Dieses Whitepaper erklärt einfach und verständlich, was LPWAN (Low Power Wide Area Network)ist und warum es für das Internet der Dinge (IoT) eine entscheidende Rolle spielt. LPWAN Technologien wie LoRa®, NB-IoT, mioty® und LTE-CAT-M1 ermöglichen es, kleine Datenmengen über große Entfernungen bei minimalem Energieverbrauch zu übertragen. Dies macht sie ideal fürAnwendungen in Bereichen wie Smart Cities, Industrie 4.0, Landwirtschaft undVersorgungsunternehmen.
Das Whitepaper beschreibt, wie LPWAN funktioniert, welche Technologien es antreiben, und
welche Vorteile es gegenüber anderen drahtlosen Netzwerken bietet.

Grundsätzliches - Wie funktionierts?

LPWAN steht für Low Power Wide Area Network. Es ist eine Technologie, die speziell für das
Internet der Dinge (IoT) entwickelt wurde. Mit LPWAN können Geräte über große Entfernungen
kommunizieren und dabei sehr wenig Energie verbrauchen. Das macht LPWAN ideal für viele IoTAnwendungen, bei denen Sensoren Daten über längere Zeiträume senden müssen, ohne dass
Batterien häufig gewechselt werden.
Wie funktioniert LPWAN?
Ein Sensor mit einer Batterielaufzeit von über 5 Jahren misst physikalische Parameter wie Distanz noder Temperatur. Diese Daten sendet er über eine Reichweite von bis zu 10 Kilometern an eine Cloud. Die gemessenen Werte können Sie dann einfach auf Ihrem Bildschirm sehen.
Somit besteht ein LPWAN-Netzwerk aus drei Hauptkomponenten:

Sensoren: Diese erfassen physikalische Daten wie Temperatur, Feuchtigkeit oder Bewegung. Die Sensoren sind klein und energieeffizient, was es ihnen ermöglicht, über viele Jahre hinweg kontinuierlich Daten zu sammeln.
Gateways: Gateways empfangen die Daten der Sensoren und senden sie weiter an die Cloud. Sie funktionieren ähnlich wie WLAN-Router und verbinden das Netzwerk der Sensoren mit dem Internet.
Cloud: Die Daten werden in der Cloud gespeichert, verarbeitet und dem Benutzer über Web-Anwendungen oder Dashboards zugänglich gemacht. Von hier aus können die gesammelten Daten analysiert und zur Optimierung von Prozessen genutzt werden.

Die Datenübertragung bei LPWAN erfolgt über lange Distanzen – in ländlichen Gebieten können
Reichweiten von bis zu 15 Kilometern erreicht werden, in städtischen Umgebungen sind es in der
Regel 2 bis 5 Kilometer.

LPWAN, LoRa®, NB-IoT, MIOTY® und Co. - Was hat es damit auf sich?

LPWAN beschreibt ein Netzwerk, in dem mehrere Sensoren miteinander verbunden sind. Dies
funktioniert ähnlich wie bei WLAN oder LAN, jedoch mit einem wichtigen Unterschied: LPWAN Sensoren sind besonders energieeffizient. Sie benötigen nur wenig Strom und haben dadurch
eine sehr lange Batterielaufzeit.
Im Gegensatz zu WLAN-Netzwerken können LPWAN-Systeme nur kleine Datenmengen senden.
Dafür bieten sie aber eine viel größere Reichweite und eine lange Laufzeit der Sensoren.

Was bedeuten LoRa®, mioty®, NB-IoT und LTE-CAT-M1?

Diese Begriffe stehen für verschiedene Kommunikationsstandards, ähnlich wie WLAN oder
Bluetooth. LPWAN-Technologien wie LoRa®, mioty®, NB-IoT und LTE-CAT-M1 nutzen spezielle
Funkfrequenzen, um Daten über große Entfernungen zu übertragen.

LPWAN-Technologien im Überblick:

LoRa® und LoRaWAN®: Ideal für große Entfernungen und minimalen Energieverbrauch.
NB-IoT: Nutzt Mobilfunknetze für eine weite Abdeckung ohne zusätzliche Infrastruktur.
LTE-CAT-M1: Bietet höhere Datenraten und ist ideal für Tracking-Lösungen.
mioty®: Noch effizienter, robuster, weiter und langlebiger - ideal für skalierbare Anwendungen mit vielen Geräten

LoRa® und LoRaWAN®

Viele Menschen verwechseln die Begriffe LoRa® und LoRaWAN®, weshalb wir hier Klarheit
schaffen möchten. LoRa® bezieht sich auf die spezielle Funktechnologie, die von Semtech®
entwickelt wurde und eine energieeffiziente Kommunikation über lange Distanzen ermöglicht.
LoRaWAN® hingegen ist das Kommunikationsprotokoll und die Netzwerkarchitektur, die diese
Technologie für den Einsatz in einem Netzwerk nutzbar macht.
LoRaWAN® verwendet sogenannte Gateways, um Daten von Sensoren ins Internet zu übertragen.
Diese Gateways funktionieren ähnlich wie WLAN-Router. Der Sensor sendet Daten an das
nächstgelegene Gateway, das sie weiter ins Internet überträgt.
Um LoRaWAN® zu nutzen, benötigen Sie Gateways. Diese sollten idealerweise an hohen Orten,
wie Dächern oder Türmen, installiert werden. Die Reichweite von LoRaWAN® variiert je nach
Umgebung: In Städten sind bis zu 2 Kilometer möglich, auf dem Land können es bis zu 15
Kilometer sein. LoRa® kann auch ohne Gateways verwendet werden, wenn eine direkte Punkt-zu Punkt-Kommunikation gewünscht ist.

💡 LoRa® bezeichnet die Funktechnologie, während LoRaWAN® das dazugehörige
Netzwerkprotokoll darstellt. Sensoren senden ihre Daten an Gateways, die diese
Informationen ins Internet weiterleiten. Je nach Umgebung sind Reichweiten von 2
bis 15 Kilometern möglich.

NB-IoT

NB-IoT nutzt das bestehende Mobilfunknetz, um Daten von Sensoren zu übertragen. Jeder
Sensor benötigt dafür eine spezielle SIM-Karte, ähnlich wie bei einem Smartphone. Einige Anbieter bieten sogar Prepaid-Pakete für bis zu 10 Jahre an.
NB-IoT verwendet die LTE-Frequenzbänder, ist aber im Vergleich zu normalem LTE (das Sie von
Ihrem Handy kennen) auf Energieeinsparung optimiert. Das Besondere an NB-IoT: Sie brauchen
keine zusätzlichen Gateways oder spezielle Hardware. Die Sensoren können direkt mit den
Mobilfunkmasten kommunizieren.

Mobile NB-IoT Verfügbarkeit am Sentinum GmbH Standort in Nürnberg Ob NB-IoT in Ihrer Region verfügbar ist, können Sie über Karten der Mobilfunkanbieter wie der Telekom prüfen. Auch andere
Anbieter bieten NB-IoT-Dienste an. Im Beispiel sehen Sie die NB-IoT Verfügbarkeit am Sentinum GmbH Standort in Nürnberg.

💡 NB-IoT basiert auf dem Mobilfunknetz und nutzt Mobilfunkmasten als Gateways.
Sensoren benötigen spezielle SIM-Karten und können ohne zusätzliche Infrastruktur
betrieben werden. NB-IoT ist besonders energieeffizient und nutzt das LTESpektrum

LTE-CAT-M1

Wie jede Technologie hat auch NB-IoT Konkurrenz. Eine dieser Alternativen ist LTE-CAT-M1. Genau wie NB-IoT nutzt LTE-CAT-M1 die bestehende Mobilfunkinfrastruktur, um Daten von Sensoren zu übertragen. Das bedeutet, dass keine zusätzlichen Gateways nötig sind, und die Sensoren direkt mit Mobilfunkmasten kommunizieren

Der Unterschied? LTE-CAT-M1 bietet höhere Datenraten als NB-IoT, verbraucht dabei aber etwas Mehr Energie. Während NB-IoT besser für Anwendungen geeignet ist, die nur kleine Datenmengen benötigen (wie Temperaturüberwachung), ist LTE-CAT-M1 besser für Anwendungen, die etwas mehr Bandbreite brauchen (wie z.B. das Tracking von Fahrzeugen).

Nicht alle Länder unterstützen beide Technologien. Manche Länder setzen auf NB-IoT, andere auf LTE-CAT-M1. In einigen Regionen gibt es sogar beide Standards. Welche Technologie sich
langfristig durchsetzen wird, ist noch unklar. Es ist aber gut möglich, dass beide Technologien
nebeneinander bestehen bleiben, da sie unterschiedliche Anwendungsbereiche abdecken.

💡 LTE-CAT-M1 verwendet ebenfalls Mobilfunkmasten und ähnelt NB-IoT, allerdings mitetwas höheren Datenraten und kürzeren Batterielaufzeiten. Diese Technologie eignet sich für Anwendungen, die eine etwas größere Datenmenge senden müssen, z. B. für Tracking-Lösungen.

MIOTY®

mioty® ist eine vom Fraunhofer Institut entwickelte LPWAN-Technologie. Sie ermöglicht lange
Batterielaufzeiten, kostengünstige Hardware und eine große Reichweite. Der Name mioty® steht
für "My Internet of Things". Die Technologie soll in Smart Cities und in der Industrie Anwendung
finden.
Was macht mioty® so besonders?
Im Gegensatz zu anderen LPWAN-Standards verwendet mioty® das Telegram Splitting Verfahren. Dabei werden die vom Sensor gesendeten Daten in viele kleine Pakete aufgeteilt. Diese Pakete werden zu unterschiedlichen Zeiten und auf verschiedenen Frequenzen gesendet und vom Gateway wieder zusammengesetzt.

Vorteile von Telegram Splitting:

Höhere Batterielaufzeit: Der Sensor benötigt weniger Energie, was die Laufzeit verlängert.
Weniger Störungen: Da die Daten in kleinen Teilen übertragen werden, ist die Technologie
robuster gegenüber Interferenzen.
Größere Skalierbarkeit: Mit mioty® können mehr Geräte an weniger Gateways angebunden
werden, was besonders in großen Netzwerken von Vorteil ist.

Diese Vorteile machen mioty® besonders geeignet für Anwendungen mit vielen Geräten, wie in Smart Cities oder industriellen Umgebungen. Wie bei LoRaWAN® können auch bei mioty® eigene Gateways installiert werden, um das Netzwerk zu erweitern.

💡 mioty® ist eine vom Fraunhofer Institut entwickelte Technologie, die auf besonders
lange Batterielaufzeiten, hohe Störfestigkeit und Skalierbarkeit ausgelegt ist. Durch
das sogenannte Telegram Splitting Verfahren werden Datenpakete in kleinere Teile
zerlegt und dadurch robuster und effizienter übertragen.

Telegram Splitting einfach erklärt

Die Grafik zeigt, wie das Telegram Splitting bei der Datenübertragung funktioniert. In der oberen
Darstellung wird ein ganzes Datenpaket auf einmal über eine Frequenz gesendet. Wenn es dabei
zu Störungen (Interferenzen) kommt, gehen die Daten verloren und können nicht empfangen
werden.

In der unteren Darstellung wird das Prinzip des Telegram Splitting veranschaulicht. Hier wird dasDatenpaket in viele kleine Teilpakete aufgeteilt, die auf verschiedenen Frequenzen und zu unterschiedlichen Zeiten gesendet werden. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit viel geringer, dass alle Teilpakete gleichzeitig von Störungen betroffen sind. Selbst wenn einige Teilpakete durch Interferenzen verloren gehen, können die restlichen Daten erfolgreich empfangen und zusammengesetzt werden

image-png-May-13-2025-02-05-44-1418-PM

Unterschiede - Welchen Kommunikationsstandard wann benutzen?

mioty® und LoRaWAN® sind die energiesparendsten Technologien im Vergleich. Sie sind ideal,
wenn Sie viele kleine Datenmengen über den Tag verteilt senden möchten, da sie die Batterien
besonders lange halten. Beide Technologien eignen sich gut für Anwendungen, bei denen die
Übertragung kleiner, aber regelmäßiger Datenmengen über weite Strecken notwendig ist, wie zum Beispiel bei Umweltüberwachung oder Smart Cities.

NB-IoT und LTE-CAT-M1 verbrauchen mehr Energie, bieten aber die Möglichkeit, größere
Datenmengen zu übertragen. Sie sind besser geeignet, wenn die Datenmenge größer ist, wie bei
Tracking-Anwendungen oder industriellen Überwachungsprozessen. Dennoch ist auch bei diesen
Technologien das Übertragen von sehr großen Datenmengen, wie etwa Videos, nur begrenzt
möglich, vor allem wenn die Geräte energieautark sein sollen.

Für den Einsatz von IoT-Anwendungen hängt die Wahl des Standards von den spezifischen
Anforderungen ab: mioty® und LoRaWAN® für lange Batterielaufzeit und kleine Datenmengen,
NB-IoT und LTE-CAT-M1 für größere Datenübertragungen mit etwas höherem Stromverbrauch.

Typische Einsatzbereiche für LPWAN

LPWAN wird in vielen Bereichen eingesetzt, vor allem dort, wo Sensoren über weite Strecken
Daten senden müssen und wo der Energieverbrauch entscheidend ist. Hier sind einige typische
Anwendungsfelder:

Smart Cities: In Städten können LPWAN-Sensoren genutzt werden, um Parkplätze, Mülltonnen oder die
Luftqualität zu überwachen. Sie helfen dabei, städtische Prozesse effizienter zu gestalten.
Industrie 4.0: In der Industrie werden LPWAN-Sensoren eingesetzt, um Maschinen und Anlagen zu überwachen. Sie können den Zustand von Maschinen in Echtzeit melden und so Wartungen planen oder Ausfälle verhindern.
Landwirtschaft: In der Landwirtschaft überwachen LPWAN-Sensoren z.B. die Bodenfeuchtigkeit, das Wetter oder die Bewegungen von Tieren. Dies hilft den Landwirten, ihre Ressourcen effizienter zu nutzen und Erträge zu steigern.
Versorgungsunternehmen: Wasser-, Gas- oder Stromzähler können mit LPWAN-Technologie automatisch und regelmäßig ihre Daten senden. So müssen Versorgungsunternehmen keine Zählerstände mehr manuell ablesen.

Einfache Erklärung am Beispiel : Grundwassermessung

Viele Kommunen müssen regelmäßig den Grundwasserpegel messen. Das kostet Zeit und Geld, da Mitarbeiter verschiedene Messpunkte anfahren müssen. Mit einem energieautarken Sensor kann
dieser Prozess automatisiert werden. Der Sensor überwacht den Pegel kontinuierlich und sendet
die Daten.
Unsere Sensoren können je nach Sendeintervall biszu 5 Jahre ohne Wartung laufen. Sie messen den Pegel 24 Mal am Tag und senden ihn 12 Mal. Die Daten werden direkt auf Ihrem Bildschirm angezeigt. image-png-May-13-2025-02-25-19-8342-PM

Wenn voreingestellte Grenzwerte überschritten werden, kann die Messrate erhöht und ein Alarm per E-Mail oder Push-Benachrichtigung ausgelöst werden.

Die Daten lassen sich auch als Historie in Form von Grafiken anzeigen. Alle Funktionen sind übereine Webanwendung verfügbar.

Die Webanwendung - Wie kommen die Daten zu mir an den Bildschirm?

Die Daten vom Sensor werden über ein Gateway oder einen Mobilfunkmast ins Internet gesendet. Dort landen sie in der Cloud, wo sie gespeichert und weiterverarbeitet werden. Die
Webanwendung läuft ebenfalls in der Cloud und zeigt Ihnen die Daten grafisch an. Sie müssen
keine Software installieren. Alles läuft im Browser und ist von jedem Gerät aus erreichbar, sei es
ein Smartphone, Tablet oder Computer.

Sentinum - Was macht Sentinum?

Sntinum entwickelt maßgeschneiderte IoT-Lösungen, die sich auf energieeffiziente LPWAN Technologien wie mioty®, LoRaWAN und NB-IoT stützen. Wir bieten umfassende IoT-Systeme,
von der Hardware über die Netzwerkinfrastruktur bis hin zur Cloud-Lösung.

Unsere Sensoren sind energieautark und können über Jahre hinweg betrieben werden, ohne dass
sie regelmäßig gewartet werden müssen. Das macht sie ideal für Anwendungen in Smart Cities,
Industrie 4.0 und der Landwirtschaft.

Unsere Kernkompetenzen umfassen:
Entwicklung von Sensor-Hardware und IoT-Geräten.
Bereitstellung und Verwaltung von LPWAN-Netzwerken und Cloud-Infrastrukturen.
Hosting und Analyse der Daten mit Hilfe von Machine Learning (ML).
Anpassung der Lösungen an spezifische Kundenanforderungen.

Kontaktieren Sie uns
Haben Sie Fragen oder möchten Sie mehr über unsere IoT-Sensoren und -Lösungen erfahren?
Wir sind für Sie da!

📞+49 911 99868818

📧 info@sentinum.de