LPWAN-Technologien: Welche ist die beste für Ihre IoT-Anwendung?

In diesem Artikel wird erörtert, wie man eine geeignete Stromsparendes Weitverkehrsnetz (LPWAN)-Technologie für eine massive Internet-of-Things (IoT)-Anwendung. LPWAN-IoT-Netzwerke werden aufgrund ihrer großen Reichweite und niedrigen Kosten immer beliebter. Zu diesem Zweck werden wir kurz die Gründe für LPWAN und seine zunehmende Beliebtheit erläutern. Anschließend werden wir die wichtigsten LPWAN-Technologien anhand ihrer Spezifikationen und Anwendungen kurz vergleichen. 

Warum ist LPWAN so beliebt? 

LPWAN ist mit der Entwicklung von massiven IoT-Anwendungen, die eine große Reichweite haben, populär geworden. Es ist jedoch nicht nur die große Reichweite, die die Popularität von LPWAN vorantreibt, sondern es gibt auch andere Gründe. Die wichtigsten Gründe für das Aufkommen von LPWAN können wie folgt identifiziert werden: 

• Protokolle wie ZigBee und BLE nicht in der Lage sind, einen Betrieb mit großer Reichweite zu unterstützen 
• Zellulare Fernko1TP14Kommunikation wie z.B. 4G-LTE und 3G verbrauchten trotz ihrer guten Abdeckung zu viel Energie 
• Der Einsatz von communication über eine große Entfernung war vergleichsweise kostspielig.

Aus den oben genannten Gründen wurden LPWAN-Technologien entwickelt, die eine große Reichweite haben und gleichzeitig wenig Energie für den Betrieb und niedrige Gerätekosten verbrauchen. Diese Faktoren waren ausschlaggebend für die Realisierung umfangreicher IoT-Anwendungen wie Smart Cities und intelligente Landwirtschaftsanwendungen. Außerdem wird geschätzt, dass zunehmend LPWAN-basierte IoT-Anwendungen in der Industrie auftauchen werden, wo 1 von 4 Industrielle IoT-Anwendungen (IIoT) werden bis 2025 LPWAN-basiert sein.  

Dementsprechend können wir feststellen, dass die große Reichweite von bis zu 15 km in einer ländlichen Umgebung, der niedrige Stromverbrauch, der zu einer Gerätelebensdauer von bis zu 10 Jahren führt, und die geringe Gerätekomplexität, die zu niedrigen Gerätekosten führt, die Hauptantriebskräfte für die Popularität der LPWAN-basierten IoT-Anwendungen sind. 

Technischer Vergleich der verschiedenen LPWAN-Optionen 

 Bevor wir uns mit den verschiedenen LPWAN-Optionen befassen, können wir die LPWAN-Technologien in zwei verschiedene Kategorien einteilen, nämlich 

• Lizenziertes LPWAN: Dies sind LPWAN-Technologien, die auf dem öffentlichen zellularen Frequenzspektrum basieren. Beispiele für lizenziertes LPWAN sind; NB-IoT und LTE-M. 
• Nicht lizenziertes LPWAN: Dies sind LPAN-Technologien, die auf unlizenziertes Frequenzspektrum. Beispiele für nicht lizenziertes LPWAN sind; LoRaWAN und Sigfox. 

Die Wahl zwischen lizenziertem und unlizenziertem LPWAN hängt von den Anforderungen der IoT-Anwendung wie Zuverlässigkeit, Sicherheit und erwartete Mobilität des gesamten Systems ab. Nachdem wir ein grundlegendes Verständnis der verschiedenen Arten von LPWAN-Technologien gewonnen haben, wollen wir nun einige LPWAN-Technologien untersuchen. 

LoRaWAN ist eine bekannte und aufstrebende LPWAN-Option, die den Betrieb batteriebetriebener Geräte mit großer Reichweite ermöglicht. Eine interessante Eigenschaft von LoRaWAN-Geräte ist ihre geringere Komplexität, die zu niedrigeren Gerätekosten führt. Es basiert auf einem nicht lizenzierten Frequenzspektrum und ist in der Lage, bidirektional zu kommunizieren, mit guter Störfestigkeit. Die Möglichkeit, private Netzwerke zu entwickeln, hebt LoRaWAN von den anderen LPWAN-Optionen ab, die wir später in diesem Artikel betrachten werden. 

Sigfox ist eine Schmalbandtechnologie, die von einem Startup-Unternehmen in Frankreich entwickelt wurde und sich am besten für Anwendungen mit geringer Bandbreite eignet, bei denen der Energieverbrauch eine größere Rolle spielt. Wie LoRaWAN arbeitet Sigfox im unlizenzierten Frequenzspektrum, hat aber im Vergleich zu LoRaWAN eine eingeschränkte bidirektionale Kommunikationsfähigkeit. Schließlich wird Sigfox für IoT-Anwendungen in Nordamerika und Europa angepasst und expandiert derzeit in Regionen wie Asien. 

NB-IoT hingegen ist ein lizenziertes LPWAN, das im zellularen Frequenzspektrum arbeitet. Es kann als die Antwort der Mobilfunknetzbetreiber auf das Aufkommen von IoT-Anwendungen betrachtet werden. Es wurde auf der Grundlage des bestehenden Mobilfunknetzes entwickelt, um IoT-Anwendungen mit geringer Bandbreite, großer Reichweite und hoher Spektraleffizienz zu ermöglichen. Auch LTE-M basiert auf einem lizenzierten Mobilfunk-Frequenzspektrum. Im Vergleich zu NB-IoT bietet LTE-M eine höhere Bandbreite und hohe Sicherheit. 

LPWAN-Option auf Basis von IoT-Funktionen 

Lassen Sie uns nun unsere LPWAN-Optionen anhand einiger kritischer IoT-Funktionen vergleichen, die für unsere IoT-Anwendungen wichtig sind. Diese sind einige der Hauptanforderungen vieler IoT-Anwendungen im Allgemeinen.  

• Dienstgüte: Quality of Service (QoS) bezieht sich auf den hohen Datenempfang mit guter immunlichkeit gegenüber Störungen durch externe Faktoren und die Fähigkeit, verschiedene Ebenen der Datenanforderungen der Endnutzer zu erfüllen. LoRaWAN und Sigfox können mit Störungen in lauten Umgebungen umgehen, aber sie verwenden asynchrone Kommunikationsprotokolle. NB-IoT hingegen verwendet LTE-basierte synchrone comm-Kommunikationsprotokolle, was die Verfügbarkeit erhöht und optimal für QoS-Dienste ist. Dies ist jedoch mit Kosten für die Implementierung verbunden. Für IoT-Anwendungen, die eine optimale Dienstgüte erfordern, ist NB-IoT daher die beste Option. 

•  Mobilität: Dies bezieht sich auf die Fähigkeit, Daten an sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Endknoten in einem Netz zu übertragen. LoRaWAN und Sigfox sind zwar in der Lage, über große Entfernungen zu kommunizieren, können aber keine Handover-Verfahren durchführen, was bei NB-IoT und LTE-M aufgrund der Nutzung des Mobilfunkfrequenzspektrums und der bestehenden Mobilfunkinfrastruktur von Natur aus möglich ist. 

• Kosten: Die Kosten sind ein wichtiger Faktor, der bei der Entwicklung von IoT-Anwendungen berücksichtigt werden muss. Bei massiven IoT-Anwendungen können diese in drei verschiedenen Hauptkomponenten bewertet werden, nämlich: 
  1. Kosten des Spektrums 
  2. Kosten des Einsatzes 
  3. Kosten des Geräts 

Was die Kosten für das Spektrum betrifft, so haben sowohl LoRaWAN als auch Sigfox keine zusätzlichen Kosten, da sie frei verfügbare unlizenzierte Frequenzen nutzen. NB-IoT und LTE-M nutzen jedoch lizenzierte Frequenzen und erfordern daher Kosten für den Erwerb von Frequenzen vom Netzbetreiber oder von der Netzregulierung in der jeweiligen Region. Auch in Bezug auf die Bereitstellungskosten haben LoRaWAN und Sigfox im Vergleich zu NB-IoT und LTE-M niedrige Bereitstellungskosten. Sigfox hätte im Vergleich zu LoRaWAN die niedrigsten Gerätekosten, während die Gerätekosten für NB-IoT mehr als $10 der Reichweite betragen können. 

• Lebensdauer der Batterie: Alle LPWAN-Technologien befinden sich im Ruhezustand, wenn sie keine Daten über das Netzwerk übertragen. Technologien wie NB-IoT verwenden jedoch synchrone communication-Protokolle, die zusätzliche Energie für die Initialisierung der communication benötigen. Daher sind Sigfox- und LoRaWAN-Geräte der Klasse A die besten Optionen für Anwendungen, die eine gute Batterielebensdauer und Leistung erfordern. 

• Reichweite des Betriebs: LoRaWAN hätte die geringste Reichweite von 12-14 km im LOS-Betrieb, während Sigfox eine Reichweite von 15-17 km hätte. NB-IoT hätte jedoch eine Reichweite von 20-22 km aufgrund der Nutzung der bestehenden Mobilfunkinfrastruktur. Die Reichweite von LTE-M wäre hingegen durch die 4G-LTE-Abdeckung in der Region begrenzt. 

• Sicherheit: In Bezug auf die Netzwerksicherheit bietet LTE-M im Vergleich zu anderen LPWAN-Technologien die besten Sicherheitsmerkmale. 

LPWAN-Option auf Basis der IoT-Anwendung 

Obwohl verschiedene Faktoren, die wir bisher betrachtet haben, uns dabei helfen, die Machbarkeit einer bestimmten LPWAN-Technologie gegenüber einer anderen zu bestimmen, ist es schwierig, eine Entscheidung zu treffen, wenn es um eine bestimmte IoT-Anwendung geht. Daher lohnt es sich, IoT-Anwendungen zu untersuchen und festzustellen, welche LPWAN-Technologie am besten geeignet ist. 

• Elektrischer Zählerstand 

Die Strommessung erfordert höhere Datenraten und eine gute Latenzleistung. Was die Batterielebensdauer angeht, so können diese Anwendungen direkt an das Stromnetz angeschlossen werden, anstatt mit Batterien betrieben zu werden. Da LoRaWAN und Sigfox hohe Latenzen und niedrige Datenraten haben, können wir uns auf zuverlässigeres NB-IoT mit geringerer Latenz verlassen, um diese Art von Strommessanwendungen zu realisieren. 

• Intelligente Landwirtschaft 

In der intelligenten Landwirtschaft müssen wir batteriebetriebene Geräte realisieren, die über eine große Reichweite verfügen. Außerdem sollten diese Anwendungen für die meisten Landwirte und landwirtschaftlichen Unternehmen erschwinglich sein. Daher sind die Kosten ein kritischer Faktor. In Anbetracht dieser Faktoren wären LoRaWAN oder Sigfox unsere immediate Option für diese Anwendungen. 

• Intelligentes Gebäude 

Dazu gehören die Überwachung der Gebäudetemperatur, der Luftfeuchtigkeit und die Überwachung anderer intelligenter Geräte. Daher ist es nicht notwendig, diese Informationen kontinuierlich zu überwachen, und wir würden batteriebetriebene Geräte haben. Dies hilft uns, unsere Optionen auf LoRaWAN und Sigfox für diese Art von IoT-Anwendungen zu beschränken. 

• Fertigungs- und Automatisierungsindustrie  

Dazu gehört die Überwachung der Vitalfunktionen von Maschinen und deren genaue Steuerung. Daher benötigen wir für diese Anwendungen eine häufige Überwachung und eine gute QoS. Daher sind NB-IoT und LTE-M die besten Optionen, um diese Anforderungen zu erfüllen. LTE-M kann verwendet werden, wenn wir uns in größerem Maße um die Sicherheit kümmern. 

Schlussfolgerung 

In diesem Artikel haben wir kurz die verschiedenen verfügbaren Optionen zur Realisierung massiver IoT-Anwendungen erörtert. Abschließend können wir sagen, dass die beste Option ein Kompromiss aus unseren Anforderungen ist, der je nach Anwendung variiert.