LPWAN im Einsatz für Smart Building
Mehr Reichweite für die Gebäudevernetzung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Energiesparender Betrieb
Die Protokolle sind so konzipiert, dass sie einen energiesparenden Betrieb von Tausenden von Knoten mit einem geringen Tastverhältnis unterstützen, sodass jeder Knoten nur während eines Bruchteils der Zeit sendet. Dies senkt den Stromverbrauch eines Knotens und verlängert die Batterielebensdauer auf einen Zeitraum von mehreren Jahren bis zu einem Jahrzehnt. Letzteres ist für intelligente Gebäude besonders wichtig. Bei Tausenden von drahtlosen Sensoren in einem Gebäude kann der Batteriewechsel eine Vollzeitbeschäftigung sein und auch die Kostenvorteile von intelligenten Gebäuden verringern. Die Ausweitung der Batterielebensdauer auf den Austauschzyklus der Sensorknoten selbst ermöglicht im Allgemeinen eine Reduzierung der Betriebskosten (Opex). LPWAN-Protokolle ermöglichen zusätzlich eine sichere Verschlüsselung und Authentifizierung und gewährleisten damit einen umfassenden Schutz der Daten im gesamten Netzwerk.
Da ein einziges Gateway Tausende von Knoten mit großer Reichweite für jeden Link unterstützt, macht LPWAN komplexere Mesh-Netzwerkprotokolle überflüssig, wie man sie etwa bei Bluetooth Low Energy (BLE) verwendet. Wenn Knoten Daten von Nachbarn in einem Mesh-Netzwerk weiterleiten müssen, entsteht ein Overhead beim Paket-Routing und der Stromverbrauch steigt. Stattdessen kann man zusätzliche LPWAN-Gateways verwenden, um das Netzwerk über ein größeres Gebiet zu skalieren. Betrachtet man nur die Reichweite, lässt sich eine ganze Stadt mit zwei oder drei Gateways abdecken. In Gebieten mit höherer Knotenpunktdichte kann man also Gateways hinzufügen. Dies bringt neben der Spektraleffizienz auch einen kostengünstigen Rollout für besonders große Smart Buildings sowie Smart-City-Planer. LPWANs in lizenzfreien Frequenzbändern sind anfällig für Hochfrequenzstörungen. Ein qualitativ hochwertiges LPWAN muss in einer solchen schwierigen Umgebung arbeiten können und gleichzeitig lange Akkulaufzeiten sowie hohe Reichweiten gewährleisten.
Ein offenes standardisiertes LPWAN-Protokoll, der LoRaWAN-Standard, nutzt zum Schutz des Funksignals im Physical Layer ein Modulationsschema mit starker Gleichkanal- und Nachbarkanalunterdrückung. Die Gleichkanalunterdrückung bei einer Einzelträgerstörung beträgt je nach Spreizfaktor (SF) fünf bis 19 dB, die Nachbarkanalunterdrückung liegt bei 60 bis 72 dB.
Das eigentliche Protokoll nutzt eine aus der bestehenden CSS-Technologie (Chirp Spread Spectrum) abgeleitete Spreizspektrum-Modulationstechnik und bietet einen Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Datenrate beim Betrieb in einem Kanal mit fester Bandbreite von entweder 125 kHz oder 500 kHz (für Uplink-Kanäle) und 500 kHz (für Downlink-Kanäle).
Mit der Implementierung eines ADR-Befehls (Adaptive Data Rate) in der MAC-Schicht verbessert LoRaWAN zusätzlich das Modulationsschema. So kann der Netzwerk-Server Kanäle mit bekanntermaßen starken Störungen deaktivieren, die Gesamtqualität der Paketübertragung verbessern und die Batterielaufzeit steigern.
Die Nutzung orthogonaler Spreizfaktoren für die ADR-Implementierung ermöglicht eine angepasste Leistung für die einzelnen Endknoten-Leistungspegel und -Datenraten. So sollte etwa ein Baustein in der Nähe eines Gateways Daten mit niedrigem Spreizfaktor übertragen, da nur sehr wenig Link-Budget nötig ist. Ein Baustein in mehreren Kilometern Entfernung zum Gateway muss jedoch mit einem viel höheren Spreizfaktor senden. Dieser höhere Spreizfaktor erlaubt auf der einen Seite eine höhere Verstärkung in der Verarbeitung und eine höhere Empfangsempfindlichkeit. Er führt jedoch auf der anderen Seite zwangsläufig zu einer geringeren Datenrate.
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