Effiziente LoRaWAN^®-Netzplanung und -optimierung

Die erfolgreiche Implementierung und Optimierung eines LoRaWAN-Netzes erfordert präzise Planung, wirtschaftliche Abwägung sowie kontinuierliche Qualitätssicherung. PHYSEC bietet mit einem 4+2 Phasenmodell eine methodische Vorgehensweise, die Netzbetreiber dabei unterstützt, technisch effiziente und wirtschaftlich nachhaltige LoRaWAN-Infrastrukturen aufzubauen und zu betreiben.

Eine präzise Planung bildet die Grundlage für ein stabiles Netzwerk. Relevante Faktoren wie topografische Gegebenheiten (die wir bspw. von der ESA, NASA und anderen Quellen beziehen), Stadtbilder sowie verfügbare Liegenschaften für die Installation der Gateways müssen berücksichtigt werden. Simulationsgestützte Planungen ermöglichen eine optimale Standortwahl und gewährleisten eine hohe Netzabdeckung. 

Die von PHYSEC eigens entwickelten softwaregestützten Simulationen nutzen topografische Informationen der Stadt oder eines Stadtteils, Gebäudesimulationen und Wellenausbreitungsmodelle, um mögliche Szenarien und Netzwerkausbreitung zu testen und zu optimieren, bevor der tatsächliche Ausbau beginnt. So können Netzlücken frühzeitig identifiziert und die optimale Platzierung der Gateways sichergestellt werden. Ein anschauliches Beispiel für eine erfolgreiche Netzoptimierung bietet unser LoRaWAN-Optimierungsprojekt in Gelsenkirchen, bei dem eine gezielte Anpassung der Infrastruktur die Netzqualität erheblich verbessert hat.

Wichtige Aspekte bei der Erstellung des Planungskonzepts sind: 

• Erhebung geografischer Daten und Gebäudehöhen 

• Software-Simulationen zur Funkreichweitenanalyse 

• Festlegung potenzieller Gateway-Standorte 

• Modellierung und Optimierung möglicher Netzszenarien vor dem Ausbau 

Ein wirtschaftlich optimiertes Netzwerk minimiert Infrastrukturkosten und garantiert Service Levels (Stichwort SLA). Eine genaue Analyse von Soll- und Ist-Zuständen, bestehenden Gateway-Standorten und Betriebskosten für verschiedene Szenarien ist daher erforderlich. Anschließend folgt eine iterative Optimierung in drei Schritten, die sicherstellt, dass sich das Netz an sich verändernde Rahmenbedingungen anpasst. 

Die Skalierbarkeit eines LoRaWAN-Netzes spielt dabei eine entscheidende Rolle. In unserem Beitrag zur Skalierung von LoRaWAN-Netzen gehen wir darauf ein, welche Faktoren bei der Erweiterung und Verdichtung eines Netzwerks berücksichtigt werden müssen, um Effizienz und langfristige Wirtschaftlichkeit sicherzustellen.

Simulation von Soll- und Ist-Zustand: 

• Abgleich der geplanten Netzstruktur mit der tatsächlichen Netzabdeckung 

• Berücksichtigung bereits installierter LoRaWAN-fähiger Endgeräte und geplanter Erweiterungen

Detaillierte Erreichbarkeitsplanung: 

• Evaluierung von Netzabschnitten basierend auf Endgerätestandorten (GPS-Koordinaten oder auflösbare Adressen) sowie vorhandenen und geplanten Gateway-Standorten

• Berücksichtigung der Installationshöhe und wirtschaftlicher Faktoren wie Gestattungs- und Betriebskosten für eine Laufzeit von zehn Jahren 

Optimierung durch Simulationen: 

• Nutzung von softwaregestützten Simulationen unter Einbezug von topografischen Daten, Gebäudesimulationen und Wellenausbreitungsmodellen 

• Anpassung des Netzaufbaus, um eine maximale Effizienz und Abdeckung sicherzustellen 

• Kontinuierliche Anpassung und wirtschaftliche Optimierung des LoRaWAN-Netzes durch diese iterative Vorgehensweise 

Die Wirtschaftlichkeitsbewertung eines LoRaWAN-Netzwerks kann auch im ersten Schritt umgesetzt werden. Sie ist insbesondere für kaufmännische Geschäftsführende von entscheidender Bedeutung, da sie eine fundierte Entscheidungsgrundlage für Investitionen und strategische Entwicklungen bietet. Durch eine detaillierte Kosten-Nutzen-Analyse lassen sich sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten abwägen und mit dem erwarteten Return on Investment (ROI) vergleichen. Ein solches Netzwerk ermöglicht zudem erhebliche Effizienzsteigerungen, indem es manuelle Prozesse reduziert, Abläufe optimiert und beispielsweise Predictive Maintenance unterstützt, wodurch ungeplante Stillstandszeiten und Wartungskosten gesenkt werden können. 

Darüber hinaus eröffnet LoRaWAN neue Geschäftsmodelle und Umsatzpotenziale, etwa durch datenbasierte Services, Pay-per-Use-Modelle oder die Erweiterung des Produktportfolios um IoT-gestützte Dienstleistungen. Unternehmen, die frühzeitig in diese Technologie investieren, können sich zudem entscheidende Wettbewerbsvorteile sichern, indem sie ihre Effizienz steigern, regulatorische Anforderungen leichter erfüllen und ihre technologische Spitzenposition festigen. Die hohe Skalierbarkeit und Flexibilität eines LoRaWAN-Netzwerks ermöglicht es, zukünftige Erweiterungen kosteneffizient umzusetzen, während die lange Batterielebensdauer der Sensoren zur langfristigen Rentabilität beiträgt. 

Zusätzlich gewinnt die Technologie im Kontext der Nachhaltigkeit an Bedeutung, da sie durch eine optimierte Ressourcennutzung zur Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks beiträgt und intelligente Lösungen für Smart Cities und Industrie 4.0-Anwendungen ermöglicht. Insgesamt können Geschäftsführende anhand einer fundierten Wirtschaftlichkeitsbewertung beurteilen, inwieweit ein LoRaWAN-Netzwerk die digitale Transformation des Unternehmens unterstützt und welche wirtschaftlichen sowie strategischen Vorteile sich daraus ergeben. 

Nach den Simulationen folgt die praktische Überprüfung. Sobald ein Netzabschnitt mit einer bestimmten Anzahl an Gateways ausgestattet ist, erfolgen Feldmessungen mit mobilen Testgeräten, um die tatsächliche Netzqualität zu überprüfen. 

Wichtige Aspekte dabei sind:  

• Nutzung mobiler Testgeräte zur Messung der Netzabdeckung und Signalqualität 

• Vergleich realer Messergebnisse mit Simulationsdaten 

• Anpassung der Netzarchitektur bei Abweichungen 

Fehler gehören zum Fortschritt – wer nie Fehler macht, hat vermutlich noch nie wirklich etwas Neues ausprobiert. Auch während des Betriebs eines LoRaWAN-Netzes können verschiedene Probleme auftreten, die eine schnelle Analyse und gezielte Behebung erfordern. Insbesondere in hybriden Netzwerkkonzepten, die LoRaWAN mit anderen Technologien kombinieren, können zusätzliche Herausforderungen auftreten. Unser Beitrag zu LoRaWAN mit wM-Bus-Fallback zeigt, wie diese Kombination eine nahezu vollständige Abdeckung gewährleistet und dabei Netzlücken zuverlässig schließt. 

Häufige Störungen entstehen durch falsch montierte und angeschlossene Antennen, beschädigte Kontaktstellen oder Signalstörungen durch bauliche Veränderungen in der Umgebung. Um die langfristige Funktionsfähigkeit des Netzes zu gewährleisten, sind regelmäßige Überprüfungen und systematische Fehlersuchen notwendig. 

Bei Verdacht auf Netzwerkprobleme sollte eine detaillierte Analyse der betroffenen Gateways und Endgeräte erfolgen. Hierzu zählt die Überprüfung der Signalstärke, der Empfangsqualität und der korrekten Konfiguration der Netzparameter. Falls Unregelmäßigkeiten festgestellt werden, kann eine Vor-Ort-Inspektion erforderlich sein, um mechanische, elektronische oder nachrichtentechnische Defekte auszuschließen. 

Zusätzlich können gezielte Messungen und Vergleiche mit historischen Daten helfen, sich anbahnende Probleme frühzeitig zu erkennen. Die Dokumentation von Fehlern und deren Behebung trägt dazu bei, zukünftige Störungen schneller zu identifizieren und entsprechende Maßnahmen effizient umzusetzen. 

Die Konfiguration des LoRaWAN Network Servers (LNS) ist ab einer gewissen Netzgröße zudem sehr komplex und fehlerhafte Einstellungen können häufig zu Empfangsproblemen führen. Insbesondere können falsche Anpassungen der RX1-Verzögerung dazu führen, dass Endgeräte keine Downlink-Nachrichten mehr empfangen, was die manuelle Neuanbindung zahlreicher Sensoren erforderlich machen kann. Daher ist es essenziell, die MAC-Protokolle, Adaptive Data Rate (ADR) und spezifische Parameter sorgfältig zu konfigurieren, um die Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit des Netzwerks sicherzustellen. 

Ein stabiles LoRaWAN-Netz erfordert eine kontinuierliche Überwachung. Die Implementierung und Dokumentation eines digitalen Zwillings des Netzwerks stellt sicher, dass Engpässe frühzeitig erkannt und die Netzarchitektur optimiert werden kann. Hierbei kommt ein leistungsfähiges Monitoring-System zum Einsatz, das durch eine kontinuierliche Ground-Truth-KPI-Überwachung wertvolle Einblicke in die Netzperformance liefert. 

Datengetriebene Analysen spielen dabei eine entscheidende Rolle, indem sie Engpässe im Netzverkehr identifizieren und Möglichkeiten zur Optimierung aufzeigen. Dabei werden Netzparameter regelmäßig überprüft und angepasst, um Effizienz und Stabilität zu gewährleisten. Dazu zählen insbesondere die Anpassung von Empfangsfenstern, Frequenzbändern und ADR-Algorithmen, wodurch sich das Netzwerk flexibel an neue Anforderungen anpassen kann. 

Mit dem kontinuierlichen Ausbau eines LoRaWAN-Netzes wächst die Infrastruktur in ihrer Komplexität. Eine regelmäßige Bewertung der Netzperformance ist notwendig, um unzureichende Abdeckung zu erkennen und gezielt zu optimieren. Dabei wird geprüft, ob zusätzliche Gateways erforderlich sind, um eine flächendeckende Konnektivität sicherzustellen. 

Der Netzausbau erfolgt schrittweise unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Faktoren, technischer Machbarkeit und langfristiger Skalierbarkeit. Neue Gateway-Standorte werden strategisch ausgewählt, um die Netzabdeckung zu verbessern, ohne unnötige Redundanzen zu erzeugen. Zudem wird jede Erweiterung sorgfältig dokumentiert, um den Fortschritt nachvollziehbar zu machen und fundierte Entscheidungen für zukünftige Anpassungen zu ermöglichen. Durch diesen nachhaltigen Ansatz wird sichergestellt, dass das LoRaWAN-Netz langfristig stabil, effizient und wirtschaftlich betrieben werden kann.