Technologie

Alles funkt

Die neue Funktechnik LPWAN macht es möglich, Gegenstände zu vernetzen – billig, über große Distanzen und mit wenig Stromverbrauch. Sie könnte die Grundlage für das Internet of Things (IoT) sein. In der Intralogistik sind zahlreiche Anwendungen denkbar.

08. Oktober 2018
Alles funkt
»Im Gebäude liegt die Reichweite deutlich über der von WLAN.« Professor Axel Sikora, Hochschule Offenburg. (Bild: © ivESK)

Guten Tag, ich komme, um den Strom abzulesen.« Ein Besucher, der sich so vorstellt, steht bei 100 Haushalten in Ulm künftig nicht mehr vor der Tür. Denn ihre Stromzähler wurden mit einem neuen, batteriebetriebenen Funkmodul ausgestattet. Es sendet die aktuellen Verbrauchsdaten selbstständig an die Stadtwerke. Für den Versorger sind diese Daten sehr wertvoll, da so Verbrauchsspitzen sichtbar werden und sich teure Strom-Überproduktion vermeiden lässt. Die Zählerablesung aus der Ferne funktioniert, obwohl die Geräte im Keller installiert sind, und kommt mit erstaunlich wenig Infrastruktur aus. Nur acht Basisstationen reichen, um die Daten der Stromzähler aus der ganzen Stadt zu empfangen.

LPWAN: Statusmeldungen bis zu zehn Kilometer

Bei dem Netz handelt es sich um ein sogenanntes Low Power Wide Area Network, kurz LPWAN. Hinter der sperrigen Abkürzung steht eine faszinierende neue Technik: Ein Gegenstand, der mit einem LPWAN-Modul ausgestattet ist, kann über eine Entfernung von bis zu zehn Kilometern eine Statusmeldung funken. Die Wellen durchdringen Wände und Decken, selbst aus Kellern lässt sich senden. Und dafür ist nicht einmal viel Strom nötig: Eine normale AA-Batterie wie aus der TV-Fernbedienung soll reichen, um ein Funkmodul zehn Jahre online zu halten. Dafür allerdings ist das Sendetempo niedrig: 50 Kilobit/Sekunde sind mit LPWAN möglich, das entspricht einer Schreibmaschinenseite Text pro Sekunde. Doch für die geplanten Anwendungen reicht die äußerst geringe Bandbreite aus; ein Sensor, der den Standort eines Containers, den Füllstand eines Tanks oder den Zustand einer Maschine funken will, braucht dafür nicht mehr als eine Handvoll Bits.

Wichtig für das Internet der Dinge

Hohe Reichweite, geringer Strombedarf, niedrige Kosten – dank dieser Vorteile könnte LPWAN die Grundlage für das sogenannte Internet der Dinge (oder Internet of Things, kurz IoT) legen. Mit der Einfachtechnik wird es nämlich möglich, nahezu jeden Gegenstand ans Netz anzubinden. Bestehende Technik ist dafür oft nicht geeignet: WLAN zum Beispiel hat eine zu geringe Reichweite und Funkmodule, die das Handynetz nutzen, verbrauchen zu viel Strom. Diese Übertragungsmethoden sind für die massenhafte Kommunikation von Maschine zu Maschine ungeeignet beziehungsweise einfach überdimensioniert. Genau diese Lücke soll in Zukunft LPWAN schließen.

Grundsätzlich kann ein Unternehmen die neue Funktechnik auf zwei Arten nutzen. Option eins wäre der Aufbau eines eigenen Netzes, vergleichbar mit dem Einrichten des privaten WLAN: Dafür müssen alle Geräte, die man vernetzen will, mit Funkmodulen ausgestattet werden. Diese kosten derzeit noch einen hohen zweistelligen Eurobetrag. Passend dazu braucht es einige Basisstationen, Gateways genannt. Im Vergleich zu WLAN reichen bei LPWAN allerdings sehr wenige Geräte aus. Unter Umständen lässt sich mit nur einer Basisstation das gesamte Betriebsgelände abdecken. Der Aufbau einer solchen Funkinsel ist zum Beispiel mit dem Standard LoRaWAN möglich.

Ein bestehendes Netz nutzen

Daneben haben Unternehmen die Möglichkeit, ein schon bestehendes LPWAN zu nutzen. Die großen Telekommunikationsanbieter Telekom und Vodafone rüsten derzeit ihre Mobilfunkmasten auf, sodass sie auch LPWAN-Daten empfangen können. In diesem Fall kommt der Standard NarrowBand-IoT (NB-IoT) zum Einsatz. Die Nutzer müssen nur ihre Geräte mit Funkmodulen ausstatten und können zur Datenübertragung dann das Mobilfunknetz nutzen – gegen eine Gebühr: Je nach Ausgestaltung des Servicepakets kann der Preis bei der Telekom zwischen 2 und 10Euro pro Jahr und Gerät betragen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass Maschinendaten grenzüberschreitend gefunkt werden können, sofern der Mobilfunkbetreiber international präsent ist. Neben den Handykonzernen haben sich mehrere kommerzielle Anbieter wie Sigfox oder Digimondo etabliert, die ebenfalls Netze betreiben, teils nur regional, teils flächendeckend.

Predictive Maintenance

Erste Pionierunternehmen setzen LPWAN schon ein. Die Telekom zum Beispiel hat in Bonn ein System entwickelt, das per Einfachfunk freie Parkplätze meldet. In der Industrie kommt die Technik zum Beispiel in Schächten zum Einsatz, um eventuelle Lecks zu melden. »Der Business Case ist oft da, wo man ihn nicht erwartet«, sagt Christopher Rath von Digimondo, Hamburg. Das Unternehmen hilft bei der Entwicklung von LPWAN-Anwendungen, liefert IoT-Software und betreibt in mehreren Großstädten ein eigenes Netz. Rath gibt ein Beispiel für eine mögliche Anwendung: Wird ein Müllcontainer mit einem Funksensor ausgestattet, der den Füllstand meldet, erspart das dem Müllfahrzeug nicht nur unnötige Touren, sondern verhindert auch, dass der Container überläuft und hohe Reinigungskosten entstehen.

»Ein weiterer großer Einsatzbereich von LPWAN wird Predictive Maintenance sein (vorausschauende Wartung, d. Red.)«, erwartet Rath. Industrieunternehmen statten ihre technischen Anlagen zum Beispiel zunehmend mit Bewegungssensoren aus. Melden sie per Funk eine Vibration, kann das ein Anzeichen für Schäden sein. Erhält das Instanthaltungsteam des Betriebs frühzeitig diesen Hinweis, kann es reparieren, bevor es zu teuren Stillständen kommt.

Asset Tracking über Einfachfunk

Ein weiterer Einsatzbereich von LPWAN dürfte die Ortung von Gegenständen sein (Fachwort: Asset Tracking). Die Vision ist, den Standort von Fahrzeugen, Wechselbrücken, Gitterboxen oder Containern über den Einfachfunk zu verfolgen. Hier wird die Sache allerdings etwas kompliziert, denn LPWAN ist nur eine Übertragungstechnologie für Daten, keine Ortungstechnik. Das heißt, bevor der Container zum Beispiel seine Position durchgeben kann, muss er sie ermitteln. Dafür kann das Funkmodul einen klassischen GPS-Empfänger nutzen, was allerdings den Stromverbrauch in die Höhe treiben und die Batterielaufzeit verkürzen würde. Alternativ wäre eine Positionsbestimmung über die verwendeten Basisstationen möglich. Die ist jedoch mit Rechenaufwand verbunden und liefert weniger präzise Standort-Daten. Zum Thema Ortung wird die Hardware-Industrie also noch Lösungen liefern müssen.

Kein klarer Gewinner

Momentan ist das Thema LPWAN noch recht unübersichtlich, da mehrere konkurrierende Standards existieren.

Anders als Technologie-Duelle älterer Zeit – man denke an VHS versus Betamax bei Video – dürfte es hier keinen klaren Gewinner geben. »Es wird sich nicht ein Standard durchsetzen, sondern unterschiedliche – je nach Anwendung«, erwartet Experte Rath von Digimondo. Diese Aufteilung erscheint wahrscheinlich: Überall da, wo es um die Verfolgung von Gegenständen über größere Distanzen hinweg geht, kommt NB-IoT zum Einsatz, bei lokalen Anwendungen (Beispiel: Behältertracking auf dem Betriebsgelände) dürfte sich LoRaWAN durchsetzen.

Text: Constantin Gillies

Interview: »Komplexität und Kosten in der Intralogistik sinken«

Professor Axel Sikora ist Leiter des Instituts für verlässliche Embedded Systems und Kommunikationselektronik (ivESK) an der Hochschule Offenburg. Sein Team berät Unternehmen bei Auswahl und Einsatz von LPWAN-Technologien.

Was ist neu an LPWAN?

Funk über große Distanzen ist schon seit Jahrzehnten möglich. Doch die Knoten hatten bisher eine sehr hohe Leistungsaufnahme von bis zu mehreren Watt und waren zudem teuer. Bei LPWAN kommen Übertragungstechnologien und -algorithmen zum Einsatz, die selbst ein sehr schwaches Nutzsignal herausfiltern können. So lassen sich bei deutlich niedrigerem Stromverbrauch, geringeren Kosten und kleineren Funkmodulen große Reichweiten erzielen.

Wie könnte die Intralogistik von der neuen Funktechnik profitieren?

Bislang werden größere Lager- oder Produktionshallen mit WLAN- oder DECT-Netzen abgedeckt. Dafür sind viele Stationen nötig, da die Reichweiten pro Funkzelle deutlich unter hundert Metern liegen. LPWAN-Technologien dagegen bieten eine Freiraumausbreitung von einigen Kilometern. Selbst in einem Gebäude mit Hindernissen liegt dann die Reichweite deutlich über der von WLAN. Das bedeutet: Weniger Basisstationen werden benötigt, Komplexität und Kosten sinken.

Momentan existieren noch mehrere konkurrierende Standards: LoRaWAN, Sigfox und NarrowBand-IoT. Welcher wird sich durchsetzen?

Kurzfristig keiner, weil alle drei unterschiedliche Anwendungen und Märkte adressieren. Ich denke, dass sogar noch neue Systeme hinzukommen. Einige davon sind schon sichtbar, wie beispielsweise MIOTY oder Weightless.

Welcher Standard ist der beste?

Alle haben ihre Vor- und Nachteile. Ein LoRaWAN-Netz etwa lässt sich lokal in Eigenregie selbst aufbauen, was den Vorteil hat, dass man die Kontrolle behält; dafür nutzt die Technik einen freien Frequenzbereich, was zu Störungen führen kann, außerdem ist die Flächenabdeckung außerhalb des eigenen Netzes nur unter Einschränkungen gegeben. Bei NarrowBand-IoT wird das Netz dagegen von einem Mobilfunk-Provider betrieben, was zu einer besseren Abdeckung führt, da bestehende Sendemasten genutzt werden können. Allerdings kann das zu höheren Kosten und Abhängigkeiten führen.

Lassen sich mit LPWAN künftig einzelne Ladungsträger verfolgen?

Davon gehe ich aus. Aus dem Markt ist zu hören, dass sich die Kosten für ein Modul in Richtung von 1 bis 2 Euro bewegen – ohne Batterie und Gehäuse. Das sind Größenordnungen, bei denen sich viele Gegenstände wirtschaftlich vernetzen lassen.

Erschienen in Ausgabe: 05/2018