Funktechnologien im Bereich des IoT

Was ist IoT?

IoT steht für „Internet of Things“ (im Deutschen „Internet der Dinge“) und stand zu Beginn dafür, physische Objekte jeglicher Art „smart“ zu machen und eine Konnektivität herzustellen, um Sensordaten abzufragen. Auch Gerätschaften, die vorher ohne eine Netzwerkverbindung auskamen und heute vernetzt sind, werden dem Bereich des IoT zugeordnet.

Viele kennen das aus dem privaten Umfeld, in dem zahlreiche Geräte wie Backöfen, Spül- und Waschmaschinen, Trockner, Toaster, Küchenmaschinen, Lichtschalter, Steckdosen und Lampen (die Liste ist sehr lang) eine Netzwerkverbindung herstellen können oder für ihre volle Funktionalität teilweise auch benötigen. Auch im Bereich der Industrie ist das IoT unter dem Begriff Industrie 4.0 bzw. Industrial IoT (IIoT) angekommen. Dabei wird versucht, möglichst viele Objekte mit Sensorik auszustatten, um Daten über Abläufe und Prozesse zu erfassen.

Im Laufe der Zeit ist der Begriff IoT umfangreicher geworden. Neben der einfachen Konnektivität der einzelnen Geräte ist mit einem intelligent gestalteten Backend eine Interaktivität hinzugekommen. Die Sensordaten werden dafür verwendet, Abläufe zu überwachen und automatisierte Prozesse zu starten. Die Abläufe sollen möglichst autonom und ohne menschliches Zutun sein, damit Vorgänge optimiert und Kosten eingespart werden können. Auch in Städten ist IoT unter dem Begriff „Smart City“ angekommen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um den Einsatz von IoT im städtischen Umfeld, um Prozesse zu optimieren, Abläufe zu verbessern und damit Kosten einzusparen. Gerade im Smart-City-Umfeld wächst IoT derzeit stark, da die Anzahl an Use Cases in diesem Bereich sehr groß ist.

Ein zentraler Begriff, der in Zusammenhang mit IoT gerne genannt wird, ist der „Digitale Zwilling“ oder auch „Digital Twin“, der die digitale Abbildung physischer Objekte, Komponenten und Vorgänge ermöglichen soll. Auch hier ist das Ziel eine Kostenersparnis durch Prozessoptimierung, die frühzeitige Erkennung von Störungen sowie die Vermeidung kostspieliger Ausfälle (Predictive Maintenance).

IoT-Umsetzungen basieren sehr häufig auf einer kabellosen Übertragung und müssen daher eine passende Funktechnologie nutzen, die auf einen minimalen Energieverbrauch und eine optimale Reichweite ausgelegt ist. Klassische Funktechnologien wie WLAN und Mobilfunk kommen hier nur sehr selten bzw. nur mit spezieller Konfiguration zum Einsatz.

IoT-Funktechnologien werden in zwei große Gruppen unterteilt: den Kurzstreckenfunk und das „Low Power Wide Area Network“ (LPWAN). Kurzstreckenfunk ermöglicht höhere Datenraten mit geringerer Reichweite von etwa 10 bis 30 Metern. LPWAN-Technologien sind hingegen für große Reichweiten von mehr als 1 km bei gleichzeitig geringem Strombedarf ausgelegt. Die Abbildung 1 zeigt die Kategorien entsprechend eingeordnet:

Das Ökosystem des IoT

Neben den Funktechnologien sind für ein modernes und funktionierendes IoT-Ökosystem die folgenden Komponenten notwendig:

• IoT-Endgeräte

Die Endgeräte sind die Komponenten, die Sensorik bzw. Aktorik enthalten. Sie sind in den meisten Fällen kabellos und werden über eine langlebige Batterie mit der notwendigen Energie versorgt. In den Endgeräten kommen meist sehr effiziente Prozessoren zum Einsatz, die – je nach Einsatzzweck und korrekter Konfiguration – Akkulaufzeiten von bis zu etwa 10 Jahren ermöglichen.

• Gateways

Die Gateways arbeiten als Vermittler zwischen der Luftschnittstelle und dem Backend. Sie können die eingesetzte Funktechnologie auf der Luftschnittstelle dekodieren und die Daten an das Backend weiterleiten (sowie umgekehrt). Die Anbindung der Gateways kann über mehrere Arten geschehen. In den meisten Fällen sind sie per LAN in das interne Netzwerk eingebunden, alternativ sind auch WLAN oder Mobilfunkverbindungen in Kombination mit einem VPN möglich.

• Backend

Das Backend stellt die Softwarekomponenten bereit, die die Daten von den Sensoren empfangen, aufbereiten und zur weiteren Verarbeitung bereitstellen. Diese Systeme können, abhängig von der jeweiligen Technologie und dem Hersteller des Backends, lokal oder in der Cloud betrieben werden. Der Aufbau des Backends ist ebenfalls abhängig von der gewählten Technologie.

• Nachgelagerte Software und Systeme

Als nachgelagerte Software und Systeme werden jene bezeichnet, die mit den Daten der Sensorik aktiv weiterarbeiten. Dazu zählen beispielsweise visuelle Darstellungen, die Aktivierung automatisierter Prozesse, die Aufbereitung der Daten für andere Systeme sowie vergleichbare Funktionen.

• Schnittstellen und Protokolle

Für die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten werden unterschiedliche Protokolle eingesetzt. Dabei handelt es sich häufig um bekannte Protokolle wie MQTT, gRPC oder HTTPS. Daneben kommen jedoch auch proprietäre oder spezialisierte Protokolle zum Einsatz, die zwischen einzelnen Komponenten verwendet werden.

Funktechnologien im Bereich des IoT – Kurzstreckenfunk

Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth ist bei vielen sicherlich aus dem Bereich der „Wearables“ bekannt. Die energiesparende Technologie ist in nahezu jedem modernen Smartphone verbaut und ermöglicht die Kommunikation mit vielen Endgeräten, die kabellos angebunden werden. Hierzu gehören Kopfhörer, Headsets, Smartwatches, Fitness-Tracker, Soundbars, Audioanlagen, Tastaturen und Mäuse sowie einige mehr. Doch auch im Bereich des IoT ist Bluetooth häufig vertreten, insbesondere bei Lampen, Thermostaten und Sicherheitssystemen. Zusätzlich kann Bluetooth als unterstützende Technologie eingesetzt werden. Dies ist der Fall, wenn Bluetooth-Beacons in einem Gebäude aufgebaut werden, um eine Indoor-Navigation zu realisieren. Dabei ist keine Datenübertragung im klassischen Sinne notwendig, denn die Beacons senden periodisch eine Kennung aus, anhand der das Endgerät die Position im Gebäude ermitteln kann.

Bluetooth wurde in der Version 1.0 im Jahr 1998 veröffentlicht. Seither hat sich der Standard stetig weiterentwickelt und viele nützliche und wichtige Funktionen dazugewonnen. Mit der Version 1.2 wurde durch ein geschicktes mathematisches Verfahren die Störung von WLAN-Netzwerken stark reduziert. Dies wird als „Adaptive Frequency Hopping“ bezeichnet und hat zum Ziel, dass die Übertragung nur wenige Millisekunden auf einem Kanal durchgeführt wird, danach wird der Kanal gewechselt. Dies erzeugt eine relativ gleichmäßige Kanalauslastung, erhöht die Zuverlässigkeit, und andere Funktechnologien werden nur minimal von einer Bluetooth-Übertragung beeinflusst.

Mit der Version 2.0 und 2.1 wurden höhere Datenraten bis hin zu 3 Mbit/s eingeführt sowie die Verschlüsselung der Übertragung. Die Versionen 4.x beinhalten den Standard „Bluetooth Low Energy“ (BLE), der auf eine weitere Reduktion des Energieverbrauches abzielt. Dieser Standard wird auch heute in den allermeisten Fällen eingesetzt. Für den Bereich IoT wurden einige Optimierungen eingeführt, die die Einsatzmöglichkeiten nochmals erweitern. Die Versionen 5 und 6 optimieren den Standard weiter. Dabei wurde unter anderem die Ortung durch die Beacons verbessert (5.1 und 6.0), und es wurde ein spezielles „Electronic Shelf Label“ (ESL)-Profil eingeführt, das im Bereich des Einzelhandels für viel Aufmerksamkeit gesorgt hat. Die ESLs sind sicher dem einen oder anderen bereits in den großen Supermärkten aufgefallen, in denen die klassischen Papier-Preisschilder den modernen E-Ink-Preisschildern gewichen sind. Diese Komponenten sind ESLs und werden unter anderem per Bluetooth angebunden.

Die Abbildung 2 zeigt die wichtigsten neuen Features seit der Bluetooth-Version 4.0.

Bluetooth ist aufgrund der Art, in der dieser Funkstandard spezifiziert wurde, sehr vielfältig einsetzbar. Sofern keine sehr speziellen Anforderungen an eine Übertragung gestellt werden, kann Bluetooth häufig eingesetzt werden.

Aufgrund dieser vielfältigen Einsatzmöglichkeiten lässt sich kein einheitliches Ökosystem für Bluetooth definieren. In vielen Fällen wird die Technologie zur direkten Kopplung zweier Geräte eingesetzt, sodass für die eigentliche Funktion keine zusätzlichen Komponenten notwendig sind. Wird jedoch eine Infrastruktur aufgebaut, müssen die Empfänger an diese angebunden werden. Dies kann im einfachsten Fall ein PC sein, der zum Beispiel die Daten von einem Hand- oder Barcodescanner empfängt und weiterverarbeitet. Alternativ können die Daten in ein IoT-Backend übertragen werden, wo sie zentral für weitere Prozesse genutzt werden. Dies entspricht dem im vorigen Kapitel beschriebenen IoT-Ökosystem.

ZigBee

ZigBee ist einer der bekanntesten Standards für die Hausautomation und wurde im Jahr 2004 in der Version 1.0 veröffentlicht. Der Standard wird seit Jahren von sehr vielen Herstellern eingesetzt und ist entsprechend weit verbreitet. Die Allianz hinter ZigBee heißt „Connectivity Standards Alliance“ (CSA) und entstand aus der ehemaligen „ZigBee Alliance“. Sie beschäftigt sich mit der Standardisierung der Funkübertragung und der Zertifizierung von Endgeräten.

ZigBee wird sehr häufig im Bereich der Hausautomation bzw. des Smart Buildings verwendet, da die Auswahl an Endgeräten sehr groß ist. Darauf aufbauend können viele Use Cases umgesetzt werden, die zur Optimierung von Kosten und zur Steigerung der Lebensqualität eingesetzt werden. Hierzu zählen die zentrale Steuerung von Beleuchtungen, Steckdosen, Thermostaten, Rollläden und vieles mehr. Da diese Use Cases sowohl im privaten Haushalt als auch in Bürogebäuden und der Industrie eingesetzt werden, ist ZigBee in vielen privaten und industriellen Bereichen verbreitet.

Technologisch geht ZigBee einen anderen Weg als klassische Funktechnologien, da ein Mesh-Netzwerk mit den Komponenten im eigenen Netzwerk aufgebaut wird. Dies bedeutet, dass mehrere Geräte untereinander verbunden sind und es (sofern möglich) mehrere Kommunikationswege vom Endgerät bis zum Gateway gibt. Der dadurch entstehende große Vorteil ist, dass die versorgte Fläche auch ohne Gateways erweitert werden kann und bei einem Ausfall einer Komponente alternative Übertragungswege verfügbar sind. Wichtig ist jedoch, dass nur Endgeräte, die eine feste Stromversorgung haben, zur Erweiterung des Netzwerkes beitragen. Batteriebetriebene Endgeräte sind auf eine hohe Effizienz ausgelegt und leiten daher keine Pakete von anderen Endgeräten weiter, da anderenfalls ihre Laufzeit drastisch reduziert würde.

Die Abbildung 3 zeigt das Mesh-Netzwerk beispielhaft.

ZigBee wird in den meisten Fällen bei 2,4 GHz betrieben, sodass hier die Störung einer vorhandenen WLAN-Umgebung aufkommen kann. Ähnlich wie beim Bluetooth ist der Einfluss vergleichsweise gering, da zum einen nur sehr geringe Datenmengen übertragen werden und zum anderen die Kanalbandbreite mit etwa 2 MHz relativ schmal ist. WLAN verwendet typischerweise 20 MHz in diesem Frequenzbereich. Daher ist eher eine Störung des ZigBee durch das WLAN zu befürchten. Hierfür ist eine sorgfältige Kanalplanung von Vorteil, die in etwa wie folgt aussehen kann:

Die grauen Bögen im Hintergrund stellen die 20-MHz-WLAN-Kanäle dar, die bei Kanal 1, 6 und 11 platziert sind, wohingegen die schmalen Bögen die ZigBee-Kanäle abbilden. Gemäß der Übersicht sind von den verfügbaren 16 Kanälen nur 4 Kanäle empfehlenswert: Kanal 15, 20, 25 und 26. Alle anderen Kanäle werden aktiv vom WLAN „überschattet“ und daher gestört.

Für das Ökosystem sind hier einige Besonderheiten zu beachten, da aufgrund der Vermaschung zusätzliche Geräte-Typen eingeführt werden:

• ZigBee End Device
  • Klassisches batteriebetriebenes oder stromgebundenes Endgerät
• ZigBee-Router
  • Stromgebundenes Endgerät, das zusätzlich die Aufgabe der Paketvermittlung übernimmt und die Funkzelle vergrößert
• ZigBee-Koordinator
  • Zentrale Steuereinheit, die die Aufgaben des Gateways und des Backends übernimmt.
• Optionale Cloud-Applikation
  • Zusätzlich zum ZigBee-Koordinator können noch herstellerspezifische Funktionen über eine Cloud-Anwendung integriert werden. Diese erweitern den Funktionsumfang für spezielle Produkte, sofern eine solche Anwendung bereitgestellt wird.

Thread

Thread ist eine recht neue Funktechnologie und wird häufig als Alternative zu ZigBee genannt. Thread ist seit 2015 auf dem Markt. Von Beginn an haben viele Hersteller bei der Standardisierung mitgewirkt. Daraus resultierend sind sehr früh nach der Veröffentlichung viele Endgeräte in unterschiedlichen Kategorien auf den Markt gekommen. Dies hat zu der ungewöhnlich schnellen Verbreitung der Technologie geführt. Hinter Thread steht die Thread Group, die von Herstellern wie Google, Apple, Amazon, Qualcomm und einigen anderen unterstützt wird. Ähnlich wie bei ZigBee wird auch hier innerhalb der Allianz der Standard entwickelt und Endgeräte zertifiziert.

Thread verwendet ebenfalls eine Mesh-Technologie zur Vernetzung der Endgeräte. Zur Adressierung der einzelnen Komponenten wird jedoch kein eigens entwickelter Mechanismus eingesetzt, sondern „6LoWPAN“. IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) ist ein RFC-Standard und dort mit der Nummer 8138 beziffert. Dies bedeutet, dass 6LoWPAN ein offen definierter und übergreifend kompatibler Standard ist, der unabhängig von der Technologie Thread besteht. Auch andere Technologien wie IP500 nutzen diese Art der Adressierung.

Das Ökosystem ist mit dem von ZigBee sehr vergleichbar.

EnOcean

Eine weitere Technologie für den Bereich Kurzstreckenfunk ist EnOcean, die einen vergleichsweise einzigartigen Ansatz verfolgt. Ziel ist es, Endgeräte so zu optimieren, dass sie vollständig ohne Stromquelle betrieben werden können. Dies wird durch sogenanntes „Energy Harvesting“ ermöglicht, also die Erzeugung der notwendigen Energie beispielsweise durch das Betätigen eines Lichtschalters, das Drehen eines Hebels oder die Integration kleiner Photovoltaik-Zellen. Das Konzept ist bereits in vielen Bürogebäuden im Einsatz, insbesondere dort, wo der Wartungsaufwand durch den regelmäßigen Batteriewechsel vermieden werden soll.

EnOcean ist ebenfalls eine Technologie, die schon länger auf dem Markt verfügbar ist. 2001 wurde die erste Spezifikation veröffentlicht. Die „EnOcean Alliance“ wurde 2008 gegründet und behandelt, ähnlich wie bei den anderen genannten Konsortien auch, die weitere Standardisierung und Zertifizierung von Endgeräten.

Verwendet wird das 868-MHZ-Band, das den Vorteil bietet, nicht mit WLAN in Konflikt zu stehen. Die Topologie eines EnOcean-Netzwerks ist die klassische Stern-Topologie, bei der alle Endgeräte direkt mit dem Gateway kommunizieren. Ein Mesh ist hierbei aufgrund der Funktionsweise nicht realisierbar.

Der größte Nachteil von EnOcean liegt im Bereich Sicherheit. Da die Endgeräte nur sehr wenig Energie zur Verfügung haben, sind Verschlüsselungsmechanismen nicht oder nur rudimentär implementierbar. Bei einer Falschkonfiguration ist auch eine sogenannte „Replay“-Attacke möglich, die das Aufzeichnen und Abspielen einer Nachricht ermöglicht, weshalb Angriffe auf Infrastrukturen nicht auszuschließen sind. Diese Kritik wurde von der „EnOcean Alliance“ wahrgenommen. Im Standard wird die unverschlüsselte Übertragung explizit als „nicht empfehlenswert“ beschrieben. Eine verpflichtende Verschlüsselung gibt es jedoch nicht, was bei der Einrichtung unbedingt zu beachten ist.

Das EnOcean-Ökosystem sieht wie folgt aus:

• Endgeräte (Stromversorgung via Energy Harvesting, batteriebetrieben oder stromgebunden)
• EnOcean-Gateway
• Backend
  • Schnittstelle zwischen Sensorik und nachgelagerten Systemen

Eine Integration in klassische Smart-Building-Systeme wie KNX und Modbus wird unterstützt, teils auch durch die direkte Einbindung der Gateways in diese Systeme. In diesem Fall wird kein Backend benötigt.

Weitere Technologien

Neben den bereits genannten Technologien gibt es selbstverständlich noch viele weitere wie Z-Wave, Wireless M-Bus (wM-Bus), Lemonbeat und auch proprietäre Lösungen, die speziell für ein Ökosystem eines oder einiger weniger Hersteller ausgerichtet sind.

Funktechnologien im Bereich des IoT – LPWAN

Anders als die Funktechnologien der Kategorie Kurzstreckenfunk sind LPWAN-Technologien mit Hinblick auf andere Anwendungen optimiert. Ob nun LoRaWAN, mioty, Wirepas, IP500, Bluetooth oder andere Technologien eingesetzt werden, alle sind in der grundlegenden Funktionsweise ähnlich: energieeffizient, hohe Durchdringung von Materialien, störunempfindlich und in vielen Fällen in Sub-GHz-Bereichen (< 1 GHz) zu finden.

LoRaWAN

Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) ist der bekannteste Vertreter im Bereich der IoT-Funktechnologien und seit 2015 auf dem Markt. Die Firma Semtech hat die Funkübertragung „LoRa“ entwickelt und auch patentiert, sodass die zugrunde liegende Funktechnologie proprietär ist. Die „LoRaWAN Alliance“ hingegen definiert die offenen Standards zum Thema LoRaWAN und stellt diese öffentlich auf der Webseite bereit. Die Begrifflichkeiten unterscheiden sich darin, dass LoRa definiert, wie die physikalische Übertragung auf der Luftschnittstelle aussieht, und LoRaWAN den Aufbau der Datenpakete spezifiziert. So gesehen entspricht LoRa dem Layer 1 und LoRaWAN dem Layer 2 gemäß dem ISO/OSI-Modell.

Technisch ist das LoRaWAN-Ökosystem wie folgt aufgebaut:

• Endgeräte
• LoRaWAN-Gateways
• Backend
  • Network Server:
    • Entschlüsselung und Verwaltung der Pakete ohne die Möglichkeit eines Zugriffs auf die Nutzdaten, sofern konfiguriert
    • Aktivierung, Konfiguration und Überwachung der Endgeräte und Gateways
  • Join-Server:
    • Spezieller Server, der darauf ausgelegt ist, das Schlüsselmaterial für die Verschlüsselungen bereitzustellen und sicher aufzubewahren. Häufig im Network Server integriert
  • Application Server:
    • Entschlüsselung der Nutzdaten aus dem LoRaWAN-Paket
    • Schnittstelle zwischen der LoRaWAN-Infrastruktur und den nachgelagerten Systemen, die die Sensordaten empfangen und Aktorbefehle versenden.
    • Bereitstellung einer Vielzahl von Protokollen, um eine hohe Kompatibilität mit nachgelagerten Systemen bereitzustellen

Die Abbildung 5 stellt die Infrastruktur schematisch dar.

LoRaWAN verwendet in den meisten Fällen das Frequenzband 868 MHz mit 8 Kanälen, die parallel betrieben werden können. Zudem gibt es derzeit sechs sogenannte Spreizfaktoren (Spreading Factors, SF), die dem Sender mitteilen, wie sehr ein Datenpaket gespreizt, d.h. in die Länge gezogen werden soll. Das bedeutet nichts anderes als die Verlangsamung der Übertragung, wodurch die Datenrate sinkt und die Übertragungszeit steigt, mit dem Vorteil, dass ein hoher SF die Störempfindlichkeit reduziert, sodass auch in stark gestörten Funkzellen eine erfolgreiche Datenübertragung möglich ist. Nachteil ist jedoch die lange Übertragungszeit, die die Luftschnittstelle zusätzlich belastet. Die möglichen Übertragungsraten liegen zwischen 250 Bit/s und 20 kbit/s.

In Zusammenhang mit dem bereits genannten Umfeld „Smart City“ ist LoRaWAN sehr schnell gewachsen und hat einiges an Aufmerksamkeit gewonnen. Viele Städte nutzen LoRaWAN für die Anbindung vieler Sensoren im städtischen Gebiet, um beispielsweise die Bodenfeuchte zu ermitteln, die Füllgrade von Abfallbehältern zu überwachen, Fernwärmeschächte zu kontrollieren und die Parkplatzauslastung zu messen. Daneben gibt es noch viele weitere Use Cases samt zugehöriger Sensoren, die über LoRaWAN angebunden werden können.

Zusätzlich ist LoRaWAN in den Jahren 2020 bis 2023 aufgrund der großen Nachfrage an Raumüberwachung in den Vordergrund getreten, da die Luftqualität (Temperatur, Luftfeuchte und CO2) in vielen Räumen, insbesondere Schulen, überwacht werden sollte. Das Ganze ist auf die Corona-Pandemie zurückzuführen, wobei mithilfe entsprechender Sensorik die Tröpfchen und Virenverbreitung eingedämmt werden sollte.

mioty

Die Technologie mioty, die vom Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) entwickelt wurde, ist seit etwa 2015 auf dem Markt verfügbar. Mit dem Start der „mioty Alliance“ im Jahr 2020 wurde die Technologie stärker bekannt und gewinnt seither kontinuierlich an Marktanteilen. Auch die Anzahl der Endgeräte und Gateways nimmt stetig zu.

mioty verwendet bei der Übertragung das Verfahren „Telegram Splitting“. Hier wird die zu versendende Nachricht in viele kleine Telegramme aufgeteilt und über viele schmale Kanäle übertragen. Neben der Aufteilung der Pakete werden Redundanzen eingebaut, die im Extremfall bis zu 50 % Verlust der Telegramme kompensieren können. Für die einzelnen Telegramme bietet mioty 25 Kanäle mit sehr schmaler Kanalbandbreite, die parallel genutzt werden können. Die genannten technologischen Besonderheiten führen bei mioty dazu, dass die Anzahl der fehlerhaften Übertragung auf ein Minimum reduziert werden kann. Die möglichen Übertragungsraten liegen bei 512 oder 85 Bit/s.

Die „mioty Alliance“ positioniert die Technologie häufig als Konkurrent zu LoRaWAN. Aufgrund der technologischen Vorteile von mioty ist das objektiv betrachtet auch realistisch. Die bereits vorhandene Verbreitung von LoRaWAN erschwert den Markteintritt jedoch erheblich.

Weitere Details zur Technologie mioty sind öffentlich nicht verfügbar, da die Spezifikation hinter einer Bezahlschranke der „mioty Alliance“ liegt.

Der technische Aufbau des Ökosystems ist wie folgt definiert:

• Endpoint (Endgerät)
• mioty Base Station (Gateway)
• Backend
  • mioty Service Center
    • Netzwerk-Management, vergleichbar mit dem Network und Join-Server von LoRaWAN
  • Application Center
    • Schnittstelle zwischen der mioty-Infrastruktur und den nachgelagerten Systemen

Die Use Cases für mioty sind vergleichbar mit denen von LoRaWAN. Allerdings ist die Auswahl der Endgeräte noch wesentlich geringer, sodass die Umsetzung daran scheitern kann. Insbesondere im Hinblick auf die Zukunft sollte mioty jedoch nicht aus dem Blick geraten.

Sigfox

Als weitere Alternative zu LoRaWAN und mioty gibt es Sigfox, die für den Betrieb eine andere Herangehensweise vorsieht. Bei den oben genannten Technologien besteht die Möglichkeit des vollständigen Eigenbetriebs. Bei Sigfox ist das nicht vorgesehen. Das bedeutet, dass es zentrale Stellen gibt, in denen die Daten der Endgeräte zusammenlaufen. Auch die Gateways für das Netzwerk werden zum Großteil vom Betreiber aufgebaut. Dementsprechend ist Sigfox vergleichbar mit dem Betriebsmodell der Mobilfunkprovider, die einen sehr ähnlichen Ansatz verfolgen.

Das Ökosystem ist ähnlich aufgebaut wie bei anderen Technologien, jedoch unterscheidet sich der Ort des Betriebs:

• Endgeräte (in der Hand des Kunden)
• Gateways
  • Installiert durch den Betreiber, Versorgung daher nicht in der eigenen Hand
• Backend
  • Sigfox Cloud, auf die per Webseite und APIs zugegriffen werden kann

Zu der Technik gibt es nur sehr grundlegende Informationen, da der Standard nicht öffentlich ist. Die Übertragungsrate liegt fest bei etwa 60 Bit/s. Als Kanalbandbreite kommen ungewöhnlich schmale 100 Hz zum Einsatz. Dadurch lässt sich bei 868 MHz die hohe Anzahl von 192 Kanälen realisieren. Dies trägt dazu bei, die Kollisionen auf der Luftschnittstelle zu minimieren. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit wird ein Datenpaket dreimal auf unterschiedlichen Kanälen versendet.

Da Sigfox ein Betreibermodell ist, sind laufende Kosten für einzelne Endgeräte einzuplanen. Es gibt unterschiedliche Preismodelle, je nachdem wie viele Pakete ein Endgerät täglich versendet.

Ein bekannter Anwender der Sigfox-Technologie ist DHL, das diese zur Überwachung von Rollwägen einsetzt, die in großen Paketstationen gepackt und mit LKWs transportiert werden. Weitere auf der Webseite von Sigfox genannte Use Cases sind vergleichbar mit denen von LoRaWAN. Dazu zählen insbesondere die Bereiche Smart City, Industrie und Landwirtschaft.

IP500

IP500 hat ein anderes Ziel als alle vorher genannten Technologien. Hierbei geht es nicht darum, möglichst viele verschiede Endgeräte in einem Netzwerk zu betreiben, sondern eine höchst zuverlässige Übertragung sicherzustellen. Und zwar so zuverlässig, dass die VdS (Verband der Sachversicherer) eine offizielle Zertifizierung der Technologie für den Einsatz durch Brandmelde- und Alarmanlagen durchgeführt hat. Die VdS 3106 (Richtlinie für Überfall- und Einbruchmeldungen) sowie die VdS 3448 (Richtlinie für automatische Brandmeldeanlagen) wurden offiziell von IP500 erfüllt, was entsprechend zertifiziert wurde. Das ist für eine Funktechnologie eine bemerkenswerte Errungenschaft, die IP500 einzigartig macht.

Die IP500-Allianz wurde 2010 in Berlin gegründet und verfolgt seitdem das Ziel, im Markt für Meldeanlagen Fuß zu fassen. Es sind bereits zahlreiche Hersteller der Allianz beigetreten und unterstützen diesen Ansatz.

Die Technik hinter IP500 ist eine Kombination aus dem Parallelbetrieb von zwei Funkfrequenzen (868 MHZ und 2,4 GHz) und einem Mesh-Netzwerk, das die Zuverlässigkeit der Übertragung maximiert. Als Adressierung wird 6LoWPAN eingesetzt, ähnlich wie bei Thread.

Das Ökosystem ist vergleichbar mit Thread und ZigBee:

• Endgeräte:
  • Reduced-Function Device: Endgeräte ohne Routing-Funktionalität für das Mesh-Netzwerk
  • Full-Function Device: Endgeräte, die im Mesh als Router eingebunden sind und Pakete von anderen Endgeräten weiterleiten
• Edge-Router (Gateway)
• Backend
  • Schnittstellen zwischen dem IP500-Netzwerk und nachgelagerten Systemen: Diese können beispielsweise per BACnet, KNX und Modbus angesprochen werden. Dieser Umfang der Kompatibilität wurde bewusst implementiert, um in eine Vielzahl von Automationsnetze integriert werden zu können.

Neben den oben genannten Use Cases wurden noch weitere betrachtet, wie zum Beispiel die Lichtsteuerung, Raumüberwachung und ähnliche. Der Vorteil der Installation mehrerer IP500-kompatibler Endgeräte liegt darin, dass dadurch mehr stromgebundene FFDs (Full Function Devices) im Netzwerk vorhanden sind, die kritische Meldungen der Meldeanlagen übertragen können.

Mobilfunk

Es mag im ersten Moment etwas ungewöhnlich klingen, dass Mobilfunk unter der Kategorie LPWAN eingeordnet werden kann. Jedoch hat das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) als offizielle Stelle für die Mobilfunkstandards dieses Thema seit LTE/4G mit aufgenommen. Im LTE wird dies als NB-IoT oder als LTE-M bezeichnet. Im 5G-Mobilfunk gibt es die Bezeichnung „Massive Machine-Type Communications“ (mMTC). Das Konzept ist in etwa vergleichbar mit dem von Sigfox, da auch hier eine Infrastruktur von einem Provider aufgebaut wird, der diese auch betreibt. Eingekauft werden muss daher die Dienstleistung, die ein Endgerät zur Kommunikation über diese Infrastruktur befähigt.

Die grundlegende Technologie Mobilfunk an sich bleibt hierbei unangetastet, jedoch wird der Umfang der Funktionen stark reduziert. Bei NB-IoT fällt der Zellwechsel weg, es gibt keine Sprachübertragung, die Datenrate ist stark reduziert und seitens der Provider wird, je nach eingekauftem Paket, ein Datenvolumen von unter einem GB für mehrere Jahre festgelegt. Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Akkulaufzeit. LTE-M ermöglicht einen höheren Funktionsumfang, jedoch wird die Datenrate weiterhin relativ geringgehalten. Eine Optimierung der Akkulaufzeit wird auch hier im priorisiert.

mMTC entspricht in etwa dem, was unter LTE mit NB-IoT beschrieben wird. Teilweise wird auch von 5G NB-IoT gesprochen. Einen finalen Begriff hierfür hat sich im Markt noch nicht etabliert.

Der Einsatz von Mobilfunk im Bereich des LPWAN ist gerade dann eine Überlegung wert, wenn kein Betrieb der Infrastruktur und Gateways vorgesehen ist und diese Dienstleistung eingekauft werden soll. Es gibt zahlreiche Endgeräte für diese Technologie, sodass viele Use Cases umgesetzt werden können.

Weitere Technologien

Um auch etwas exotischere Technologien zu berücksichtigen, werden im Folgenden einige Technologien und deren Eigenheiten aufgelistet:

• Wirepas
  • In Europa noch vergleichsweis wenig verbreitetes System, das aufgrund der eingesetzten Technologie jedoch viel Potenzial bietet
  • Verwendet das 1,9 GHz-Band, das unter anderem für die DECT-Telefonie genutzt wird
  • Setzt auf ein Mesh-Netzwerk mit der Möglichkeit, mehrere Gateways einzubinden
  • Basiert auf dem ITU-IMT-2020-Funkstandard, der auf 5G-Systeme ausgelegt ist. Wirepas soll insbesondere die Anforderung für eine hohe Endgerätedichte erfüllen
• WiFi HaLow
  • Basiert auf dem 802.11- Standard, der auch die WiFi-Standards behandelt
  • Wird im 868-MHz-Bereich betrieben, mit 4-MHz-Kanalbandbreite
  • Unterstützt Bitraten von 150 kbit/s bis 8 Mbit/s
  • Optimiert für Reichweiten bis 1 km, mehr ist möglich, jedoch nur in optimalen Umgebungen
  • Derzeit keine Aussagen zum Thema Stromverbrauch; es ist davon auszugehen, dass dieser höher ist als bei anderen Technologien
  • Die Anzahl der zertifizierten Produkte liegt zum jetzigen Zeitpunkt bei 14. Daher ist anzunehmen, dass das System vorerst im Markt keine Relevanz haben wird

Abschließende Worte

Die Übersicht über die verschiedenen Arten der Technologien zeigt sehr eindrucksvoll, dass der Markt für viele Szenarien passende Technologien bereithält. Jede Technologie hat ihre Besonderheiten, die für spezielle Use Cases von Vorteil sein können. Wichtiger ist jedoch die Verfügbarkeit der Endgeräte. Es gibt zahlreiche vielversprechende Technologien, die aufgrund fehlender Endgeräte nicht eingesetzt werden können. Und da diese Technologien jedoch nicht genutzt werden, werden folglich auch keine entsprechenden Endgeräte produziert: ein klassisches Henne-Ei-Problem.

Ist der Aufbau eines der betrachteten Systeme geplant, muss im Vorhinein klar definiert sein, welche Use Cases realisiert werden sollen und welche Investitionskosten damit verbunden sind. Planung, Beschaffung, Inbetriebnahme und laufender Betrieb sind auch bei solch „einfachen“ Systemen nicht zu unterschätzen. Zudem ist eine realistische Betrachtung der Use Cases erforderlich. Dabei stellt sich unter anderem die Frage, ob die erhoffte Optimierung oder Kosteneinsparung tatsächlich erreicht werden kann, ob die verfügbaren Endgeräte beschaffbar sind und wie vorgesehen funktionieren sowie ob die erhobenen Daten in der benötigten Form in die eigenen Systeme integriert werden können.

Es gibt viele Fragen, die es vorab unbedingt zu klären gilt. Anderenfalls kann ein gut durchdachtes Projekt unangenehm vor die Wand gefahren werden.