Mobile Netze für das Industrial IoT

Strahlungsarmes LoRa

von - 08.08.2019
LoRa-Verbreitung interntional
LoRa-Netze: Weltweit gibt es über 100 Betreiber solcher Netze in mehr als 50 Ländern (dunkelgelb), wobei in weiteren 100 Ländern Rollouts laufen (hellgelb).
(Quelle: LoRa-Allianz)
Als Ausweg bietet sich ein getrenntes, für das Internet of Things optimiertes Kommunikationsnetz an. Hier bestehen internationale Initiativen, beispielsweise die LoRa-Allianz. Sie ist das am schnellsten wachsende Technologie-Bündnis weltweit. In dem gemeinnützigen Verband sind mehr als 500 Unternehmen Mitglied. Hauptzweck der Vereinigung ist es,  sich für die Entwicklung und Förderung des offenen Standards LoRaWAN einzusetzen.
LoRaWAN steht für ein weltumspannendes, strahlungsarmes, energieeffizientes und für das IoT optimiertes Weitverkehrsnetz (Wide Area Network, WAN). Durch die Standardisierung und das akkreditierte Zertifizierungssystem bietet die LoRa-Allianz eine volle Interoperabilität, wie sie für eine günstige Massenproduktion kompatibler Endgeräte, Sensoren, Sende­anlagen und Ähnliches unabdingbar ist.
Die LoRaWAN-Spezifikation definiert ein Protokoll für ein Low Power Wide Area Network (LPWAN), das batteriebetriebene Gegenstände und Dinge in regionalen, nationalen oder globalen Netzwerken drahtlos mit dem Internet verbindet. Wichtige Anforderungen des IoT wie bidirektionale Kommunikation, End-to-End-Sicherheit, niedriger Energieverbrauch, Mobilität und Lokalisierungsdienste werden dabei berücksichtigt und vollumfänglich abgedeckt.
Die LoRaWAN-Netzwerkarchitektur wird in einer Sterntopologie eingesetzt, in der Gateways Nachrichten zwischen Endgeräten und einem zentralen Netzwerk-Server weiterleiten. Die Gateways sind über Standard-IP-Verbindungen mit dem Netzwerk-Server verbunden und agieren quasi als Brücken, indem sie den eingehenden Datenstrom in IP-Pakete umwandeln (und umgekehrt).

Internationale Verbreitung

Allgemein noch unbekannt ist die inzwischen weite Verbreitung von LoRaWANs, nicht zuletzt in Nord- und Südamerika, Australien, West- und Osteuropa sowie in größeren Teilen Asiens. In Europa ist das „The Things Network“ (TTN) sehr populär, eine Community-basierte Initiative zur Errichtung eines globalen IoTs. Die Initiative wurde 2015 durch die Niederländer Wienke Giezeman und Johan Stokking gestartet und betreibt weltweit rund 8000 installierte LoRaWAN-Gateways (Stand Ende 2018).
Funksignale von Sensoren mit hoher Reichweite werden dabei mit Gateways und dem öffentlichen Internet an eine Zentrale weitergeleitet. Dort werden die Signale, zum Beispiel Messdaten von Strom- oder Wasserzählern, verarbeitet und an definierte Empfänger weitergeleitet. Zur Erhöhung der Datensicherheit besteht eine AES-128-Ende-zu-Ende-Verschlüsselung.
Die Bereitstellung, Errichtung und Betreuung der Gateways liegt oft in den Händen ehrenamtlicher Helfer. In Amsterdam ist es auf diese Weise gelungen, große Teile des Stadtgebiets in weniger als sechs Wochen mit einem LoRaWAN zu versorgen. Mittlerweile deckt es weite Teile der Niederlande ab.
Ähnliches gilt für die Metropole Berlin: In der deutschen Hauptstadt dauerte es allerdings rund eineinhalb Jahre, um den rund 3,5 Millionen Einwohnern mit über 75 registrierten Gateways einen LoRaWAN-Zugang zu bieten.
Künftig plant die LoRa-Allianz, weitere Netzzugänge über die Low-Earth-Orbit-Satellitentech­nologie bereitzustellen, um auch Entwicklungsländern in Afrika einen preisgünstigen Internetzugang zu bieten.
Anwendungen für das IoT
Das Internet der Dinge (IoT) entwickelt sich zum Massenmarkt und bestimmt zunehmend unseren Alltag. IoT bringt viele Erleichterungen und steigert die Effizienz.
Abhängig von der Netzbasis, gibt es die folgenden Anwen­dungs­­bereiche:
Massive IoT über LoRa
  • Smart Cities: Abfall- und Containermanagement, öffentliche Beleuchtung und Parkhäuser, Messung von Schadstoffkonzentrationen
  • Smart Utilities: Fernablesung von Gas-, Wasser- und Stromzählern; Zu­stands­abfragen von Briefkästen und öffentlichen Automaten
  • Smart Buildings: Management von Gebäuden und deren Ressourcen (Räume, Geräte wie Getränke- und Verpflegungsautomaten oder auch Beamer), Sicherheit (Zutritte, Videokameras, Feuerlöscher) und technische Einrichtungen (Beleuchtung, Temperatur- und Lüftungsregelung, Messung der Luftqualität), Optimierung des Energiebedarfs
  • Intelligente Landwirtschaft: Messung von Luft- und Bodenfeuchtigkeit, Erfassung von Pflanzenwachstum und Reife­-grad, Einlagerung von Obst und Gemüse, Verfolgung von Weidevieh
Massive IoT über LoRa oder NB-IoT/LTE-M
  • Smart Utilities: Fernablesung von Gas-, Wasser- und Stromzählern; Fernsteuerung und Überwachung von Haushaltsgeräten und Aufzügen
  • Smart Grids: Energiemanagement (intelligente Stromerzeugung, -verteilung und -speicherung)
  • Tracking: Überwachung von Kindern, Senioren, Tieren, wertvollen E-Bikes oder medizinischen Geräten und Hilfsmitteln in Krankenhäusern
Critical IoT über LTE-M oder 5G
  • Sicherheit und Monitoring: Objekt- und Verkehrsüberwachung, Fernsteuerung variabler Verkehrs- oder Anzeigeschilder, Empfangen von Notrufen und Auslösen von Rettungsmaßnahmen
  • Transport und Logistik: Nachverfolgung von Warensendungen, Flotten­management (zum Beispiel Einsatzplanung von Fahrzeugen und Fahrern)
  • Gesundheit und Telemedizin: Fernüberwachung und -diagnose (medizinische Parameter), Erkennung kritischer Situationen bei chronisch kranken Patienten, Auslösen automatischer Notrufe, Fernübermittlung von Guidelines bei Notoperationen und Telechirurgie
  • Industrie 4.0: Überwachung und Steuerung von Maschinen sowie Herstellungs- und Produktionsabläufen, verbesserte Warenlogistik, frühzeitige Erkennung von Wartungs- oder Materialbedarf
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