Wie LPWANs IoT-Systeme möglich machen

^{LPWANs können so etwas wie eine „intelligente“ Stadt ermöglichen.}

Was lieben Bauingenieure, das Elektroingenieure hassen? Beton. Das Zeug, das die Grundlage unserer physischen Welt bildet und die elektrischen Signale unserer digitalen Welt so nachhaltig stört. Parkhäuser, Einkaufszentren und U-Bahnhöfe leiden alle unter schlechtem Empfang. Ohne Fenster oder Repeater hat man hier fast nie ein Signal. Das wird spätestens mit dem Internet der Dinge (IoT) zum Problem, denn es soll ja auch an solchen Orten funktionieren. Hier kommen LPWANs ins Spiel. Sie können helfen, Netzabdeckungs- und Stromversorgungsprobleme für IoT-Geräte zu lösen. Außerdem eröffnen Sie Optionen für niedrigen Stromverbrauch und verteilte Funktionalitäten, die das IoT revolutionieren könnten.

Was ist ein LPWAN?

Der Name sagt eigentlich schon alles. LPWANs sollen die Netzabdeckung für stromsparende Geräte und über einen großen Bereich sicherstellen. Zur Klarstellung: LPWAN ist kein Standard, sondern eine Beschreibung. Es gibt eine Anzahl von Unternehmen, die LPWANs bereitstellen und dabei unterschiedliche Technologien nutzen. Die einzigen Voraussetzungen für diese Systeme sind, dass sie einen „weiten Bereich“ abdecken (meist mehr als 2 km) und stromsparende Geräte ermöglichen. Wenn sie damit den Markt erobern wollen, müssen sie dies auf preisgünstige Weise leisten.

Der weite Bereich ist nötig, um weit verteilte Konfigurationen wie die Versorgungsüberwachung in einem großen Gebäude oder Gebäudekomplex zu ermöglichen. Der dezentrale Charakter der LPWAN-Systeme bedingt die Anschaffung vieler Sensoren und Geräte. Diese Kosten summieren sich, weshalb ein LPWAN nur wenig kosten darf, um erfolgreich zu sein. Die meisten Sensoren und Geräte in LPWANs müssen mehrere Jahre (10 Jahre scheinen sich als Standard zu etablieren) im Batteriebetrieb laufen können. Die Sensoren müssen also stromsparend sein und das LPWAN muss eine stromsparende Vernetzungs-Lösung nutzen. Der einzige Nachteil an stromsparenden Netzwerken ist, dass sie die Datenraten verringern. Deshalb eignen sich LPWANs vorwiegend für Anwendungen mit geringem Datendurchsatz.

Der LPWAN-Markt wächst mit immensem Tempo und wird bis 2025 geschätzt 4 Milliarden Geräte verbinden. Diese Flut sorgt für intensiven Wettbewerb, der sogar bis in die Telekommunikationsbranche reicht.

Was ist kein LPWAN?

Mobilfunknetze gelten aktuell nicht als LPWANs. Das könnte sich allerdings ändern, wenn Mobilfunkanbieter den Markt für sich entdecken. Telekommunikatonsunternehmen haben bereits eine weitreichende Infrastruktur, mit der sich Netzwerke einfach umsetzen lassen. Ein weiterer Vorteil sind die bestehenden Geschäftsmodelle: Die Unternehmen verdienen ihr Geld nicht mit Hardware, sondern mit Verträgen. Dieses Modell fördert den Verkauf möglichst vieler Systeme zu einem niedrigen Preis. Wie bereits gesagt: Bei LPWANs gilt das Prinzip „je günstiger, desto besser“. Nur die Forderung nach geringem Stromverbrauch macht den Unternehmen noch zu schaffen. Aktuelle Mobilfunkantennen verbrauchen zu viel Strom, um für viele LPWAN-Anwendungen nützlich zu sein. Auch das ändert sich derzeit jedoch, denn die Unternehmen investieren in die Entwicklung stromsparender Lösungen.

Was bedeutet dies für LPWAN-Unternehmen, die im nicht lizenzierten Frequenzbereich arbeiten? Nun, sie bekommen bald Gesellschaft von Anbietern mit großen Anteilen an den lizenzierten Frequenzen.

^{5G dürfte die nächste LPWAN-Lösung für Mobilfunkanbieter werden.}

Aktuelle IoT-Anwendungen für LPWANs

Was haben LPWANs also mit dem IoT zu tun? Einzelne IoT-Geräte werden bereits immer zahlreicher und das IoT selbst wird ebenfalls bald wachsen. Der nächste Schritt sind „intelligente“ Systeme. Diese Systeme werden den Sprung von manuell gesteuerten Einzelgeräten zu Netzwerken automatisch verwalteter Objekte machen.

Es gibt bereits mehrere Systeme, die von aktuellen LPWAN-Fähigkeiten profitieren können. Dazu gehören Dinge wie Versorgungsüberwachung, Selbstparksysteme und Objektverfolgung. Die Anwendungsbereiche werden jedoch meist in Gebäuden liegen, deren Betonbauweise die Signale abschwächt und damit die große Bereichsabdeckung nötig macht. Auch wird eine große Zahl von stromsparenden Sensoren nötig werden, die kleine Datenpakete untereinander oder mit einem zentralen Controller austauschen. Ohne LPWAN müsste man in jede Ecke und Lücke eines Einkaufszentrums WLAN-Router stecken, nur um einen Sensor für die Umgebungstemperatur zu verbinden. Der Stromverbrauch wäre zudem ein weiteres großes Problem. Stellen Sie sich vor, jeder Parkplatzsensor bräuchte einen Stromanschluss. Nein, danke.

Bestehende LPWAN-Technologie kommt mit diesen Anwendungen zurecht, und findet bereits Verwendung. Ein Beispiel für die erfolgreiche LPWAN-Nutzung ist die Straßenbeleuchtung. Weit gestreute Sensoren mit zentraler Steuerung erlauben das Einstellen der Lichtleistung je nach Standort. So sparen Städte Geld, auch wenn der Unterschied noch nicht gewaltig ist. Der größere Vorteil liegt in der Verfolgung und Wartung. Mit einem LPWAN können Wartungsteams genaue Informationen erhalten, wann und wo eine Lampe ausgegangen ist. Hier können LPWANs wirklich helfen, denn sie machen es einfach, verteilte Systeme zu überwachen und zu steuern.

^{Autonome Fahrzeuge treiben den LPWAN-Markt mit an.}

Zukünftige IoT-Anwendungen für LPWANs

Das Haupthindernis für LPWANs ist ihre Bandbreite. Niedriger Stromverbrauch bedeutet niedrige Übertragungsraten. Zum Beispiel können die Daten von Wasserzählern über das Netzwerk also verschickt werden, Videos oder Bilder aber nicht. Die nächste Generation von LPWANs wird immer noch weite Bereiche bei niedrigem Stromverbrauch abdecken, gleichzeitig aber auch eine bessere Bandbreite bieten.

Eine der wichtigsten Anwendungen für breitbandige LPWANs werden autonome Fahrzeuge sein. Mehr und mehr Autos nutzen fortschrittliche Fahrerassistenz-Systeme (ADAS), und einige Unternehmen arbeiten bereits auf komplett selbstfahrende Autos hin. Diese Autos werden rollende IoT-Hubs sein und ein Netzwerk brauchen, um zu funktionieren. Aktuell können sie lediglich das 4G-Netzwerk nutzen, aber das ist nicht ideal. Autonome Fahrzeuge brauchen eine stromsparende Netzwerklösung, weil die Prozessoren immer mehr Strom verbrauchen. Hier kommt 5G ins Spiel. Mit Hilfe von ebenjenem werden die Bandbreiten wachsen, und gleichzeitig weniger Strom verbraucht werden als mit 4G. Ein LPWAN mit 5G erlaubt Autos das schnelle Hoch- und Herunterladen großer Datenmengen, was die Sicherheit und den Komfort für die Fahrer erhöht.

Ein wirklich weitreichendes Internet der Dinge hat bisher auf sich warten lassen, ist jetzt aber fast Realität. LPWANs werden bald in großem Umfang realisiert werden und betonlastige Gebäude endlich „intelligent“ machen. Behalten Sie den Markt im Auge, während Mobilfunkunternehmen mit Start-Ups in den unlizenzierten Frequenzen um Stücke des LPWAN-Kuchens konkurrieren. Aktuelle Lösungen eignen sich für „intelligentes“ Parken, Verbrauchsmesser und Beleuchtungssysteme mit geringem Bandbreitenbedarf. In Zukunft aber werden LPWANs höhere Datenraten ermöglichen, mit denen sich auch selbstfahrende Autos verbinden lassen. Jetzt liegt es an Ihnen, die PCBs für all diese Systeme zu entwerfen.

Haben Sie schon einmal versucht, Beton von Hand zu mischen? Es ist eine langwierige, ermüdende und anstrengende Arbeit. Mit den richtigen Werkzeugen ist es wesentlich einfacher. Was auf Betonmischer zutrifft, gilt auch für das Design von PCBs für LPWAN-Systeme. Ihre PCBs müssen klein, robust und stromsparend sein, um für LPWAN-Anwendungen in Frage zu kommen. CircuitStudio ist das Werkzeug, mit dem Sie sich das Design erleichtern können. Mit seiner großen Palette fortschrittlicher Funktionen hilft Ihnen CircuitStudio, völlig neue Designoptionen zu erschließen.

Haben Sie noch Fragen zu LPWANs für das IoT? Rufen Sie einen Experten bei Altium an.