LoRaWAN für die Datenversorgung in Smart Cities
Günstiger Funkstandard
Die Digitalisierung kann den Alltag in Smart Cities effizienter und lebenswerter machen. Dazu müssen Sensoren Informationen erheben und zu zentralen Stationen übermitteln. Die Datenübertragung erfolgt über Funktechnik wie 5G – oder LoRaWAN.
Immer mehr Menschen zieht es in die Städte. Knapp die Hälfte der Weltbevölkerung ist in urbanen Regionen zu Hause. Je mehr Menschen auf engstem Raum leben, desto mehr Abfall, Verkehr und Umweltbelastungen entstehen. Smart Cities helfen, die Herausforderungen zu bewältigen. Dazu erfassen vernetzte Sensoren und Zähler Daten. Diese gehen an eine zentrale Plattform. Dort erfolgt die Analyse. Entweder gibt es dann eine automatische Reaktion, oder die Informationen stehen der Stadtverwaltung und der Bevölkerung zur Verfügung.
Eine zentrale Rolle nimmt das Funknetz in der Smart City ein. Für die Datenübertragung gelten spezifische Anforderungen. Sie muss zunächst zuverlässig über große Distanzen funktionieren, auch durch Häuserblocks und Mauern. Sie sollte wenig Energie verbrauchen. Sensoren arbeiten meist mit Batterien, die der Betreiber idealerweise selten austauschen muss. Sie muss in jedem Fall sicher und nicht teuer sein sowie sich schnell aufbauen lassen.
Für die Datenübertragung stehen Techniken wie 5G, WLAN oder LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) zur Verfügung, jeweils mit Vor- und Nachteilen. LoRa-Netze erfüllen nach Einschätzung der Verfechter dieser Technik alle genannten Ansprüche an Smart-City-Datenübertragungen – und sind damit für bestimmte Anwendungen prädestiniert. Über den offenen und herstellerunabhängigen Industriestandard lassen sich robuste Funknetze aufbauen. Die gemeinnützige Organisation LoRa Alliance entwickelt ihn stetig weiter.
Monatliche Kosten fallen für den Betrieb nicht an. LoRaWAN funkt in Europa auf dem öffentlichen 868-MHz-Frequenzband, auf dem Funkdienste ohne Lizenzgebühren laufen. Ein LoRa-Netz verbraucht zudem wenig Energie. Weil die damit verbundenen Sensoren nicht kontinuierlich Daten senden, sondern nur, wenn es nötig ist, halten deren Batterien zwei bis sieben Jahre. LoRaWAN kann zudem weite Distanzen abdecken – bis zehn Kilometer sind mit einer Basisstation möglich.
Das System ist skalierbar. Sensoren sind über die Funktechnik an ein Gateway angebunden, bis zu 1.000 Sensoren sind möglich. Die Funktechnik dringt durch Betonwände und Hausmauern sowie in Keller. Sie überträgt allerdings nur geringe Datenraten bis maximal 50 kBit/s. Außerdem hat LoRaWAN eine relativ hohe Latenz. Die Netze gelten außerdem als sehr sicher. Sie übermitteln Informationen mit AES-128- und Ende-zu-Ende-Verschlüsselung.
Die drahtlose Kommunikation in der Smart City kann auch via WLAN oder 5G erfolgen. Die Techniken eignen sich jeweils für andere Szenarien: Ein WLAN ist kostengünstig aufzusetzen. Es verbraucht jedoch viel Energie, hat eine geringere Reichweite sowie Probleme bei dicken Mauern oder in Kellern. Es passt gut für die Kommunikation in Gebäuden und auf kurzen Distanzen. 5G liefert eine enorme Bandbreite bei minimaler Latenz. Es kann sehr große Datenmengen gleichzeitig über weite Entfernungen übertragen. Viele Anwendungen im Internet of Things (IoT) sind mit 5G überhaupt erst möglich, etwa autonomes Fahren. In Smart Cities ist der Mobilfunkstandard leistungsfähiger als LoRaWAN. Allerdings ist 5G teuer und verbraucht signifikant mehr Energie. LoRaWAN überträgt zwar nur geringe Datenraten. Aber für viele Anwendungen ist dies ausreichend.
Typische Sensoren, Zähler und Aktoren übermitteln nur kleine Datenpakete für Wasser, Gas und Strom. Die Latenz spielt keine Rolle, wenn es nicht auf Sekundenbruchteile ankommt. Es lohnt sich, Projekte ohne hohe Bandbreite und mit kleinen Datenpaketen mit LoRaWAN zu realisieren statt mit 5G. Smart Waste, Smart Parking und die Verbesserung der Luftqualität sind Bereiche, für die sich die LoRaWAN-Funktechnik eignet. Bei Smart Waste erfassen Sensoren, wie voll ein Abfallcontainer ist, und melden das an eine Zentralstelle. Der Entsorger leert den Behälter nur bei Bedarf und spart Kraftstoff, Zeit und Geld. Beim Smart Parking melden Sensoren an Parkplätzen, wenn sie frei sind. Autofahrende rufen dies über eine App ab und ersparen sich die Suche. Sensoren erheben zudem in einem Anwendungsbeispiel die Feinstaubbelastung an Straßen. Bei kritischen Werten leiten intelligente Ampeln Autos um. Smarte Ampeln helfen auch, Staus zu vermeiden. Smart-City-Projekte mit LoRa-Netzen sind bereits in mehreren Städten im Einsatz. In Winterthur passt sich die Straßenbeleuchtung an viel befahrenen Straßen automatisch an den Verkehr an. Radarsensoren erfassen, wenn wenige Autos unterwegs sind. Das Licht dimmt dann automatisch.
Ein LoRaWAN eignet sich vor allem, wenn es um Sensoren mit wenigen Datenmengen geht. Weitere Vorteile sind hohe Reichweiten, niedriger Energieverbrauch und geringe Kosten. Entsprechende Anwendungen bringen Mehrwert, sparen Geld und schonen die Umwelt.
Armin Przirembel ist BU-Leiter Funknetze bei Axians GA Netztechnik.
Lesen Sie mehr zum Thema
