Millionen sparen pro Jahr mit Carrier-Grade-Gateways

Wichtige Parameter von Carrier-Grade LoRaWAN®-Gateways 

Viele Telekommunikationsingenieure sind mit den Ende der 1990er-Jahre eingeführten Carrier-Grade-Anforderungen vertraut oder wurden in diesen geschult. Sie gewährleisten, dass Telekommunikationsgeräte nach unternehmenskritischen Standards entwickelt und getestet werden, da die Existenzgrundlage und der Betrieb von Privatpersonen, Unternehmen und Behörden von ihnen abhängen. Die ursprünglichen Carrier-Grade-Anforderungen konzentrierten sich auf öffentliche kabelgebundene und später drahtlose Telekommunikationsinfrastrukturen. Später wurden dieselben Anforderungen auch für kritische Infrastrukturen wie VoIP und das Internet im Allgemeinen übernommen.

Die klassischen Carrier-Grade-Spezifikationen für Telekommunikation konzentrieren sich auf das Netzwerk. Verfügbarkeit (sogenannte 5 9er oder 6 9er); Leistung (beste Leistungskennzahlen für die jeweilige Produktart); Sicherheit (Produkt und Netzwerk); und Wartung (Betrieb und Weiterentwicklung). Damit ein Produkt die Anforderungen von Carrier-Grade-Produkten erfüllt, müssen je nach Netzwerk und Einsatzart zahlreiche Standards und Produktspezifikationen eingehalten werden. Es gibt jedoch zwölf Kernbereiche, die jedes Carrier-Grade-Produkt abdecken muss. Entwickler und Betreiber sollten außerdem die folgenden Punkte verstehen: Carrier Grade LoRaWAN-Gateway Designimplementierung, Spezifikationen und deren Bedeutung. Abbildung 1 zeigt vier LoRaWAN-Gateway-Designs, die die oben genannten Leistungsanforderungen der Carrier-Gateways erfüllen.

                   Abbildung 1: Mega-, Makro-, Mobil- und Kabelstrang-LoRaWAN-Gateways in Carrier-Qualität

Nachfolgend sind die wichtigen Bereiche aufgeführt, die jeder Entwickler beim Entwerfen und Testen berücksichtigen sollte. LoRaWAN®-GatewaysJeder Betreiber sollte vor der Bereitstellung der LoRaWAN®-Gateways prüfen, ob er diese 5-10 Jahre lang ohne nennenswerte Ausfallzeiten, zahlreiche Probleme, Vor-Ort-Besuche oder mangelhafte Leistung betreiben kann, da all dies zu erheblichen Kostensteigerungen für den Betreiber oder zu vorzeitigem Geräteaustausch führen kann.

1. Unterstützt das Gateway eine Verfügbarkeit von mindestens 99,9999 % (maximal 5 Minuten Ausfallzeit pro Jahr)?

2. Erfüllt das Gateway die Anforderungen an eine mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) von mehr als 15 Jahren basierend auf der Konstruktion und der Analyse von Ausfällen in der Zeit (FIT)?

3. Unterstützt das Gateway alle Software- und Firmware-Updates und -Upgrades, Konfigurationen und die Bereitstellung remote und autonom, ohne dass jemals der Gateway-Standort besucht werden muss (ein einzelner Besuch kann aufgrund von Standort, Zugänglichkeit und Wetterbedingungen teurer sein als das Gateway selbst und Tage dauern)?

4. Überwacht das Gateway seine digitalen, Funk-, 3G/4G-Modem-, Backhaul- und Stromversorgungssubsysteme, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren? Falls nicht, löst es einen Alarm aus und gibt an, welches Subsystem den Alarm ausgelöst hat oder ausgefallen ist und welche nächsten Schritte zur Behebung erforderlich sind?

5. Verursacht das Gateway Störungen bei anderen drahtlosen Systemen, insbesondere in den lizenzierten Frequenzbändern, weil das Gateway keinen geeigneten HF-Bandpassfilter an seiner Antenne besitzt (wodurch das Risiko besteht, dass das gesamte Netzwerk gestört wird)? LoRaWAN®-Netzwerk wird die Sperrung von der FCC oder anderen Aufsichtsbehörden bis zur Behebung der Störungen durchgeführt?

6. Verursachen andere drahtlose Systeme (3G, 4G, 5G, FM-Radio, Digitalradio, Fernsehübertragung, GPS-Weiterleitung usw.) Störungen am Gateway, weil dieses nicht über geeignete HF-Bandpassfilter an seiner Antenne verfügt und dadurch die LoRaWAN®-Netzwerkabdeckung, die Empfangszuverlässigkeit und die allgemeine Netzwerkstabilität effektiv verringert werden und in vielen Fällen die LNA-Schaltungen des Gateways beschädigt werden?

7. Funktioniert das Gateway und das LoRaWAN®-Netzwerk Sicherheitsmaßnahmen einbauen, um sicherzustellen, dass die Netzwerkleistung und -sicherheit auf keiner Ebene beeinträchtigt werden können und die gesammelten Daten geschützt sind?

8. Ist die Gateway Design, Funktionen und Leistung sind für eine kundenspezifische Bereitstellung und einen kundenspezifischen Betrieb optimiert (oder es handelt sich um eine „Einheitslösung“), um erhebliche Bereitstellungs- und jährliche Betriebskosten einzusparen, da die Gateway-Kosten bei einer Amortisation über 5–7 Jahre nur 5 % bis 15 % der gesamten Betreiberkosten ausmachen?

9. Unterstützt das Gateway-Design, die Backhaul-Anbindung sowie die 3G-, 4G- und 5G-Modems die Standard- und Produktentwicklung für die nächsten 5–10 Jahre? Insbesondere: Sind die 3G-, 4G- und 5G-Modems von den globalen Mobilfunkbetreibern zertifiziert und unterstützen sie die LTE-Releases der Betreiber für die nächsten 5–10 Jahre? Aus diesem Grund sollten Gateway-Anbieter 4G-CAT-6-Modems verwenden, um eine optimale Sende- und Empfangsleistung mit MIMO und die langfristige Unterstützung durch die Betreiber zu gewährleisten.

10. Sind alle externen Schnittstellen des Gateways gegen elektrostatische Entladung (ESD) und Blitzschlag geschützt? Erfüllt das Gateway die nationalen und regionalen regulatorischen und Sicherheitsanforderungen (Sicherheitsanforderungen können strafrechtliche Haftung nach sich ziehen und zum Verlust der Betriebshaftpflichtversicherung des Betreibers führen, wenn das Gateway Schäden verursacht)?

11. Erfüllt das Gateway die Schutzart IP67, ist es für eine kondensierende Luftfeuchtigkeit von 5 % bis 100 % geeignet, arbeitet es ohne Leistungseinbußen im Temperaturbereich von -40 °C bis +60 °C und unterstützt es einen Kaltstart bei -40 °C (Einschalten nach mindestens 4 Stunden bei -40 °C)? Funktioniert das Gateway außerdem ordnungsgemäß und erfüllt es seine Spezifikationen über den gesamten Eingangsspannungsbereich und an den vier definierten Grenzwerten (minimale und maximale Betriebsspannung sowie Betriebstemperatur)?

12. Unterstützt das Gateway umfassende Betriebs-, Verwaltungs- und Wartungsfunktionen (OA&M) auf Netzwerkebene für das gesamte LoRaWAN®-Netzwerk, um dem Betreiber die niedrigsten Betriebskosten bzw. Gesamtbetriebskosten zu garantieren?

Wenn die für das IoT-Netzwerk ausgewählten Gateways die oben genannten Anforderungen nicht erfüllen, werden diese Gateways den Betreiber jährlich deutlich mehr kosten, und schlimmer noch, ihre Kosten steigen von Jahr zu Jahr, da das Produkt mit zunehmendem Alter weniger zuverlässig wird und dadurch mehr Geräteausfallzeiten entstehen.

Kostentreiber bei LoRaWAN®-Netzwerkbetreibern 

Die traditionellen Mobilfunkbetreiber verfügen im Durchschnitt über 30 Jahre Erfahrung im Netzausbau und -betrieb und haben ihr Geschäftsmodell so optimiert, dass die ausgewählten Basisstationen hohe Leistung, Netzverfügbarkeit und niedrige Betriebskosten gewährleisten. Sie wählen nicht die günstigsten Basisstationen, da sie wissen, dass dies die Netzleistung, die Betriebskosten und die Gesamtnetzkosten beeinträchtigen würde. Dies würde nicht nur ihre Wettbewerbsfähigkeit mindern, sondern auch zu Kundenverlusten an die Konkurrenz führen und die Reinvestition in den Netzausbau und die Netzverbesserung verhindern. Aus diesem Grund schützen alle Mobilfunkbetreiber die tatsächlichen Netzkosten und deren Optimierung – sie sind eine ihrer wichtigsten Kennzahlen, die nicht nur die Rentabilität, sondern auch zukünftiges Wachstum, Marktexpansionen, Partnerschaften und Fusionen und Übernahmen bestimmt.

Heute gibt es einige LoRaWAN®-Betreiber, die ihre LoRaWAN®-Gateways bereits nach ein bis drei Jahren Betrieb reparieren oder austauschen mussten. Dabei ist zu beachten, dass die Kosten für den Austausch von LoRaWAN®-Gateways in den meisten Fällen höher sind als der Kaufpreis der Gateways selbst. Darüber hinaus erhöhen die Mehrkosten aufgrund der suboptimalen Qualität der LoRaWAN®-Gateways die jährlichen Betriebskosten des LoRaWAN®-Netzwerks um mindestens 25 % bis weit über 100 %.

 Abbildung 2: LoRaWAN® Gateway-Installation an einem 110 Meter hohen Telekommunikationsturm mithilfe eines Boomer-Krans

Betrachten wir nun, wie die Gesamtnetzwerkkosten des Betreibers von nur zwei Parametern beeinflusst werden: der Leistung und Zuverlässigkeit des Gateway-Funksystems. Die typischen Kosten eines LoRaWAN®-Netzwerks für eine mittelgroße Stadt mit 1.25 Millionen Einwohnern, wie beispielsweise Calgary in Kanada, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Die in der Tabelle angegebenen Daten stellen eine gute Annäherung an die tatsächliche Netzwerkleistung und die Kosten eines Betreibers dar, der die Optimierung der Gesamtnetzwerkkosten im Blick hat. Jeder, der die Parameter oder Daten anpassen möchte, kann dies tun. Laden Sie die XLS-Datei von TEKTELIC herunter. Website für den eigenen Gebrauch.

Tabelle 1: Typische vereinfachte Kostenzahlen für LoRaWAN-Netzwerke

Die jährlichen Betriebskosten eines LoRaWAN®-Netzwerk Für eine Stadt ähnlicher Größe und Bevölkerungsdichte wie Calgary werden die Gesamtkosten gemäß Tabelle 1 auf 1.38 Millionen Dollar geschätzt. Hierbei wurde angenommen, dass alle eingesetzten Gateways die Telekommunikationsstandards erfüllen. Carrier-Grade Die Leistung wurde bereits in diesem Artikel beschrieben. Insbesondere wurde angenommen, dass die Leistung des LoRaWAN-Gateways nicht durch suboptimale Empfänger- oder Senderempfindlichkeit, Linearität oder andere Beeinträchtigungen beeinträchtigt wird. Weiterhin wurde angenommen, dass die parallel betriebenen drahtlosen Systeme die LoRaWAN-Empfangssignale nicht stören und die LoRaWAN-Gateways zuverlässig sind und außer der üblichen Wartung alle 24 Monate keine weiteren Vor-Ort-Besuche erfordern.

Es ist bemerkenswert, dass die Kosten für LoRaWAN-Gateways, bezogen auf die Gesamtkosten des Standorts, bei einer Amortisationszeit von sieben Jahren lediglich 3.3 % pro Jahr betragen. Bei manchen LoRaWAN-Netzwerken kann dieser Wert sogar noch etwas niedriger liegen, überschreitet aber selten 10 %. Anders ausgedrückt: Die Betriebskosten eines LoRaWAN-Netzwerks hängen zwar stark von der Qualität und Zuverlässigkeit der eingesetzten LoRaWAN-Gateways ab, reagieren aber weniger empfindlich auf deren tatsächliche Kosten oder die der Gateways selbst, da diese nur einen geringen Anteil der Gesamtkosten des LoRaWAN-Netzwerks ausmachen.

Tatsächlich sind die amortisierten Kosten eines LoRaWAN-Gateways im Vergleich zu den Gesamtkosten des LoRaWAN-Netzwerks sehr gering, selbst wenn die Amortisation über 5 statt 7 Jahre erfolgt. Die Gesamtkosten des LoRaWAN-Netzwerks hängen jedoch stark von der Funkleistung und Zuverlässigkeit der LoRaWAN-Gateways ab.

Um zu verdeutlichen, wie stark die Gesamtkosten des LoRaWAN-Netzwerks von der Leistung des Gateways abhängen, reduzieren wir den effektiven Radius des LoRaWAN-Gateways aufgrund einer schlechteren Funkleistung und erhöhen gleichzeitig die Anzahl der Vor-Ort-Besuche aufgrund einer geringeren Zuverlässigkeit des LoRaWAN-Gateways (Alarme, Ausfälle, kostenloser Gateway-Austausch, manuelle Software-Upgrades und andere Kostentreiber) sowie die zusätzlichen Arbeitskosten.

Tabelle 2 unten verdeutlicht, wie stark die Kosten des LoRaWAN®-Netzwerks von der Leistung und Zuverlässigkeit des Gateway-Funkgeräts abhängen. Verringert sich der Radius der LoRaWAN-Gateways um 30 % – eine in dB gemessene, geringfügige Reduzierung –, verdoppeln sich die Gesamtkosten des LoRaWAN-Netzwerks auf etwa 2.8 Millionen US-Dollar pro Jahr! Und wenn jeder LoRaWAN®-Standort alle fünf Monate, also 2.5 Mal pro Jahr, überprüft werden muss, steigen die Gesamtkosten des LoRaWAN-Netzwerks um weitere 430.000 US-Dollar pro Jahr! Dies sind erhebliche jährliche Kostensteigerungen, die weder dem Betreiber noch seinen Kunden einen Mehrwert bieten. Man könnte es mit einem Kurierdienst wie FedEx vergleichen, bei dem nur die Hälfte der Fahrzeuge im Einsatz ist und die andere Hälfte ständig in der Reparatur ist, die Zahlungen aber dennoch für die gesamte Flotte regelmäßig erfolgen.

Tabelle 2: LoRaWAN®-Netzwerkkosten in Abhängigkeit von geringerer Funkleistung und Zuverlässigkeit

Tabelle 3 zeigt die zusätzlichen Netzwerkkosten von LoRaWAN® in Abhängigkeit von unzureichender Funkleistung und -zuverlässigkeit im Vergleich zur optimalen Leistung eines Carrier-Grade-LoRaWAN-Gateways. Beide Tabellen verdeutlichen den Wert von Carrier-Grade-Gateways und deren Leistung unter Berücksichtigung zweier Parameter. Es gibt jedoch mehr als 15 Faktoren, die die Gesamtbetriebskosten des Netzes beeinflussen.

Tabelle 3: Zusätzliche Netzwerkkosten von LoRaWAN® in Abhängigkeit von geringerer Funkleistung und Zuverlässigkeit

Ist eine Erhöhung der jährlichen Netzwerkkosten um 25 %, 50 % oder 100 % signifikant oder schädlich für den Erfolg eines LoRaWAN®-Betreibers? Die Antwort hängt davon ab, ob es sich um ein experimentelles LoRaWAN®-Netzwerk für Machbarkeitsstudien (Proof of Concept, POC), frühe Testphasen oder ein großes, kommerzielles Netzwerk handelt. Beispielsweise hat ein kleines LoRaWAN®-Netzwerk, das für einen POC ohne reale Kunden genutzt wird, keine bestimmten Service-Level-Agreements (SLAs) erfüllen muss und nur wenige LoRaWAN®-Gateways umfasst, keine nennenswerten Auswirkungen auf die Kunden, und die zusätzlichen jährlichen Betriebskosten sind sehr gering. Es kann gute Gründe dafür geben: Man könnte kostengünstigere LoRaWAN®-Gateways oder Komplettlösungen beschaffen, um den Anwendungsfall zu testen, Kundendemos durchzuführen oder das Netzwerk parallel zu betreiben, während man mit anderen Gateway-Anbietern verhandelt. In den meisten Fällen ist ein Test- oder POC-Netzwerk kostengünstig und birgt kein signifikantes Risiko für die zukünftige Geschäftstätigkeit des Betreibers oder des Unternehmens.

Wenn ein Betreiber oder ein Unternehmen jedoch große kommerzielle LoRaWAN®-Netzwerke mit Hunderten oder sogar Tausenden von LoRaWAN®-Gateways einsetzt, ist es von größter Bedeutung, die jährlichen Betriebskosten – und damit die gesamten Netzwerkkosten – niedrig zu halten. Um dies zu erreichen, müssen die zuverlässigsten und leistungsstärksten Carrier-Grade-LoRaWAN®-Gateways eingesetzt werden, wie sie in den Tabellen 1, 2 und 3 aufgeführt sind.

Deployment von Carrier-Grade LoRaWAN®-Gateways wird nicht nur zu den niedrigsten Gesamtnetzwerkkosten für die Betreiber führen, sondern das Carrier Grade Gateway wird auch die beste praktische Abdeckung im Freien und in Innenräumen, eine hohe Netzwerkzuverlässigkeit und -verfügbarkeit, geringe Störungen, weniger Geräte-Neuübertragungen und eine längere Akkulaufzeit der Geräte ermöglichen.

Der Erfolg eines typischen Mobilfunkbetreibers hängt von optimaler Netzabdeckung, höchster Servicezuverlässigkeit und niedrigsten Gesamtbetriebskosten ab. Diese Erfolgsformel gilt seit über 30 Jahren für die meisten globalen Mobilfunkbetreiber und ist auch heute noch gültig. Die meisten Telekommunikationsexperten sind überzeugt, dass dies auch für LoRaWAN®-Betreiber und -Unternehmen gilt.