Zwei Wege ins IoT, aber welcher passt zu meinem Projekt?
Viele IoT-Devices sollen ihre Daten über große Distanzen hinweg kommunizieren können. Oft mit der Voraussetzung, dass diese Geräte einen möglichst geringen Energieverbrauch haben sollen, weil sie mit Batterien betrieben werden. Klassisches WLAN oder Mobilfunk können diese Anforderungen nicht erfüllen.
Und genau deshalb kommt an dieser Stelle Low Power Wide Area Network (LPWAN) ins Spiel. Es handelt sich dabei um drahtlose Funktechnologien, die speziell dafür entwickelt wurden, kleine Datenmengen über große Distanzen zu übertragen. Das alles unter Berücksichtigung von sehr geringem Energieverbrauch.
Zu den bekanntesten Vertretern dieser Technologie zählen LoRaWAN und NB-IoT. Beide gehören zur gleichen Technologiefamilie, unterscheiden sich aber deutlich in ihrer Funktionsweise, Infrastruktur und im Anwendungsspektrum.
LoRaWAN ist eine offene Technologie, die auf lizenzfreien Frequenzen basiert. Netzwerke können selbst aufgebaut oder über bestehende Betreiber genutzt werden. NB-IoT dagegen ist eine Mobilfunktechnologie, die auf lizenzierten Frequenzen läuft und direkt in die Infrastruktur der Netzbetreiber integriert ist.
Wenn Du ein IoT-Produkt entwickeln möchtest, stellt sich natürlich die Frage: Welche dieser beiden Technologien passt besser zu meinem Anwendungsfall?
Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns im Folgenden beide Technologien genauer anschauen.
Was ist LoRaWAN?
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist ein Funkprotokoll, das auf dem Modulationsverfahren LoRa basiert. Es wurde speziell für die drahtlose Übertragung kleiner Datenmengen über weite Entfernungen entwickelt.
Technisch nutzt LoRaWAN das sogenannte Chirp Spread Spectrum (CSS). Dabei wird das Signal über eine größere Bandbreite gestreckt, was es besonders robust gegen Störungen macht. Diese Modulationstechnik ermöglicht eine zuverlässige Kommunikation selbst unter schwierigen Funkbedingungen.
LoRaWAN arbeitet im lizenzfreien Sub-Gigahertz-Bereich, in Europa meist bei 868 MHz. Die Datenrate liegt, je nach Konfiguration, zwischen 0,3 und 50 Kilobit pro Sekunde. Die Reichweite ist stark abhängig von Gelände, Bebauung und Antennentechnik. Je nach Bedingungen können Reichweiten zwischen 5 km und 10 km aufgebaut werden.
Ein LoRaWAN-Netzwerk besteht aus Sensoren, Gateways und einem zentralen Netzwerkserver. Die Sensoren senden ihre Daten über das Gateway an den Server, der sie verarbeitet und weiterleitet. Da die Sensoren in den meisten Fällen kurze Nachrichten in großen Zeitabständen senden, bleibt der Energieverbrauch niedrig.
Info: Wir entwickeln Hardware und Software für kundenspezifische Elektronik.
Was ist NB-IoT
NB-IoT steht für Narrowband Internet of Things. Die Technologie wurde von der 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standardisiert und ist ein Teil des Mobilfunknetzes. Sie nutzt die bestehende LTE und 5G Infrastruktur und ist speziell auf Anforderungen von IoT Geräten ausgelegt.
Da 4G Mobilfunk heute fast überall als Standard gilt, ist NB-IoT besonders attraktiv für Anwendungen, die eine flächendeckende Netzabdeckung brauchen. NB-IoT funkt in lizenzierten 700MHz oder 900 MHz Frequenzen, je nachdem, wo man sich befindet und welcher Netzbetreiber am Start ist. Da die Daten über sehr schmale Kanäle von nur 180 kHz übertragen werden, ist die Verbindung besonders stabil und durchdringt auch Mauern oder den Untergrund gut. Das macht sie ideal für Anwendungen wie die Fernablesung von Zählern oder das Tracking von Assets in Gebäuden.
Die Datenrate liegt irgendwo zwischen 20 und 250 Kilobit pro Sekunde, je nach Netz und Einstellung. Damit lassen sich kleine Datenpakete problemlos übertragen, zum Beispiel Sensorwerte oder Steuerbefehle. Die Reichweite kann theoretisch bis zu 10 Kilometer betragen, ist aber in der Praxis stark von der Netzabdeckung abhängig und liegt real eher bei 2-5 km rund um die nächste Mobilfunkstation.
Ein großer Vorteil von NB-IoT ist, dass keine Gateways wie bei LoRaWAN erforderlich sind, weil die Daten direkt über die Mobilfunkmasten laufen. Somit sind Infrastrukturkosten praktisch nicht vorhanden. Dafür existieren jedoch Kosten für Datenvolumen beim jeweiligen Provider. Ein Vertrag mit rund 10 Euro für zehn Jahre und 500 Megabyte Datenvolumen ist oft ausreichend für viele IoT-Anwendungsfälle.
Was ist eSIM und welche Vorteile hat das?
Zunehmend werden bei NB-IoT werden sogenannte eSIMs eingesetzt. Das sind fest eingebaute SIM-Karten, die nicht wie klassische SIM-Karten herausgenommen werden können. Sie werden direkt auf die Platine verlötet, wodurch kein zusätzlicher SIM-Slot notwendig ist. Das spart Platz in der Elektronik und erhöht die Zuverlässigkeit, da keine mechanischen Bauteile ausfallen können.
eSIMs lassen sich aus der Ferne programmieren, was bedeutet, dass der Anbieter oder Tarif gewechselt werden kann, ohne das Gerät öffnen oder vor Ort eingreifen zu müssen. Voraussetzung dafür ist die embedded Universal Integrated Circuit Card( eUICC) Technologie, die den sicheren und flexiblen Wechsel zwischen verschiedenen Providern ermöglicht.
Funktionsvergleich: LoRaWAN vs. NB-IoT?
LoRaWAN und NB-IoT sind zwei Technologien aus der LPWAN-Familie, doch sie unterscheiden sich grundlegend in Aufbau, Betrieb und Anwendungsprofil. Ein direkter Vergleich hilft, die jeweiligen Stärken und Grenzen besser einzuordnen.
Merkmal | LoRaWAN | NB-IoT | Frequenzbereich | Lizenzfrei, meist 868 MHz in Europa | Lizenziert, meist 700-900 MHz |
|---|---|---|
Netzwerkinfrastruktur | Eigene Gateways oder öffentliche Netze | Mobilfunknetz (bestehende Infrastruktur) |
Datenrate | 0,3 – 50 kbit/s | 20 – 250 kbit/s |
Bandbreite | 200 kHz | 250 kHz und 125 kHz |
Reichweite | 5 – 10 km | 2 – 5 km |
Energieverbrauch | Sehr niedrig | Niedrig |
Kosten | Evtl. Gatewaykosten | Kosten für Datenvolumen |
Uplink Energieverbrauch | ca. 44 mA | ca. 220 mA |
Energieverbrauch Sleep-Mode | ca. 01 uA | ca. 3 – 8 uA |
Standardisierung | LoRa-Alliance | 3rd Generation Partnership Project (3GPP) |
Modulation | Chirp Spread Sectrum | Quadratur-Phasenumtastungsmodulation |
LoRaWAN punktet mit der Flexibilität, eigene Netze aufzubauen und komplett unabhängig von Mobilfunkanbietern zu sein. Das bietet Vorteile in Projekten mit speziellen Anforderungen an Kontrolle, Datenschutz oder Infrastruktur.
NB IoT wiederum nutzt die flächendeckende Mobilfunkinfrastruktur, was die Abdeckung und den schnellen Rollout erleichtert. Die Betriebskosten sind überschaubar, da keine eigenen Gateways oder Infrastruktur aufgebaut werden müssen.
Info: Wir entwickeln Hardware und Software für kundenspezifische Elektronik.
Vor- und Nachteile beider Technologien?
LoRaWAN und NB-IoT sind zwei Technologien aus der LPWAN-Familie, doch sie unterscheiden sich grundlegend in Aufbau, Betrieb und Anwendungsprofil. Ein direkter Vergleich hilft, die jeweiligen Stärken und Grenzen besser einzuordnen.
Vorteile von LoRaWAN
- LoRaWAN wird auf lizenzfreien Frequenzen betrieben, wodurch man Unabhängig von Mobilfunkanbietern ist.
- Der Aufbau von eigenen Netzen ist leicht umsetzbar, wodurch Du vollständige Kontrolle über Infrastruktur und Daten hast.
- Die Technologie ist extrem stromsparend, was ideal für batteriebetriebene Geräte mit langer Laufzeit ist.
- Bei eigenem Netzbetrieb fallen nur niedrige Kosten an.
Nachteile von LoRaWAN
- Netzabdeckung muss mithilfe von Gateways selbst aufgebaut oder zugekauft werden
- Und genau diese Gateways verursachen einen hohen initialen Kostenaufwand
- Die Datenrate bei LoRaWAN ist begrenzt, weshalb die Technologie sich nur für eine geringe oder sporadische Kommunikation eignet.
Vorteile von NB-IoT
- Die Mobilfunkinfrastruktur für NB-IoT ist (meist) vorhanden und es werden keine eigenen Gateways benötigt.
- Keine Gateways, keine hohen initialen Kostenaufwände
- Da 4G-Netzwerke sehr präsent sind, hat NB-IoT eine sehr gute Gebäudedurchdringung
- Diverse NB-IoT Anbieter mit langer Laufzeit und kostengünstigen Preisen sind verfügbar (1once (Link), Vodafone (Link)
Nachteile von NB-IoT
- Man ist Abhängigkeit vom Netzbetreiber und dessen Netzabdeckung
- Keine Kontrolle über Infrastruktur und Datenfluss
- Keine Commnity und kein Open-Source-Ökosystem wie bei LoRaWAN
Anwendungsfälle
Die Entscheidung für LoRaWAN oder NB-IoT hängt stark davon ab, was genau umgesetzt werden soll. Manche Projekte erfordern maximale Flexibilität und Kontrolle, andere setzen auf schnelle Skalierbarkeit und flächendeckende Netzverfügbarkeit. Hier sind zwei Beispiele aus der Praxis, die zeigen, wie unterschiedlich die Anforderungen sein können.
Anwendungsbeispiele für LoRaWAN
Ein smarter Überflurhydrant überträgt seinen Zustand per Funk. Er erkennt, ob Wasser entnommen wird, und registriert über integrierte Sensoren auch, wenn sich der Neigungswinkel durch Anfahren oder Umkippen verändert. Die Kommunikation erfolgt über LoRaWAN. Die Stromversorgung übernimmt eine Batterie, die für mehrere Jahre ausgelegt ist. Der große Vorteil: Die Infrastruktur liegt komplett in der Hand des Betreibers und das System funktioniert unabhängig von Mobilfunknetzen oder Anbietern. Hier geht’s direkt zum Use Case
Anwendungsbeispiele für NB-IoT
Ein System zur Bewässerungssteuerung und Standortüberwachung von Pflanzen wurde ursprünglich mit LoRaWAN umgesetzt, später aber auf NB-IoT umgestellt. Der Grund war die einfache Skalierung über verschiedene Städte hinweg. Mit NB-IoT kommunizieren die Geräte direkt über das vorhandene Mobilfunknetz. Es sind keine Gateways notwendig, die Inbetriebnahme ist unkompliziert und die Netzabdeckung durch den Mobilfunkanbieter bereits vorhanden. Gerade bei vielen verteilten Standorten spart das Zeit und Aufwand.
Fazit: Welche Technologien passt zu welchem Projekt?
LoRaWAN und NB-IoT verfolgen unterschiedliche Ansätze, lösen aber ähnliche Aufgaben. Beide eignen sich gut, um Geräte stromsparend und drahtlos mit dem Internet zu verbinden. Der Unterschied liegt im Wie und genau das macht in der Praxis den Unterschied.
LoRaWAN ist besonders dann interessant, wenn man die Kontrolle über das eigene Netz behalten will oder wenn Mobilfunk keine Option ist. Das gilt zum Beispiel für Anwendungen auf Werksgeländen, in Gebäuden mit schlechter Versorgung oder überall dort, wo man keine laufenden Kosten möchte. Wer Gateways selbst betreibt oder ein vorhandenes Netz nutzen kann, bekommt mit LoRaWAN eine flexible und sehr energieeffiziente Lösung.
NB-IoT spielt seine Stärken aus, wenn es um Skalierbarkeit und einfache Inbetriebnahme geht. Mobilfunk ist fast überall verfügbar, die Geräte sind schnell einsatzbereit und die Kosten über die gesamte Laufzeit bleiben überschaubar. Gerade bei vielen verteilten Standorten oder wechselnden Einsatzorten kann das entscheidend sein.
Am Ende hängt die Entscheidung vom Projekt ab. Welche Umgebung habe ich? Wie wichtig ist Unabhängigkeit? Und wie schnell will ich skalieren? Wer diese Fragen klar beantworten kann, findet schnell heraus, welche Funktechnologie am besten passt. Und manchmal ist es sogar sinnvoll, beide Welten zu kombinieren.
