Wenn 200.000 intelligente Zähler zuverlässig miteinander kommunizieren sollen, ist das keine alltägliche Herausforderung – doch genau mit diesem ambitionierten Projekt wurde in Gelsenkirchen der Startschuss gesetzt. Heute überzeugt das LoRaWAN-Netzwerk bereits mit 65.000 installierten Zählern und einer durchschnittlichen Paketverlustrate von unter 20 %, nachdem sie anfänglich bei über 60 % lag. Die Netzwerkstabilität wurde nachhaltig verbessert, und durch eine optimierte Energieeffizienz der Zähler konnten rund 20 % des Energieverbrauchs eingespart werden.  

Besonders bemerkenswert ist, dass die Betriebskosten durch eine effiziente Planung der Gateways deutlich gesenkt werden konnten. Gleichzeitig wirde die Zuverlässigkeit des Netzwerks trotz der hohen Skalierung gewährleistet. Dieses Projekt hat nicht nur bestehende Anforderungen erfüllt, sondern den Grundstein für zukünftige IoT-Anwendungen und -Erweiterungen gelegt.  

Dieser Erfolg war nur möglich, weil gezielte Maßnahmen umgesetzt und zahlreiche Herausforderungen gemeistert wurden. Schauen wir uns daher nun den Weg an, der zu diesem Erfolg geführt hat. 

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In der Stadt Gelsenkirchen wurde ein ambitioniertes Projekt gestartet, um über 200.000 Wasserzähler in ein großflächiges LoRaWAN-Netzwerk zu integrieren. Ziel war es, die Zählerfernauslesung (ZFA) und die Leckage-Erkennung automatisiert, flächendeckend und fehlerresilient umzusetzen. 

Das geplante Netzwerk umfasst geografisch ca. 2300 km², über 30 Kommunen und deckt sowohl dicht besiedelte Stadtteile mit hohen Gebäuden als auch ländliche Randgebiete mit wenigen Zählern ab. Ziel war es, eine zuverlässige, skalierbare und energieeffiziente Infrastruktur zu schaffen, die eine hochverfügbare und stabile Kommunikation zwischen den Zählern und dem zentralen Managementsystem gewährleistet.  

Der schrittweise Aufbau und Betrieb des LoRaWAN-Netzes verdeutlichte die zentrale Herausforderung dieses Projekts:

Die hohe Anzahl an Zählern stellte erhebliche Anforderungen an die Netzkapazität und Skalierbarkeit. Dies spiegelte sich in den anfänglich hohen Paketfehlerraten (engl. Packet Error Rate, PER) wider – also dem Verhältnis von empfangenen zu gesendeten Nachrichten zwischen Gateways und Zählern. Mit einer durchschnittlichen PER von über 50 % war weniger als jede zweite Nachricht erfolgreich empfangbar, wodurch lediglich etwa 40 % der Zähler stabil angebunden und auslesbar waren. Diese Herausforderung zeigte, dass ohne Optimierungen weder die angestrebte Netzstabilität noch die Wirtschaftlichkeit erreicht werden konnten.

Dabei bietet das Projekt enormes Potenzial:

Trotz der hohen Anfangsinvestitionen für den Ausbau der LoRaWAN-Infrastruktur – einschließlich der Bereitstellung von rund 800 Gateways und der Installation moderner Wasser- und Wärmezähler – können durch die Automatisierung der Zählerfernauslesung und die Leckage-Erkennung erhebliche Einsparungen erzielt werden. Diese reduzieren die Betriebskosten, da nicht mehr manuell abgelesen werden muss, Fehler schneller behoben werden können und so Wasser gespart werden kann.

Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen und die langfristige Rentabilität zu sichern, mussten jedoch signifikante Optimierungen in der Netzkapazität und Infrastruktur vorgenommen werden. Denn ökonomische Berechnungen zeigten, dass das System erst dann wirtschaftlich tragfähig ist, wenn mindestens 90 % der Zähler zuverlässig angebunden und auslesbar sind. 

Zu Beginn wurde ein kleiner Netzabschnitt mit drei Gateway-Standorten und rund 2.000 geplanten Messpunkten analysiert, von denen bereits über 700 mit LoRaWAN-Zählern ausgestattet waren. 

Basierend auf einer von PHYSEC entwickelten und bewährten Evaluierungsmethode konnten die folgenden Problemursachen identifiziert werden:

• Die Downlink-Kapazität des Netzes war zum Großteil ausgereizt. 
• Die Gateways sowie deren Antennenleitungen und Antennen wurden fehlerhaft installiert. 
• Es existierten Abschattungen bestimmter Stadtteile durch Gebäude oder andere Hindernisse.

Es wurden gezielte Maßnahmen ergriffen, um die Paketverluste zu reduzieren und die Netzstabilität zu maximieren (siehe physec.de/blog/artikel/lorawan-skalierung). Ein besonderer Schwerpunkt lag auf der Optimierung der LoRaWAN-MAC-Parameter sowie der Gateway-Standortbestimmung, da diese entscheidende Rollen spielen, um die Time Division Duplex (TDD)-Kapazität und die Stabilität des Netzwerks in noch zu planenden Abschnitten zu verbessern. 

TDD teilt die verfügbare Bandbreite in separate Zeitfenster für Uplink (Datenübertragung von Geräten zur Basisstation) und Downlink (Datenübertragung von der Basisstation zu Geräten) auf. Bei LoRaWAN wird die bidirektionale Kommunikation durch das LoRaWAN-MAC-Protokoll geregelt, das festlegt, wann ein Gerät nach einem Uplink-Fenster auf einen Downlink wartet. Dies geschieht über spezifizierte Empfangsfenster und sorgt dafür, dass die begrenzte Bandbreite effizient genutzt wird und Interferenzen minimiert werden. 

Um die Stabilität und Performance des Netzwerks auch bei hoher Paketdichte zu gewährleisten, wird das Netz wie ein Regelungssystem behandelt. Das bedeutet, dass die Vielzahl an LoRaWAN-MAC-Protokoll-Einstellungen regelmäßig sorgfältig abgestimmt wird. Diese Einstellungen umfassen globale, gerätetypenabhängige und netzabschnittsabhängige Konfigurationen, die alle aufeinander abgestimmt sein müssen, um eine optimale Netzwerkleistung zu erzielen. 

Die Identifikation kosten-nutzen-optimaler Gateway-Standorte bleibt dabei ein essenzieller Faktor, um sowohl die technische als auch die wirtschaftliche Effizienz des LoRaWAN-Netzes sicherzustellen. Durch diese Maßnahmen wird nicht nur die Stabilität des Netzwerks verbessert, sondern auch der Grundstein für zukünftige Erweiterungen und Anwendungen gelegt. 

Das Ergebnis der Anpassungen reduzierte die durchschnittliche Paketverlustrate von anfänglich über 60 % auf unter 20 %. Zudem wurde die Netzwerkstabilität und -effizienz signifikant gesteigert, was zu einer Einsparung von ca. 20% Energie bei den Zählern führte.  

Durch eine effiziente Gateway-Planung konnten die Betriebskosten gesenkt werden, trotz der hohen Skalierung läuft das Netzwerk jederzeit zuverlässig. Die fortlaufende Qualitätssicherung gewährleistet, dass das Netzwerk flexibel auf neue Anforderungen reagieren kann, wie z. B. zusätzliche Sensoren oder unbekannte Smart-City-Anwendungen. Zudem wird eine bessere Synchronisation der Zähler- und Netzinstallationen angestrebt. 

Um eine ökonomische Skalierbarkeit sinnvoll bewerten zu können, empfehlen wir folgende Schritte: 

1. SLA (service level agreements) definieren, bspw. die Erreichbarkeit und die PER.
2. Experten beauftragen, eine simulationsgestützte Planung des Gesamtgebiets unter Berücksichtigung folgender Aspekte durchzuführen: 
   • Topografische Daten  
   • Standortdaten der Endgeräte des wichtigsten Business-Cases 
   • Sende- und Empfangsverhaltensprofile der Endgeräte, bspw. Join-Protokoll und Sendeintervall (15-minütig oder 4-stündig)
   • Ökonomisch gewichtete/bewertete Standortoptionen der Gateways
3. Ground Truth KPI-basierte Netzqualitätsüberwachung und -sicherung 

Die Ground Truth KPI-basierte Netzqualitätsüberwachung und -sicherung ist insbesondere während des Rollouts fundamental, da oft nicht alle Unterschiede zwischen Simulation und Realität ausreichend gut behandelt wurden.