Verständnis von LoRaWAN® für die Wasserwirtschaft

LoRaWAN® (Long Range Wide Area Network) ist ein Kommunikationsprotokoll, das speziell für Weitverkehrsnetze mit geringem Stromverbrauch (LPWANs) entwickelt wurde. Es arbeitet im unlizenzierten Spektrum und bietet Kommunikation über große Entfernungen, geringen Stromverbrauch und sichere Datenübertragung, wodurch es sich gut für Anwendungen im Internet der Dinge (IoT) eignet.

Aber warum ist ein Kommunikationsprotokoll wichtig, und wie trägt das LoRaWAN®-Protokoll zur Verbesserung der Datenkommunikation in der Wasserwirtschaft bei? Im Folgenden werden wir LoRaWAN® und seine Bedeutung für IoT-Anwendungen näher beleuchten.  

Um eine skalierbare, sichere und effiziente Kommunikation zu ermöglichen, stützt sich die LoRaWAN®-Architektur auf ihre drei Hauptkomponenten: Endknoten, Gateways und Netzwerkserver. Endknoten sind die Endgeräte oder Sensoren, die Daten sammeln und an das Netz übertragen, z. B. Wasserzähler.  

Gateways fungieren als Brücke zwischen den Endgeräten und dem Netzwerkserver. Sie empfangen die von den Endgeräten übertragenen Daten und leiten sie an den Netzwerkserver weiter. Gateways verwenden IP-basierte Netzwerke (wie Ethernet, Wi-Fi oder Mobilfunk) zur Kommunikation mit dem Netzwerkserver. Der Netzwerkserver ist die zentrale Komponente der LoRaWAN®-Architektur, die für die Verwaltung des Netzwerks, die Verarbeitung der Daten und die Gewährleistung der Kommunikation zwischen den Endknoten und den Anwendungen mit End-to-End-Sicherheit verantwortlich ist.  

LoRaWAN® bietet mehrere entscheidende Vorteile, die es zu einer bevorzugten Wahl für IoT-Anwendungen machen, insbesondere für solche, die eine Kommunikation über große Entfernungen, einen geringen Stromverbrauch, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz erfordern:

• Große Reichweite: LoRaWAN® kann Daten über Entfernungen von bis zu 15-30 Kilometern in ländlichen Gebieten und 2-5 Kilometern in städtischen Umgebungen übertragen. Dies macht es ideal für Anwendungen, die eine Verbindung über große  Entfernungen erfordern. 
• Geringer Stromverbrauch: Geräte, die LoRaWAN® nutzen, können mit kleinen Batterien bis zu 16 Jahre lang betrieben werden, was für schwer zugängliche oder abgelegene Orte von entscheidender Bedeutung ist.
• Skalierbarkeit: LoRaWAN®-Netzwerke können Zehntausende von Geräten unterstützen, was sie für umfangreiche IoT-Implementierungen skalierbar macht.
• Sicherheit: LoRaWAN® bietet eine Ende-zu-Ende-Sicherheitsverschlüsselung, die die Datensicherheit vom Gerät bis zum Netzwerkserver gewährleistet. 
• Bidirektionale Kommunikation: LoRaWAN® unterstützt sowohl die Uplink- (Gerät zu Gateway) als auch die Downlink-Kommunikation (Gateway zu Gerät) und ermöglicht so die Steuerung der Geräte und die Aktualisierung der Firmware.

Zusätzlich zu diesen Vorteilen ist ein weiterer Schlüsselfaktor für LoRaWAN® seine hohe Vielseitigkeit, die es zu einer wertvollen drahtlosen Kommunikationstechnologie für eine Vielzahl von Szenarien macht. Zu den Schlüsselelementen seiner Vielseitigkeit gehören: 

• Standardisiertes Kommunikationsprotokoll 
• Schnelle Integration in Drittsysteme 
• Günstige und leicht verfügbare Infrastruktur 
• Interoperabilität zwischen Zähleranbietern 
• Funktioniert sowohl für öffentliche als auch für private Netzwerke  

Obwohl LoRaWAN® eine leistungsstarke und flexible Technologie für IoT-Anwendungen ist, bedeutet ihre Konzentration auf große Reichweite, geringen Stromverbrauch und Kosteneffizienz gewisse Einschränkungen in anderen Bereichen. Zu den möglichen Herausforderungen gehören Datenrate, Netzkapazität, Latenzzeit und Interferenzen, wie unten beschrieben. 

• Niedrige Datenraten: LoRaWAN® bietet niedrigere Datenraten bei weitreichender kostengünstiger Kommunikation.  . Für Anwendungen, die eine hohe Datenübertragungsleistung erfordern, sollten Sie eine Hybridlösung mit höherer Bandbreite oder ein Mobilfunknetz in Betracht ziehen.  
• Interne Störungen: Während LoRaWAN® robust gegenüber Störungen durch externe Geräte ist,  macht die Nutzung unlizenzierter Frequenzen es anfällig für interne Störungen innerhalb der eigenen Netzinfrastruktur. Wenn die Reduzierung  von Störungsrisiken und die Gewährleistung einer zuverlässigen Kommunikation Priorität haben, sind Technologien wie NB-IoT, die in lizenzierten Frequenzen betrieben werden, zu bevorzugen.  
• Relativ komplexe Infrastruktur: Im Vergleich zu Wireless M-Bus erfordern LoRaWAN®-Netzwerke in der Regel eine komplexere Architektur mit Gateways, Netzwerkservern und Endgeräten. Dies kann insbesondere bei Großprojekten zu einer zusätzlichen Komplexität bei der Bereitstellung und Verwaltung führen.  
• Latenzzeit: Das stromsparende Weitverkehrsnetzdesign von LoRaWAN® hat eine höhere Latenz als andere IoT-Technologien, wodurch es für Anwendungen, die eine Datenkommunikation in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit erfordern, weniger geeignet ist. Das Gleiche gilt jedoch für tägliche Übertragungen über NB-IoT. 

LoRaWAN®-Netzwerke können in verschiedenen IoT-Anwendungen eingesetzt werden, z. B. in intelligenten Städten, in der Landwirtschaft, bei der industriellen Überwachung, bei der Verfolgung von Vermögenswerten, bei der Umweltüberwachung und vielen anderen. Aufgrund der großen Reichweite und des geringen Stromverbrauchs eignet sich diese Kommunikationstechnologie hervorragend für Anwendungen, die batteriebetriebene Geräte an abgelegenen Orten erfordern. 

Bei der Betrachtung von Fallbeispielen aus verschiedenen Branchen hat sich LoRaWAN® als vielseitige und wertvolle Technologie zur Steigerung der Effizienz, Senkung der Kosten und Verbesserung der Qualität von Dienstleistungen und Produkten erwiesen: 

• Intelligente Wassermessung: Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen Kamstrup, Gelsenwasser AG und PHYSEC GmbH wurden Tausende von Wasserzähler durch LoRaWAN®-Zähler ersetzt, die mit TLS-Verschlüsselung für maximale Datensicherheit sorgen. Bis Ende 2028 werden insgesamt 180.000 installiert sein.
• Intelligente Landwirtschaft: Kerlink und Sensoterra haben in Thorigné-Fouillard, Frankreich und Amsterdam ein System zur Überwachung der Bodenfeuchtigkeit eingeführt, das zu einem geringeren Wasserverbrauch, höheren Ernteerträgen und Kosteneinsparungen aufgrund geringerer Arbeitskosten führt.
• Intelligente Städte: In Paris hat die Stadt eine intelligente Beleuchtung eingeführt, die zum Ökosystem des Stadtnetzes beiträgt und eine Fernüberwachung und -steuerung der Straßenbeleuchtung ermöglicht. Das Ergebnis sind Energieeinsparungen, eine effizientere Instandhaltung und eine höhere öffentliche Sicherheit.
• Überwachung der Umwelt: Aufgrund der häufigen Überschwemmungen hat Malaysia Überwachungssensoren entlang von Flüssen und überschwemmungsgefährdeten Gebieten installiert, um ein Warnsystem einzurichten, das die Auswirkungen auf die Gemeinden mindert. Das Ergebnis waren rechtzeitige Warnungen, die eine bessere Reaktion ermöglichten, geringere Hochwasserschäden und mehr Sicherheit für die Bewohner.