Dr. Thorsten Kramp, Master Inventor am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon (Bild: IBM).
Rüschlikon – IBM Research – Zürich und der Sensortechnikhersteller Semtech stellen ein neues Technologiepaket für die Einrichtung und Anwendung von energiearmen und grossflächigen drahtlosen Sensor-Netzwerken, so genannten Low-Power-Wide-Area-Networks (LPWAN), vor. Die Technologie nutzt ein lizenzfreies Funkfrequenz-Spektrum, basiert auf offenen Standards und bietet hohe Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Skalierbarkeit bei geringem Energieverbrauch.
Telekommunikations- und Network-as-a-Service-Anbieter (NaaS) können damit einfacher vielfältige neue IoT-Dienstleistungen für Unternehmen und Endkunden anbieten. Zudem beteiligen sich IBM und Semtech im Rahmen der neu formierten LoRa Alliance gemeinsam mit weiteren Unternehmen, darunter auch Swisscom, an der Entwicklung und Umsetzung offener Standards, um dem Internet der Dinge endlich zum Durchbruch zu verhelfen.
Seit Jahren wird über das immense Potential des Internet of Things (IoT) gesprochen. Die Vernetzung von Geräten und Sensornetzwerken bieten neue Möglichkeiten, um etwa Transport- und Lieferketten, Gebäude, Industrieanlagen, Verkehrssysteme oder Infrastrukturen ganzer Städte besser und sinnvoller zu betreiben. Bisher war die Einrichtung solcher Netzwerke jedoch aufgrund hoher Kosten, hohem Batterieverbrauch der Sensoren und Geräte, geringer Reichweiten der Signalübertragung und nicht zuletzt aufgrund fehlender Standards schwierig.
Wenig genutztes, lizenzfreies Funkspektrum
Wissenschaftler von IBM Research – Zürich und Semtech haben daher ein Technologiepaket für LPWAN entwickelt, das ein wenig genutztes, lizenzfreies Funkspektrum verwendet. Im Vergleich zu Mobilfunknetzen und Wifi bietet die Technologie signifikante Vorteile für Machine-to-Machine-Netzwerke und dies bei geringeren Installationskosten, da weniger Sendestationen und Repeater gebraucht werden.
Die beiden Partner setzen dabei auf offene Standards. Im Rahmen der nun offiziell gestarteten LoRa™ Alliance treiben sie die Standardisierung des ursprünglich von Semtech, IBM und Actility entwickelten LoRaWAN™ Protokolls (long range wide-area networks), einer Spezifikation für LPWAN, voran. Zu den weiteren Mitgliedern, die sich bereits dem offenen Industriekonsortium angeschlossen haben, zählen Technologieunternehmen und Telekommunikationsanbieter aus Europa, Asien, Nordamerika und Afrika, darunter Cisco Systems und Swisscom.
Distanzen von über 100 km bei optimalen Bedingungen
LoRaWAN ist für die Verbindung von Sensoren über grosse Distanzen mit bestmöglicher Batterielebensdauer und geringstmöglichen Infrastruktureinsatz optimiert. Damit liefert das Protokoll wichtige Vorteile im Hinblick auf Mobilität, Zwei-Wege-Kommunikation und Positionierung. Durch den Einsatz der LoRaWAN-Technologie können Sensoren Daten über Distanzen von über 100 km bei optimalen Bedingungen, über 15 km in ländlichen Gebieten und 2km und mehr in dicht bebauten städtischen Gebieten bei Übertragungsraten von 300 Bit/s bis zu 100 kBit/s senden. Dies ist ideal für die Übermittlung kleiner Datenmengen, wie GPS-Koordinaten oder Klimadaten, in Gebieten ohne Breitbandverbindungen. Die Sensoren verbrauchen ausserdem nur sehr wenig Energie und ermöglichen damit eine Lebensdauer von bis zu 10 Jahren mit einer einzelnen Batterie. Die IBM Forscher haben mit „LoRaWAN in C“ das LoRaWAN-Protokoll auch Sensornetzwerk-Entwicklern mittels einer Eclipse Public License frei verfügbar gemacht.
Long Range Signaling und Control Software (LRSC)
Eine weitere Schlüsseltechnologie ist die am IBM Forschungslabor Zürich entwickelte IBM Long Range Signaling und Control Software (LRSC). IBM LRSC ist die Middleware, die es ermöglicht, Millionen von Geräten zu verbinden und zu managen und – in Kombination mit dem IBM Internet of Things Foundation Cloud Service – zu skalieren. So sind auch sehr grosse IoT-Installationen möglich. In der Entwicklung von IBM LRSC wurde ausserdem von Anfang an Wert auf bestmögliche Sicherheit gelegt. Der von den Forschern implementierte AES128-Verschlüsselungsstandard bietet hohen Schutz der Kommunikation vor unberechtigten Eingriffen oder Lauschattacken.
„Das Internet der Dinge verändert unsere Welt – angefangen von besserer Verkehrskontrolle bis hin zu grösserer Energieeffizienz von Gebäuden“, sagt Dr. Thorsten Kramp, Master Inventor am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon. „Solche Technologiefortschritte, wie der heute angekündigte, können die Vision einer intelligenten und vernetzten Welt Realität werden lassen, in dem sie Reichweite, Langlebigkeit und Interoperabilität von Sensoren verbessern.“
Überwachung von Füllmengen von Propan- und Öltanks
Die von Semtech und IBM Research entwickelten Technologien bieten eine 360°-Lösung für LPWAN, die die Anforderungen zahlreicher aufkommender und neuer Anwendungen erfüllt. Dazu gehören z.B. Smart Metering, Parkleitsysteme oder auch Inventarsysteme und Sicherheit. Senet, ein NaaS M2M-Betreiber in New Hampshire (USA), wird bis Ende des Jahres zum Beispiel 20.000 LoRa-Sensoren mit IBMs LRSC-Software installieren, um die Füllmengen von Propan- und Öltanks an der Ost- und der Westküste der USA zu überwachen. Die Sensoren erfassen jede Stunde mehrere Parameter, wie z.B. Treibstoffmenge und Zustand der Sensoren, und übermitteln diesen Daten an die Treibstofflieferanten, die dann ihre Lieferungen entsprechend anpassen und terminieren können.
„Nun müssen wir nicht mehr raten, wann ein Tank nachgefüllt werden muss,” erklärt George Dannecker, der CEO von Senet. „Unsere Messinstrumente sind genau und arbeiten dank der LoRa-Technologie über grössere Distanzen, so dass wir unsere Infrastrukturkosten herabsetzen und diese Einsparungen an unsere Kunden weiter geben können. Ausserdem müssen sie nicht mehr befürchten, dass der Brennstoff ausgeht, da die Nachschublieferung nun automatisch rechtzeitig eintrifft.“ Auch das südafrikanische Telekommunikationsunternehmen FastNet, ein weiterer Partner der LoRa Alliance, sieht dank der neuen Technologie eine Vielzahl neuer Anwendungsgebiete für Geschäfts- und Privatkunden entstehen. „Wir sehen ein sehr grosses Potenzial für LPWAN in Südafrika, besonders im Energiebereich”, sagt John Myers, CEO von FastNet. „Es gibt eine grosse Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten für diese Technologie, angefangen in der Medizin bis hin zu landwirtschaftlichen Betrieben.” (IBM/mc/hfu)
Über die LoRa Alliance
Im Januar entstand die LoRa Alliance™ als offenes Industriekonsortium, um offene Standards für drahtlose Netzwerke mit niedrigem Stromverbrauch zu entwickeln. Ziel ist es, Kompatibilität und Interoperabilität für das Internet der Dinge, M2M-Kommunikation sowie kommerzielle Anwendungen zu schaffen. Zu den derzeitigen Mitglieder der Organisation gehören u.a. Actility, Cisco, Eolane, IBM, Kerlink, IMST, MultiTech, Sagemcom, Semtech und Microchip Technology sowie Telekommunikationsanbieter wie Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom und FastNet. Weitere Informationen finden Sie unter: http://lora-alliance.org/