Internet of Things: Technologien zur Sensoranbindung

Bei der Entwicklung von IoT-Lösungen ist die Anbindung des Things ein zentraler Aspekt. Dabei stehen je nach Einsatzszenario unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten zu Verfügung. Geht es vorrangig um die Erfassung von Daten, um zum Beispiel auf deren Basis mittels Big-Data-Techniken Entscheidungen zu treffen, so stehen eine Vielzahl an Technologien zum Einsatz bereit.

In räumlich ausgedehnten Einsatzszenarien, zum Beispiel beim Einsatz im öffentlichen Raum, in der Landwirtschaft oder großen Industrieparks, werden zur Anbindung von Messgeräten häufig 2G- und 3G-basierte Verfahren oder WiFi genutzt. Neben diesen beiden Platzhirschen gibt es aber viele weitere Technologien zur Anbindung von Sensoren, deren Einsatz je nach Szenario vorteilhaft sein kann. Diese sollen hier vorgestellt und verglichen werden. Lokal eingesetzte Standards wie zum Beispiel Ant+, BLE, ZigBee oder zWave werden hier nicht betrachtet.

WiFi und 3G haben gemeinsam, dass sie für den Einsatz von batteriebetriebenen Sensoren zu viel Energie benötigen, insbesondere wenn die höheren Datenraten von LTE verwendet werden. Bei WiFi kommt hinzu, dass die räumliche Ausbreitung eines einzelnen Netzes sehr beschränkt ist. Bei den Netzwerken der Mobilfunkprovider wiederum wird im öffentlichen Raum kommuniziert und es müssen zusätzliche Maßnahmen zur Kommunikationsabsicherung getroffen werden. Eine Alternative wäre, sich an einzelne Mobilfunkprovider zu binden, die diese Maßnahmen (z.B. durch „Closed User Groups“ oder VPN) für einen erledigen.

M2M-Kommunikation in Mobilfunknetzen

Die Notwendigkeit für energiesparende Kommunikation ist auch von der 3GPP erkannt worden, weswegen mit dem Release 8 von LTE 5 Gerätekategorien eingeführt wurden, die mit LTE Release 10 (auch LTE Advanced genannt) auf zehn Kategorien erweitert wurden.

LTE Cat-1 stellt derzeit die einzige weltweit verfügbare, für M2M-Kommunikation vorgesehene LTE-Kategorie dar und ermöglicht auch das streamen von Video- und Audio-Feeds. Wenn kein always-on benötigt wird, sind hier Batterielaufzeiten von fünf Jahren möglich.

Mit dem LTE Release 13 der 3GPP wurden die Low Power Wide Area Networks innerhalb von LTE standardisiert: LTE Cat-0 wurde zu LTE Cat M1, NB-IoT und NB-M2M zu LTE Cat NB1. Beide sind genauso wie der dritte M2M-Standard des Releases (EC-GSM-IoT) noch nicht flächendeckend verfügbar (Stand Juni 2018: allenfalls im Laborbetrieb der Mobilfunkprovider).

Die Verfügbarkeit von Hardware (Prototyping und Endprodukt) ist in den letzten Monaten angestiegen, bezüglich des Energiehungers der einzelnen Standards lassen sich noch keine validen Aussagen treffen. Ausgehend von deutlich kleineren maximalen Sendeleistung dürften hier jedoch erhebliche Steigerungen möglich sein.

Alternativen zu Mobilfunkprovidern

Neben den Netzen der Mobilfunkprovider gibt es weitere LPWAN-Funkstandards, die für den IoT-Einsatz verwendet werden. Allesamt operieren sie innerhalb der ISM- und SRD-Bänder. Der Einsatz im SRD-Band birgt dabei den Vorteil, keine Genehmigungsverfahren für den Einsatz durchlaufen zu müssen. Der Nachteil: Diese Frequenzen stehen nicht exklusiv zur Verfügung und je nach Regulierungsbehörde müssen bestimmte Vorgaben bezüglich Sendeleistung und Belegungsdauer eingehalten werden.

D7A (DASH7 Alliance Protocol) geht aus ISO18000-7, einem hauptsächlich militärisch genutzten Standard für RFID hervor. Die Verbreitung, insbesondere in Europa, ist noch relativ gering. Die Auswahl an Hardware, egal ob für Prototyping oder Produktion ebenfalls. Als einziges Protokoll unterstützt es jedoch die Kommunikation der Endgeräte untereinander.

Sigfox ist ein proprietärer Kommunikationsstandard der gleichnamigen Firma. Sigfox selbst betreibt, ähnlich wie die Mobilfunkprovider, ein eigenes Netz mit Basisstationen und stellt einen Zugang via Internet zur Verfügung. Das Ziel der Firma ist eine weltweite Abdeckung, die in Deutschland laut Aussage von Sigfox Ende 2017 erreicht worden sein soll. Sigfox gibt eine Reichweite von drei bis zehn Kilometer im städtischen und bis zu 50 Kilometer im ländlichen Umfeld an. Endgeräte kommunizieren dabei ausschließlich mit den Empfangsstationen (Gateways) und dürfen dabei täglich 140 Nachrichten á 12 Byte senden. Zur Steuerung von Endgeräten dürfen vier Nachrichten á 8 Byte gesendet werden. Neue Endgerätetypen müssen ein Zertifizierungsverfahren der Firma durchlaufen, was insgesamt für ein stabiles Netz sorgt.

LoRaWAN ist ein Netzwerkprotokoll basierend auf dem proprietären LoRa-Funkstandard von Semtech Corporation. Das Protokoll wird von der LoRaWAN-Alliance definiert und ist frei verfügbar. Mittels LoRa können Endgeräte zwar untereinander kommunizieren, LoRaWAN setzt aber ausschließlich auf die Kommunikation zwischen Endgeräten und Gateways. In Südkorea, den Niederlanden und der Schweiz existieren Netzwerke, die durch Mobilfunkbetreiber betrieben werden, zusätzlich gibt es international das Community-betriebene TheThingsNetwork. Die Nachrichten werden dabei Ende-zu-Ende verschlüsselt, der Aufbau eines eigenen Netzes ist relativ einfach möglich. Die Reichweiten sind ähnlich wie bei Sigfox. Auch wenn der LoRaWAN-Langstreckenrekord von über 700 Kilometern ein eher unübliches Betriebsszenario darstellt, zeigt er doch die Leistungsfähigkeit des Verfahrens, da für diesen Einsatz lediglich 25mW Sendeenergie verwendet wurde. LoRaWAN selbst gibt keine Nachrichtengrößen und Frequenzen vor, die Einhaltung der Frequenzbelegung erzwingt aber kurze Nachrichten.

Sowohl mit Sigfox als auch LoRaWAN sollen, basierend auf einer 2500mAh-Batterie, Laufzeiten zwischen zehn und 20 Jahren möglich sein. Neben den drei genannten Verfahren gibt es noch weitere Lösungen, die teils bereits punktuell im Einsatz, teils neuer Standard sind. Zu nennen wären hier Low Power WiFi (IEEE 802.11ah), nWave und Weightless-W/N/P.

Welche Technologie eignet sich am besten zur Sensoranbindung?

Die Entscheidung für ein Kommunikationsverfahren ist zunächst einmal abhängig vom Einsatzszenario. Stellt die Stromversorgung kein Problem dar und ist flächenmäßig nur ein kleines Areal abzudecken, ist der Einsatz von WiFi probat: Die Errichtung der Infrastruktur ist vergleichsweise einfach und die Verfügbarkeit von Hardware für die Infrastruktur und die Endgeräte ist in allen Preissegmenten gegeben.
Müssen größere Flächen abgedeckt werden, trennt sich die Spreu vom Weizen: Ist es erforderlich viele Daten zu übermitteln, so kommt man um die Mobilfunkstandards nicht herum. Auch wenn neben der Erfassung von Daten außerdem die Steuerung der Endgeräte wesentlich ist, sind Mobilfunkstandards von Vorteil: nWave bietet keine Downlink-Funktionalität an, bei Sigfox und LoRaWAN sind diese wegen der Frequenzbelegung deutlich eingeschränkt.
Auch die Latenz ist zu betrachten: Insbesondere bei den öffentlichen Netzwerken können Nachrichten mehrere Sekunden unterwegs sein und gegebenenfalls sogar auf der Funkstrecke verloren gehen.
Ist Energiesparen hingegen der Hauptaspekt, so sind die alternativen Verfahren und hier in Europa Sigfox beziehungsweise LoRaWAN deutlich im Vorteil. Die Entscheidungskriterien sind hier dann hier die Kosten des Betriebs (Managed Service mit SLAs vs. Eigenbetrieb beziehungsweise Nutzung von Community-Infrastruktur), Abdeckung (kann bei LoRaWAN durch eigene Empfangsstationen verbessert werden) sowie die Hardware-Verfügbarkeit und Kosten für die Sensoranbindung.

 

Autor: Lars Koehler

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17. Juli 2018|