LoRa versus LTE M & NB-IOT

Zwei häufig verwendete IoT-Netzwerke sind LoRa und LTE-M / NB-IOT.

Was ist LoRaWAN?

LoRa steht für „Long Range“ und ist ein drahtloses Netzwerkprotokoll, das ursprünglich für Low-Power-IoT-Anwendungen entwickelt wurde. Es gehört zur Kategorie der sogenannten „Low Power Wide Area Networks“ (LPWAN). Dabei handelt es sich um Netzwerke, deren wichtigste Eigenschaft darin besteht, dass Informationen mit sehr wenig Energie über große Entfernungen übertragen werden können. Das macht sie ideal für Geräte, die sich an abgelegenen oder isolierten Orten befinden oder bei Installationen, an denen nichts verändert werden soll. Beispiele sind Straßenlaternen, Deiche, Kaimauern oder Müllbehälter.

In der Nutzung ähnelt das Senden von LoRa-Nachrichten stark dem SMS-Verkehr. Solange nichts gesendet wird, ist das Cellular-Modul nicht aktiv. Anders als bei SMS muss das Cellular-Modul zudem keine Verbindung aufbauen oder aufrechterhalten. Sobald eine Nachricht gesendet wird, wird das Cellular-Modul aktiv und sendet die Nachricht auf der richtigen Frequenz mit den passenden Netzwerkschlüsseln. Umliegende Gateways empfangen dieses Signal und leiten es weiter in Richtung Internet und letztendlich zur Plattform, mit der der Sensor verbunden ist.

Größte Vorteile von LoRa

Die wichtigsten Eigenschaften und Vorteile sind der extrem niedrige Energieverbrauch und die große Entfernung, die eine Nachricht vom Gerät bis zum Netzwerk zurücklegen kann. Dank des geringen Energieverbrauchs können Sensoren entwickelt werden, die mit 2 AA-Batterien über Jahre hinweg (3–5 Jahre) stündlich Informationen senden können. Wie lange ein Gerät tatsächlich funktioniert, hängt von mehreren Faktoren ab, wie der Netzabdeckung, der Antenne des Sensors und der Datenmenge pro Nachricht.

Ein weiterer großer Vorteil ist die Sicherheit des Systems. Viele Netzwerke, die wir kennen, wie WiFi und 4G, haben die Eigenschaft, dass eine direkte Verbindung zum Internet besteht. Darüber können Websites aufgerufen und Informationen abgerufen werden. Das LoRa-Netzwerk selbst ist jedoch vom „Internet“ getrennt. Erst wenn Nachrichten im Netzwerk empfangen wurden, werden sie über das Internet an eine Anwendung weitergeleitet.

Dadurch sind LoRa-Module nicht anfällig für typische Hackerangriffe wie DDoS-Angriffe oder Man-in-the-Middle-Angriffe. Innerhalb des LoRa-Protokolls werden auf mehreren Ebenen Verschlüsselungen eingesetzt, sodass Kommunikation weder mitgelesen noch nachgeahmt werden kann. Sensoren erneuern außerdem regelmäßig und sicher ihre Netzwerkschlüssel, sodass keine dauerhafte Sicherheitslücke entsteht.

In einem professionell aufgebauten und verwalteten Netzwerk kann jedes Modul auch innerhalb des Netzwerks lokalisiert werden. Dadurch weiß man, wo sich ein Gerät befindet, ohne dass ein energieintensives GPS- oder WiFi-Modul erforderlich ist. Aus diesem Grund gibt es relativ viele Tracker auf Basis von LoRa.

Anbieter von LoRa

LoRa ist abhängig von einem LoRaWAN (Wide Area Network). In den Niederlanden gibt es verschiedene Anbieter: das öffentliche Netzwerk von KPN, das Community-Netzwerk The Things Network und verschiedene private Initiativen. Der Unterschied zwischen diesen Netzwerken liegt häufig in der Abdeckung und der garantierten Verfügbarkeit. Jeder kann ein LoRa-Gateway installieren und aktivieren, unter anderem weil die Funkfrequenz, auf der das LoRaWAN-Protokoll arbeitet, nicht lizenzpflichtig ist.

Nachteile von LoRa

Natürlich gibt es auch einige Nachteile beim Einsatz von LoRa. In den Niederlanden gelten zwei Regeln, die vom Agentschap Telecom vorgeschrieben und überwacht werden. Die erste Regel besagt, dass jedes Modul nicht zu häufig Funksignale senden darf. Dies wird als Duty-Cycle-Beschränkung bezeichnet. Außerdem darf die Intensität des Funksignals nicht zu stark sein (maximal 20 mW).

Ein weiterer Punkt ist die Datenmenge. Bei LoRa ist diese sehr klein, nämlich etwa 54 Bytes. Das entspricht ungefähr einer SMS-Nachricht mit 50 Zeichen. Das muss kein Problem sein, solange nur Sensorinformationen oder Standorte übertragen werden sollen. Tatsächlich funktioniert LoRa am besten, wenn Nachrichten möglichst klein sind. Dadurch erfolgt die Übertragung schneller und verbraucht weniger Energie.

Was ist LTE M / NB-IOT?

LTE-M / NB-IOT funktioniert innerhalb von 4G– und 5G-Netzwerken. Diese kennt man vor allem als die Netzwerke, mit denen man schneller auf dem Smartphone streamen oder scrollen kann. LTE, oder „Long Term Evolution“, steht für eine Reihe immer schneller werdender Netzwerkprotokolle, die auf zunehmend leistungsfähiger Hardware basieren. Neben immer höheren Geschwindigkeiten entstehen auch Verbindungen, die sehr energieeffizient arbeiten können und dieselben Funkmasten, Antennen und Netzwerke nutzen. Das ist möglich, weil kleine Datenmengen schnell und effizient übertragen werden können, ohne alle Netzwerkfunktionen zu benötigen.

Größte Vorteile von LTE-M und NB-IOT

LTE-M und NB-IOT bieten eine sehr gute Netzabdeckung, hohe Datenraten und können energieeffizient konfiguriert werden. Dadurch sind sie interessant für Anwendungen, die mit Batterien betrieben werden. Außerdem sind sie kosteneffizienter als Standard-4G-Hardware. Meist werden verschlüsselte technische Informationen übertragen, wodurch die Datenmenge kompakt bleibt. Dadurch bleibt auch der Datenverbrauch niedrig – häufig handelt es sich um MB statt um GB.

Weitere Vorteile sind Roaming-Abkommen mit Nachbarländern und dass international bereits viele Länder LTE-M- oder NB-IoT-Abdeckung haben. Abhängig vom verwendeten Cellular-Modul kann auch ein Fallback auf andere Netzwerke wie 2G vorhanden sein. Der Vorteil ist, dass deine Hardware weltweit an mehr Orten eine Netzwerkverbindung herstellen kann.

Nachteile von LTE-M und NB-IOT

Obwohl LTE-M und NB-IOT als energieeffiziente Technologien beworben werden, verbraucht ein Gerät dennoch relativ viel Energie, solange es mit dem Netzwerk verbunden ist und Daten sendet.

Sie sind deutlich sparsamer als Standard-4G, aber dennoch werden recht große Batterien benötigt, wenn häufig Daten gesendet werden sollen und das Gerät länger als ein Jahr funktionieren muss. Der Energieverbrauch hängt außerdem vom Sendeintervall ab. Man kann das Gerät komplett ausschalten oder in den Schlafmodus versetzen. Das erneute Verbinden nach dem Ausschalten verbraucht Energie, aber auch das ständige Schlafen und periodische Aufwachen benötigt Strom.

Der optimale Punkt zwischen Ein- und Ausschalten liegt etwa bei einmal pro Tag. Möchte man häufiger Daten senden, ist der sogenannte Power Save Mode (Schlafmodus mit periodischem Aufwachen) besser geeignet. Wenn weniger als einmal pro Tag gesendet werden soll oder nur bei einem bestimmten Ereignis, ist es besser, das Gerät vollständig auszuschalten.

Ein häufig geäußerter Wunsch bei IoT-Geräten ist, dass sie klein, handlich und praktisch gestaltet sind. LTE- und NB-IOT-Geräte sind derzeit jedoch oft noch relativ groß und benötigen mehrere zusätzliche Komponenten, um ein vollständiges Sensorgerät zu bauen.

Fazit

LTE-M / NB-IOT und LoRa sind zwei völlig unterschiedliche Technologien, die jedoch eine Gemeinsamkeit in ihrer Anwendung haben. Beide Netzwerke sind energieeffizient, drahtlos und übertragen hauptsächlich Sensor- und Maschineninformationen. Die Wahl sollte daher davon abhängen, wo die Lösung eingesetzt werden soll und welche Anforderungen an den Energieverbrauch bestehen.

Wenn der Energieverbrauch die wichtigste Designanforderung ist, sollte LoRaWAN gewählt werden. Wenn internationale Nutzung die wichtigste Anforderung ist, sind LTE-M oder NB-IOT die bessere Wahl.

Für weitere Informationen über LoRa, LTE-M und NB-IOT kann Kontakt über die Telefonnummer 085-0443500 oder per E-Mail an info@thingsdata.com aufgenommen werden.