Low Power Wide Area IoT
Neue Impulse für satellitengestützte IoT-Netzwerke
Der Aufbau von Datenerfassungs- und Kontrollsystemen in abgelegenen Gebieten war bisher eine große Herausforderung. Satellitengestützte IoT-Netzwerke ermöglichen vor diesem Hintergrund viele Einsatzszenarien.
Der Aufbau von Datenerfassungs- und Kontrollsystemen in abgelegenen Gebieten ohne herkömmliche Infrastruktur war bisher eine große Herausforderung. Heute ermöglichen Innovationen in vielen Bereichen die Datenerfassung per Satellit und verbinden großflächige Netze mit geringer Leistungsaufnahme in entlegenen Gebieten mit leistungsstarken Analyseplattformen für die Datengewinnung. Eine solche weltweite Konnektivität für das „massive Internet der Dinge“ (Low Power Wide Area IoT) könnte Umweltüberwachung, intelligente Landwirtschaft, Bergbau, Öl- und Gasförderung, Schifffahrt, Anlagenverfolgung und Logistik, Verkehr und Verwaltung öffentlicher Infrastrukturen sowie viele weitere Bereiche drastisch verändern.
Nur zehn Prozent der Erdoberfläche sind terrestrisch angebunden; die Bereitstellung von Netzen zur Übermittlung von Daten aus entlegenen Regionen wird also immer wichtiger. In vielen Branchen besteht bereits ein enormer Bedarf an kostengünstiger globaler Konnektivität für IoT-Geräte. Laut Marktforschungsunternehmen Statista sind bis 2025 voraussichtlich 75 Milliarden IoT-Geräte online. Viele dieser Geräte befinden sich aber in ländlichen oder abgelegenen Gebieten ohne Konnektivität.
Mit Einführung kostengünstiger Nanosatelliten – in einigen Fällen mit innovativem 3D-Metalldruck und stromsparender Elektronik – verändert sich die Wirtschaftlichkeit von Satellitennetzen zugunsten stromsparender IoT-Netze für die unterschiedlichsten Anwendungen.
Preissenkende Faktoren für den Netzaufbau
Bestehende Datendienste über herkömmliche geostationäre Satelliten sind kostspielig und für Daten-, Sprach- und Breitbanddienste sowie für Anwendungen auf See und in Flugzeugen mit großen, schweren und stromfressenden terrestrischen Satellitenterminals optimiert. Dennoch könnten manche geostationäre Satelliten durch Null-Latenz-Dienste in naher Zukunft an der Entwicklung des satellitengestützten Internet der Dinge teilhaben.
Parallel dazu kann man Kleinsatelliten mit einem Gewicht von unter 1 kg bis zu 10 kg jetzt mit privaten, gemeinsam genutzten Raketen in eine niedrige Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit – LEO) von 500 km bringen. Diese bilden Konstellationen aus bis zu mehreren Hundert Satelliten, die im Abstand von mehr als 120 Minuten (je nach Art der Umlaufbahn) um die Erde kreisen und so auch entlegene Regionen mit Daten versorgen. Eine tiefere Umlaufbahn ist mit geringerer Strahlungsbelastung verbunden, so dass sich billigere Komponenten verwenden lassen und die Kosten für den Aufbau des Netzes weiter sinken. Dies führt zu niedrigeren Datenkosten und öffnet die Satellitenkommunikation für LPWANs (Low Power Wide Area Networks). Dank der LEO-Umlaufbahn ist weniger Energie zur Herstellung einer Datenverbindung erforderlich. Dadurch lassen sich die LPWAN-Gateways mit Solarstrom betreiben, was die Installation von Netzen in abgelegenen Gebieten vereinfacht.
Der 3D-Druck aus neuen Materialien ermöglicht Innovationen bei der Konstruktion der Satelliten, insbesondere bei neuartigen Antennensystemen zum Beam Forming. Dabei kommt ein Array von Empfängern zum Einsatz, die – oft unter elektronischer Steuerung – den gezielten Empfang eines Signals von Netzen am Boden ermöglichen. Auch dies steigert die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen Gateway und Satellit. Durch Beam Forming lässt sich der Downlink auch zu einem geeigneten Sammelpunkt mit Internetanschluss leiten.
Kombination aus satellitengestützter und terrestrischer Abdeckung
LPWAN-Netze können Satelliten-Datenverbindungen auf unterschiedliche Weise nutzen. Ein LPWAN-Netz besteht oft aus Tausenden, meist kilometerweit über ein Gebiet verteilten Sensorknoten. Diese können Temperatur, Luftfeuchtigkeit, den Wassergehalt des Bodens oder sogar Rauch überwachen, um den Beginn von Waldbränden zu erkennen. Diese batteriebetriebenen Sensoren sind drahtlos miteinander vernetzt. Sie senden alle paar Minuten, Stunden oder Tage kleine Datenpakete über eine Verbindung mit einer je nach Funkmodulation typischen Bandbreite von einigen 100 Bit/s bis hin zu Dutzenden von kBit/s, wodurch eine Überlastung des Satellitennetzes unwahrscheinlich wird.
Diese Sensoren wiederum verbinden sich mit einem viele Kilometer entfernten, mit einem Backhaul-Netz verbundenen Gateway. In städtischen Gebieten oder Smart Cities kann dies eine Glasfaser- oder Kupferverkabelung, ein 4G- oder 5G-Mobilfunknetz oder sogar eine feste drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung sein. In den Weiten Nordamerikas oder in den Wüsten Afrikas ist dies keine Option. Das Gateway kann sich dann über eine Zwei-Wege IP-Funkverbindung mit einem Satelliten verbinden und die Daten an eine Sammelstelle zurücksenden.
Entscheidend ist, dass die Nutzlasten dieser Satelliten LPWAN-Nachrichten nativ mit denselben Modulationsschemata wie terrestrische Netze verarbeiten und die Daten nahezu in Echtzeit von überall auf der Welt weiterleiten. Satellitenbetreiber können terrestrische Gateway-Architekturen an den Weltraum-Einsatz anpassen oder ihr eigenes Software Defined Radio-System (SDR) mit der gewünschten LPWAN-Modulation entwickeln. Mit diesem nativen Ansatz kann man ältere terrestrische Komponenten verwenden und die erhöhten Kosten für den Bau proprietärer Satellitenmodule mit höherem Energieverbrauch vermeiden. Darüber hinaus fördert der Einsatz desselben Funkprotokolls zwischen satellitengestützten und terrestrischen Netzen das nahtlose Roaming für IoT-Geräte, das sich über eine flächendeckende kombinierte satellitengestützte und terrestrische Abdeckung erstreckt.
- Neue Impulse für satellitengestützte IoT-Netzwerke
- Maschinenwartung, Brandfrüherkennung, Lieferkettenoptimierung
