Die Welt geht auf Empfang

Das Internet der Dinge verändert unser Leben bereits rasant. Die Funktechnologie Low Power Wide Area Network, kurz LPWAN, gibt der Bewegung nun den entscheidenden Schub.

Funkstandards - Ein Spektrum voller Möglichkeiten. Funkstandards - Ein Spektrum voller Möglichkeiten. Funkstandards - Ein Spektrum voller Möglichkeiten.

Erschöpfte Grundwasserspeicher, trockene Flussbetten, leere Talsperren: In Kalifornien herrscht seit fünf Jahren Dürre. Forscher sprechen von der extremsten Trockenperiode seit 1.200 Jahren. Eine Katastrophe: Rund 40 Millionen Bäume sind schon an Wassermangel und durch Waldbrände zugrunde gegangen. Längst mussten sich die Kalifornier daran gewöhnen, dass Wasser für die Landwirtschaft, das Rasensprengen oder das Fluten des Swimmingpools rationiert wird. Auch die Stromversorgung wird schwierig, weil viele Wasserkraftwerke trockenliegen. Schuld an der Dürre ist wohl der Klimawandel. Kaliforniens Wasserversorgung stützt sich auf den Schnee, der im Winter in den Höhenzügen der Sierra Nevada fällt, im Frühling schmilzt und Talsperren, Weinberge und Großstädte den Sommer über mit Wasser versorgt. Doch der Schneefall bleibt seit 2011 praktisch aus, Vorhersagen über Niederschläge und Pegelstände sind kaum noch zu treffen. Abhilfe soll „SierraNet“ schaffen: Ein Netz von Funksensoren, verteilt über die Gipfel und Täler, teils vergraben in der Erde, soll die Wasser- und Stromversorgung wieder planbar machen. Sie messen neben der Temperatur, der Feuchtigkeit in Luft und Boden auch die Schneetiefe und Sonneneinstrahlung. Zum Einsatz kommt ein sogenanntes LPWAN, ein Low Power Wide Area Network. Eine neue Funktechnik, die Projekte wie SierraNet erst ermöglicht und das Internet der Dinge weltweit entscheidend voranbringt. Im Internet of Things (IoT) kommunizieren Maschinen mit Maschinen. Sensoren sammeln Daten und geben sie per Funk und über das Internet weiter, damit etwa Computer selbstständig Prozesse in Logistik, Produktion und Service steuern können. Das IoT ist die technische Basis für die Wirtschaft 4.0. Laut einer Studie der Beratungsgesellschaft Gartner werden Ende 2016 rund 6,4 Milliarden Geräte im IoT miteinander verbunden sein, 30 Prozent mehr als 2015. Das ist ein Zuwachs von 5,5 Millionen vernetzten Geräten täglich. Im Jahr 2020 sollen bereits 20,8 Milliarden Geräte miteinander kommunizieren. Treiber werden dabei nicht die altbekannten Wireless-Technologien sein wie WLAN und Bluetooth oder Mobilfunkstandards wie LTE oder G5, sondern LPWANs. „Im Spektrum der Funkstandards schließen LPWANs die Lücke zwischen Nahfeld- und Langstreckenkommunikation. Sie kombinieren viele Eigenschaften anderer Funktechnologien, was viele IoT-Anwendungen wirtschaftlich oder überhaupt erst möglich macht“, sagt Markus Termühlen, Globaler Projektleiter für LPWAN-Technologien bei TÜV Rheinland. LPWAN-Netzwerke sind einfach zu installieren und anzupassen. Die niedrige Frequenz um 900 Megahertz beschränkt die übertragbare Datenmenge auf bis zu 50 Kilobit pro Sekunde, was etwa einer DIN-A4-Seite Text entspricht. „Die Bandbreite reicht völlig aus, um verschlüsselt Schaltbefehle zu übertragen oder Sensoren auszulesen und zu steuern“, so Termühlen. Insofern ähnelt LPWAN-Technik etablierten Standards wie ­ZigBee, Bluetooth oder EnOcean. Allerdings können LPWAN-Signale dank der niedrigen Sendefrequenz problemlos Gebäude durchdringen oder aus Kellern funken. Die Technik ist also ideal für Smart-Metering-Dienste. Weshalb das E.ON-Tochterunternehmen Digimondo auch bis 2017 ein deutschlandweites LPWAN-Netzwerk aufspannt, um später digitale Stromzähler über LPWAN kommunizieren zu lassen.

Funknetz für 250 Euro

Im Freiflächeneinsatz sind Datenübertragungen über 40 Kilometer möglich, in Städten immerhin über zwei bis 15 Kilometer. Ein halbes Dutzend Gateways, nicht größer als ein dünnes Taschenbuch, reichen aus, um eine Großstadt wie Amsterdam mit einem Low-Power-Funknetzwerk zu überziehen. Dabei arbeiten LPWANs extrem ökonomisch. Die Sensoren senden Daten im Dauerbetrieb oder in vorbestimmten Intervallen. Je nach Anwendungsfall halten die Batterien dann zwei bis 15 Jahre. Werden sie wie bei SierraNet mit Solarmodulen verbunden, ist die Funk-Infrastruktur praktisch wartungsfrei. Schon bald soll ein Sensor nur ein bis zwei US-Dollar kosten. Für rund 250 Euro lassen sich heute schon kleine Funk-Sensornetzwerke aufbauen. Mobilfunk braucht eine vergleichsweise teure Infrastruktur: eine dichtere Abdeckung mit Antennenmasten, Netzanschlüsse für die Sendeeinheiten und SIM-Karten, die an einen kostenpflichtigen Netzbetreiber gebunden sind. Mit LPWAN sind die Kosten um rund 90 Prozent geringer, bei besserer Funktionalität. „LPWAN werden 2G-Mobilfunknetze zum Langstreckentransport kleiner Datenmengen ablösen“, sagt Markus Termühlen voraus. Im Jahr 2020 könnten bereits 40 Prozent der Langstreckenkommunikation im IoT über LPWAN-Netze laufen, 2030 sollen es über 70 Prozent sein. Den Rest übernehmen weitgehend die Breitband-Mobilfunkstandards LTE und 5G, als kabellose Option für große Datenmengen.

Alles wird smart

Leben im Netzwerk - Wie Funk den Alltag smarter macht. Leben im Netzwerk - Wie Funk den Alltag smarter macht. Leben im Netzwerk - Wie Funk den Alltag smarter macht.

Wichtiger Treiber der Technologie sind die Telekommunikationsanbieter. Sie haben das Potenzial von LPWAN erkannt und investieren. Comcast, der zweitgrößte Netzbetreiber der USA, will ein landesweites LoRa-Netzwerk schaffen. In den Niederlanden hat KPN bereits ein flächendeckendes Netz aufgebaut, ebenso SK Telecom in Südkorea. Die Idee: Unternehmen, Städte und Privatleute zahlen, um sich mit den eigenen Sensoren und smarten Geräten in das bereitgestellte Netzwerk einzuklinken. Der Markt jedenfalls ist gewaltig. 2016 wurden rund 235 Milliarden US-Dollar mit IoT-Services umgesetzt, Tendenz stark steigend. Ob Kuh, Kühlschrank oder Hochregallager: Dank LPWAN-Technik kann jeder Gegenstand nun preiswert mit einem Bewegungs-, Temperatur- oder Füllstandsensor bestückt werden und einfache Zustandsmeldungen an ein Smartphone senden. „Die geringen Kosten eröffnen grenzenlose Anwendungsmöglichkeiten“, sagt IoT-Experte Termühlen. Vor allem: Anders als der Mobilfunk nutzt LPWAN lizenzfreie Frequenzen. Gerätehersteller sowie geschäftliche wie private Anwender können also unabhängig von den großen Netzwerkbetreibern ihr eigenes geschlossenes oder offenes Funknetz aufbauen. Ein solch offener LPWAN-Standard ist das Long Range Wide Area Network (LoRaWAN), der von der LoRa-Alliance entwickelt wird. Erst 2015 ins Leben gerufen, hat die Industrievereinigung bereits rund 500 internationale Hardwarehersteller, Softwareunternehmen und Anwender aus allen Wirtschaftsbereichen versammelt, um LoRaWAN weiterzuentwickeln. TÜV Rheinland ist von Beginn an Mitglied der schnell wachsenden LoRa-Alliance. „Wie in Gremien zu anderen Funktechnologien helfen wir der LoRa-Alliance beim Standardisierungsprozess und zertifizieren Produkte, bevor sie auf den Markt kommen“, so Markus Termühlen. Dazu betreibt TÜV Rheinland spezialisierte Labore für Funktechnik und IoT-Produkte in Europa, den USA und bald in Japan und Südkorea. So ist der Prüfdienstleister mit seiner Kompetenz in Sachen Funkstandards stets nah an Herstellern und Anwendern weltweit. Übrigens auch im dürregeplagten Hightech-Staat Kalifornien: Dort, mitten im Silicon Valley, hat TÜV Rheinland bereits 1986 das erste Prüflabor für Funktechnologie eröffnet.

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Markus Termühlen
+49 221 806-4908
E-Mail schreiben markus.termuehlen@de.tuv.com

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