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M2M Hotspot: Erste LoRa-Erfahrungen - Teil 1

Im Zuge des IoT-Trends entstehen inzwischen neue IoT-Funknetzwerke, die als Konkurrenz zu bestehenden Mobilfunknetzen positioniert werden – etwa LoRa. Klaus-Dieter Walter, Geschäftsführer der SSV Software Systems, über erste Erfahrungen bei einem LoRa-Pilotprojekt in Deutschland.

Klaus-Dieter Walter von SSV Software Systems Bildquelle: © Computer&AUTOMATION

Klaus-Dieter Walter: „Für einen zuverlässigen Betrieb wären allein schon für unseren Test mehrere LoRa-Gateways und vor allem ein kompetenter Provider erforderlich gewesen, der etwas von der IoT- und M2M-Kommunikation versteht.“

Herr Walter, eine Verständnisfrage vorab: Sie differenzieren zwischen ‚IoT-Funknetzwerken‘ und ‚Mobilfunknetzwerken‘. Warum?

Walter:
Mobilfunknetzwerke sind primär für die ortsunabhängige Sprach- und Datenkommunikation vorgesehen. Sie bieten immer größere Übertragungsbandbreiten und sehr spezielle Dienste, wie zum Beispiel den unterbrechungsfreien Handover beim Wechsel von einer Funkzelle in eine andere. Sie lassen sich logischerweise auch für IoT-Aufgaben nutzen, in denen die hohe Bandbreite oder Handover nicht benötigt werden. IoT-Funknetzwerke unterstützen nur sehr geringe Bandbreiten und konzentrierten sich auf stationäre Systeme, wie zum Beispiel einen Gebäudesensor oder einen Verbrauchszähler. Diese Technik ist hervorragend für batteriebetriebene Low-Power-Systeme geeignet. Man spricht deshalb auch von Low-Power-Wide-Area-Funknetzen (LPWA).

Kommen wir auf Ihr LoRa-Pilotprojekt zu sprechen. Für welche Aufgabenstellung war LoRa in Ihrem Vorhaben vorgesehen?

Walter:
Der Kunde, ein Energieversorger aus dem Wärmebereich in einer Stadt mit mehreren Millionen Einwohnern, wollte zum einen die aktuellen Verbrauchsdaten seiner Wärmekunden und zum anderen bestimmte Messwerte zum Zustand des Versorgungsnetzes mit Hilfe einer Cloud in die Unternehmens-IT integrieren. Insgesamt also sehr kleine Datenmengen. Für die Verbrauchsdaten würde in der Regel ein Messwert pro Tag, hinsichtlich des Netzzustands ein Messwert bei jeder größeren Veränderung ausreichen. Die Standorte der auszulesenden Zähler sind überwiegend Keller oder andere funktechnisch suboptimale Lagen.

Warum wird für so eine klassische M2M-Aufgabenstellung nicht das 2G/3G- oder 4G-Mobilfunknetz der etablierten Provider genutzt?

Walter:
Das war ja auch unser erster Lösungsvorschlag. Aber auf Grund der monatlichen Betriebskosten für die SIM-Karten, die sich bei einer größeren Anzahl von Systemen zu einem sehr stattlichen Fixkostenbetrag aufaddieren können, wurde die Lösung praktisch vom Controlling verworfen. Im Wärmeversorgungsbereich kommt ja auch noch hinzu, dass wir es hier mit einem Saisongeschäft zu tun haben. Im Sommer besteht kaum Wärmebedarf, aber die SIM-Karten-Fixkosten sind trotzdem da. Zudem reichen die klassischen Mobilfunknetze nicht besonders gut durch dicke Kellerwände.

Wie sind Sie auf die Idee gekommen, dass LoRa hier als Alternative in Frage kommt?

Walter: Wir befassen uns aus technischer Sicht schon länger mit dem LPWA-Thema und beobachten auch die Aktivitäten in den Nachbarländern. Da gab es schon vergleichbare Projekte, die offensichtlich funktionieren. Wir haben dann im Sommer 2016 den LPWA-Providermarkt in Deutschland gesichtet und sind auf den IoT-Start-Up Digimondo in Hamburg gestoßen. Technisch passte alles. Es gab von Digimondo in 2016 auch eine klare Aussage, dass eine LoRa-Netzabdeckung am Standort unseres Kunden existiert beziehungsweise gerade aufgebaut wird. Das haben wir alles so erst einmal als Fakten hingenommen. Es ist in Deutschland ja recht schwer, belastbare und aussagefähige Finanz- und Managementdaten zu einem Start-up zu bekommen, um derartige Aussagen zu bewerten. Uns war klar, dass wir ein großes Risiko eingehen, auch wenn Digimondo sich in 2016 noch als E.ON-Tochter darstellte, die offensichtlich über Ressourcen verfügt, um zumindest in größeren Städten eine LoRa-Funkabdeckung für IoT- beziehungsweise M2M-Anwendungen anzubieten.

Wie sind Sie vorgegangen?

Walter: Wir haben dem Kunden das scheinbar gerade entstehende Digimondo-LoRa-IoT-Netz als Alternative zu den bestehenden Mobilfunknetzen vorgeschlagen und einen Feldtest angeboten. Der Kunde ist auf dieses Angebot eingegangen. Also haben wir ein  LoRa-Device mit den erforderlichen Spezialschnittstellen gebaut. Dieser Schritt war mit Hilfe unseres Thinglyfied-Technologie-Stacks und eines vorzertifizierten Microchip-Funkmodules innerhalb von wenigen Wochen möglich. Dann haben wir den ersten Prototypen zusammen mit einem Partner in München im dort vorhandenen Digimondo-Netz getestet und auch das gewünschte Ergebnis erzielt. Dass dieses Netz offensichtlich nur aus einem einzigen oder zumindest sehr wenigen Digimondo-LoRa-Gateways bestand, ist bei diesem ersten Test nicht aufgefallen. Danach haben wir mit Kunde und Partner einen Installationstermin für einen echten Feldtest in Q1/2017 festgelegt.Unser Kunde hat dann einen Stadtteil in seinem Versorgungsgebiet ausgewählt, in dem mit mehreren LoRa-Devices getestet werden sollte.

Nach Rücksprache mit Digimondo stellte sich dann heraus, dass in diesem Stadtteil nun aber leider doch keine LoRa-Funkabdeckung existierte und man zu diesem Zeitpunkt auch nicht vorhatte, daran etwas zu ändern. Zur Lösung des Problems hat Digimondo uns dann einfach ein LoRa-Gateway im IP67-Gehäuse und mit internem GPRS/UMTS-Funkmodem sowie vorinstallierter SIM-Karte zugeschickt. Um den LoRa-Gateway-Standort und die Installation mussten wir uns zusammen mit Kunde und Partner selbst kümmern. Unterstützung wurde nur in Form eines kostenpflichtigen Telefonsupports angeboten. Wir hatten uns also offensichtlich für eine Do-it-yourself-LoRa-Infrastruktur entschieden. Wir haben dann mit unserem Partner und dem Kunden vor Ort den Gateway-Standort ausgewählt und die Installation in Eigenregie durchgeführt. Es gab weder eine qualifizierte Planungshilfe für das Berechnen der Funkzelle, noch irgendwelche hilfreichen Gateway-Installationshinweise. Hier sind ja schließlich auch viele rechtliche Aspekte und die elektrische Sicherheit zu beachten. Zum Beispiel darf die Antennenspitze eines LoRa-Gateways auf einem Gebäudedach oder an einem Schornstein nicht einen evtl. vorhandenen Blitzableiter überragen.

Heißt das, Sie sind auf Gebäudedächer und Schornsteine geklettert?

Walter: Wir nicht, weil das versicherungstechnisch und arbeitsrechtlich nicht möglich ist. Der Kunde und unser Partner sind aber geklettert. Nur durch diesen überdurchschnittlichen Einsatz war es überhaupt möglich, ein LoRa-Gateway im Außenbereich und die von uns entwickelten LoRa-Devices in mehreren Gebäudekellern zu installieren und in Betrieb zu nehmen. Dieser Aufwand hat einiges an Geld, Zeit und Nerven gekostet, zumal wir auch noch Testwerkzeuge bauen mussten, um in einem Keller das LoRa-Signal des Gateways überhaupt einmessen zu können.

Wie ging es nun weiter?

Walter: Die Systeme laufen seit etlichen Wochen und liefern über die Digimondo-Cloud zumindest die Verbrauchsdaten. Hinsichtlich der Messwerte zum Zustand des Versorgungsnetzes gehen leider auf Grund von Funkproblemen zu viele Datenpakete verloren, so dass wir hier zurzeit kein Monitoring ermöglichen können. Die für LoRa-Funkverbindungen immer wieder hervorgehobenen großen Reichweiten zwischen Device und Gateway haben wir in diesem Fall bei Weitem nicht erreicht. Gründe dafür könnten die Antenne des Digimondo-Gateways, aber auch der Gateway-Standort selbst und vor allem das eine einzige Gateway sein. Theoretisch könnte sogar die 2G/3G-Mobilfunkverbindung zur Cloud ein Teil des Problems sein.

Mein Fazit: LoRa-Funkzellen müssen im Vorfeld geplant und berechnet werden. In die Rechnung sollten die Details der Standorte und nach Möglichkeit jede einzelne Wandstärke einfließen. Sonst darf man sich nicht wundern, dass man mit LoRa in einer Großstadt noch nicht mal einen Kilometer zwischen einem einzigen Gateway und den Devices problemlos überbrücken kann.

Ist LoRa also letztendlich wohl doch zu teuer?

Walter: Im März 2017 hat der Mobilfunkexperte Harald Naumann in einem Vortrag eine interessante Rechnung aufgemacht: Würde ein neu in den Markt eintretender Funknetzwerk-Provider beispielsweise das Stadtgebiet von Hannover mit LoRa-Gateways ausstatten, um beliebigen IoT-Kunden eine mehr oder weniger lückenlose Funkabdeckung bis in Keller und Parkdeck-Untergeschosse anzubieten, sind bereits Gateway-Standort-Mietkosten zwischen 1,2 und 7 Mio. Euro pro Jahr als Fixkosten zu erwarten. Naumann rechnete vor, dass pro ‚LoRa Base Transceiver Station (LoRa-BTS)‘ (entspricht dem LoRa-Gateway) in einer typischen Stadtumgebung ungefähr 0,57 Quadratkilometer funktechnisch ‚ausgeleuchtet‘ werden. Insofern wären für das 204 Quadratkilometer große Stadtgebiet von Hannover etwa 358 LoRa-BTS erforderlich. Bei monatlichen BTS-Standortmietpreisen zwischen 300 und 3.000 Euro (durchschnittlicher Mietpreis = 1.650 Euro) kommt man dann auf die 1,2 bis 7 Mio. Euro pro Jahr. In anderen Städten würden die Rechnungen ähnlich aussehen. Mit einer halbwegs seriösen Investitionsrechnung hätte einem Start-up wie Digimondo eigentlich vor dem Markteintritt auffallen müssen, das ein Geschäftsmodell als LoRa-Funknetzwerk-Provider wirtschaftlich wohl kaum funktionieren dürfte. Lediglich für einen bereits etablierten Provider, wie etwa der Telekom, könnte sich so eine Investition rechnen. Das LoRa-Gateway wäre im einfachsten Fall ein ‚zusätzlicher Kasten mit Antenne‘ an einem bereits gemieteten Standort. Da die Telekom sich allerdings für die LoRa-Konkurrenztechnologie NB-IoT im lizenzpflichtigen Frequenzbereich entschieden hat, dürfte sich LoRa in Deutschland wohl in erster Linie für großflächige IoT-Funknetze auf Betriebsgrundstücken eignen. Hier kann der Anwender die Gateways selbst installieren. Die Fixkosten reduzieren sich dann auf die Stromversorgung.