häufiger werden im öffentlichen Raum intelligente Funktionen integriert, die Energie sparen, den Komfort für die Bürger erhöhen und den Verwaltungsaufwand verringern. Dabei gibt es unzählige Möglichkeiten, wie die smarten IoT-Geräte unseren Alltag erleichtern können.

Vergleich von Sigfox, LoRa und NB-IoT Bildquelle: © Bild: „A comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT“, KICS, 2017

Vergleich von Sigfox, LoRa und Narrowband-IoT mit Bezug auf IoT-relevante Faktoren wie Latenz, Kosteneffizienz oder Abdeckung.

Smart City: Die Zukunft hat bereits begonnen
So sind beispielsweise an vielbefahrenen Straßen Messstationen installiert, welche konstant die Luftqualität überwachen. Werden nun zulässige Grenzwerte überschritten, kann die Stadtverwaltung umgehend notwendige Maßnahmen ergreifen. Die effiziente Verwaltung öffentlicher Parkflächen ist ein weiteres Anwendungsgebiet: In jedem Parkplatz wird dabei ein Sensor integriert, welcher der Leitstelle anzeigt, ob dieser belegt ist. Speziell in Metropolen kann so über Hinweistafeln oder Apps dem Autofahrer angezeigt werden, wo aktuell noch ein freier Platz zu finden ist. Ebenfalls ein interessantes Anwendungsgebiet sind intelligente Abfallbehälter: Ein eingebauter Sensor überwacht den Füllstand von Müllbehältern und meldet automatisch dem Entsorgungsunternehmen, wenn diese voll sind. Der Entsorger kann so die Routen seiner Fahrzeuge mit maximaler Effizienz planen und damit Fahrkosten sparen und Ressourcen für Leerungen optimal einsetzen. Eine weitere spannende Anwendungsmöglichkeit ist das Car Tracking. Damit können beispielsweise Autohäuser oder Ausrüster ihre Fahrzeuge auf ihrem Betriebsgelände lokalisieren und in den Nachtstunden oder am Wochenende automatisch mit Sensoren überwachen.

Schaut man sich die genannten Beispiele an, wird deutlich, dass die Anzahl der benötigten IoT-Geräte sehr hoch ist. Damit auch Tausende dieser Geräte in der Lage sind, störungsfrei zu kommunizieren, werden gewisse Anforderungen an die Vernetzung gestellt: Ganz oben steht dabei ein möglichst geringer Energieverbrauch. Da nicht überall ein Stromanschluss vorhanden oder sinnvoll ist – man denke an die intelligente Mülltonne –, bietet sich eine Energieversorgung über Batterien an. Ebenfalls unabdingbar ist eine möglichst hohe Reichweite in Kombination mit günstigen Verbindungskosten. Gerade in urbanen Gebieten ist es von besonderer Bedeutung, dass die Modulationsverfahren und die Funkfrequenzen der Sendesignale Hindernisse wie etwa Gebäude durchdringen. Ebenfalls ist die Integrität der Datenübertragung mit einer robusten Verschlüsselung zu gewährleisten. Die gängigen Mobilfunktechnologien oder WLAN-Netze erfüllen diese Anforderungen, wenn überhaupt, nur teilweise. Genau an diesem Punkt kommt das LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ins Spiel. Der Begriff beschreibt dabei eine Funktechnologie, die auf dem offenen LoRa-Industriestandard basiert und die lizenzfreien ISM-Bänder im Bereich um 868 MHz in Europa verwendet. Die Technologie wurde eigens entwickelt, um auf engem Raum eine Vielzahl von IoT-Geräten betreiben und verwalten zu können, und ist aufgrund der eingesetzten Frequenzspreizung weitgehend resistent gegen Störstrahlung.

IoT-Funktechnik by Design
Während beispielsweise bei Mobilfunknetzen eine möglichst hohe Bandbreite im Vordergrund steht, liegt der Schwerpunkt bei LoRa auf einer großen Reichweite in Verbindung mit einer guten Energieeffizienz sowie einer möglichst hohen Durchdringung. Die einzelnen Geräte kommunizieren dabei untereinander auf unterschiedlichen Frequenzkanälen und mit verschiedenen Datenraten. Angesichts der Übertragungsgeschwindigkeiten von lediglich 0,3 bis 50 kBit/s wird schnell ersichtlich, dass sich der LoRa-Standard nicht zum Transfer großer Datenmengen eignet. Dies ist aber auch nicht beabsichtigt, da IoT-Geräte lediglich Messdaten und Statusinformationen senden – und das gewöhnlich auch nur bei einer Zustandsänderung. Viel wichtiger ist stattdessen eine starke Penetrationsfähigkeit von Hindernissen. Schlüssel dazu ist ein hohes Link Budget, das heißt eine hohe Leistungsübertragungsbilanz bei der Verbindung zwischen Sender und Empfänger. Ein Vorteil der LoRa-Technologie ist deren mögliche bidirektionale Datenübertragung: Damit lassen sich nicht nur Daten einsammeln, sondern sie ermöglicht eine aktive Steuerung der Geräte über das LoRaWAN-Netz. Die standardisierten Schnittstellen (API) der LoRaWAN-Infrastruktur erlauben es, Sensoren und Applikationen schnell und flexibel anzubinden. Die Sensordaten werden dabei verschlüsselt bis zur Cloud-Anwendung transportiert.