Die richtige IoT Übertragungstechnologie auswählen

Gateway oder kein Gateway?

Gateways sind eine Art Brücke zwischen den Sensoren/Devices und der Cloud. Viele dieser sogenannten Devices kommunizieren mit dem Gateway. Das Gateway sendet alle relevanten Informationen an die Cloud und empfängt Befehle.

Bevor Du Dich für oder gegen den Einsatz von Gateways entscheidest, solltest Du Dir überlegen, welche Anforderungen an Dein IoT-Projekt gestellt werden.

1. 1. Batterielebensdauer: Eine größere Reichweite bedeutet in der Regel einen höheren Stromverbrauch und damit höhere Kosten. Mit einem Gateway werden die Daten nur bis dorthin übertragen.
   2. Unterschiedliche Protokolle: Gateways können mit Devices über eine Vielzahl von Protokollen kommunizieren und diese Daten dann in ein Standardprotokoll wie MQTT übersetzen.
   3. Datenfilterung: Manchmal können Devices so viele Daten erzeugen, dass das System damit überfordert ist. Gateways können diese Daten vorverarbeiten und filtern.
   4. Latenzzeit: Bei bestimmten IoT-Anwendungen kann Zeit ein kritischer Faktor sein; Höhere Latenzzeiten können vermieden werden, indem die Daten am Gateway oder am Sensor selbst verarbeitet werden.
   5. Sicherheit: Gateways reduzieren die Anzahl der mit dem Internet verbundenen Devices.

IoT-Connectivity ist ein Begriff, der die Verbindung zwischen allen Punkten im IoT-Ökosystem definiert, wie z. B. Sensoren, Gateways, Routers, Anwendungen, Plattformen und andere Systeme. Er bezieht sich in der Regel auf verschiedene Arten von Netzwerklösungen, die auf ihrem Stromverbrauch, ihrer Reichweite und ihrem Bandbreitenbedarf basieren. IoT-Projekte unterscheiden sich in ihren Anforderungen, und viele von ihnen nutzen je nach ihren Bedürfnissen unterschiedliche Konnektivitätsoptionen.

Bevor Du Dich für eine Übertragungstechnologie entscheidest, solltest Du Dir einige Fragen über die Ziele des Projekts, das Budget sowie technische Fragen über die Menge der übertragenen Daten, die Empfindlichkeit und Sicherheit der Daten stellen. Die folgende Auflistung ein dafür ein guter Ausgangspunkt:

• • Was ist der Anwendungsfall?
  • Was ist der Umfang des Projekts?
  • Wie viele Endgeräte sollen angeschlossen werden?
  • Wie viele Daten werden gesendet, in welcher Reichweite und mit welcher Geschwindigkeit?
  • Wie oft werden Ihre Geräte Datenpakete senden?
  • Findet der Einsatz outdoor, indoor oder in beiden Umgebungen statt?
  • Was ist mit den Kosten?
  • Besteht die Bereitschaft, für die eigenen Gateways zu bezahlen, sie zu verwalten und zu installieren?
  • Was ist der lokale Kontext? Gibt es eine Abdeckung für einen der genannten Akteure?

Im Folgenden findest Du einen Überblick über die am häufigsten verwendeten Technologien in der IoT-Branche, kategorisiert von der geringsten bis zur größten Abdeckung. Dies wird Dir helfen, Dir ein Bild von den Einsatzmöglichkeiten von Sensornetzwerken und den verschiedenen Anwendungsfällen zu machen, um eine konkretere Vorstellung von Deinem eigenen Projekt zu bekommen.

Bluetooth Low Energy (BLE) ist eine drahtlose Technologie mit geringem Stromverbrauch, die zur Kategorie der Personal Area Networking (PAN) gehört. Diese Technologie wird in Anwendungsfällen eingesetzt, die eine Datenübertragung über lange Zeiträume mit begrenzten Batterieressourcen erfordern. Ein BLE-Modul wird mit kleinen Knopfzellen betrieben. In den meisten Fällen können diese Devices mehr als ein Jahr lang betrieben werden, ohne dass sie wieder aufgeladen werden müssen.

Einige der wichtigsten Merkmale dieser Technologie sind:

• • Interoperabilität zwischen verschiedenen Anbietern.
  • Es unterstützt sehr kurze Datenpakete (von mindestens 8 Oktetten bis maximal 27 Oktetten), die mit 1 Mbit/s übertragen werden.
  • Verwendet das adaptive Frequenzsprungverfahren, um Störungen durch andere Technologien im 2,4-GHz-ISM-Band zu minimieren.
  • Sehr niedriger maximaler, durchschnittlicher und Standby-Stromverbrauch.
  • Eine standardisierte Architektur für die Anwendungsentwicklung verkürzt die Entwicklungs- und Bereitstellungszeit und senkt die Kosten.
  • Größere Reichweite als das Standard-Bluetooth-Protokoll (bis zu 100 Meter).
  • Ermöglicht Sicherheit durch 128-Bit-AES-Datenverschlüsselung.
  • Die Bluetooth-Low-Energy-Technologie verwendet in jedem Paket eine 32-Bit-Zugriffsadresse für jeden Empfänger, wodurch Milliarden von Devices verbunden werden können.

Zigbee ist eine Spezifikation auf Basis von IEEE 802.15.4 für eine Gruppe von PAN-Kommunikationsprotokollen (Personal Area Networking), ähnlich wie bei Bluetooth. Die Kommunikation über Zigbee funktioniert mit geringem Stromverbrauch, für Anwendungsfälle mit geringen Bandbreiten- und Latenzanforderungen ermöglicht. Die Datenraten reichen von 20 kbit/s (868 MHz-Band) bis 250 kbit/s (2,4 GHz-Band).

Es handelt sich um eine Ad-hoc-Kommunikationstechnologie, d. h., sie erfordert keine vorab eingerichtete Infrastruktur, da jedes Gerät im Netz als „Router“ fungiert und die von anderen Knotenpunkten übermittelten Informationen weiterleitet, was sie kostengünstiger macht als z. B. BLE und WiFi. Der geringe Stromverbrauch begrenzt die Übertragungsdistanz auf 10-100 Meter, je nach Ausgangsleistung und Umgebungsbedingungen. Zigbee-Devices sind in der Regel in einer Mesh-Architektur konfiguriert, bei der die Devices in der Lage sind, Nachrichten über große Entfernungen zu übertragen, indem sie Daten durch ein Netzwerk von Zwischengeräten leiten.

Zigbee-Netzwerke bieten auch sichere Datenübertragungen mit symmetrischen 128-Bit-Verschlüsselungen. Einige der Einsatzgebiete für diese Technologie sind Smart-Home-Anwendungen, wie z. B. die Automatisierung von Beleuchtungsanlagen, Energieüberwachungssysteme im Haus, Verkehrsmanagementsysteme und andere Industrieausrüstungen.

Near Field Communication (NFC) ist eine Technologie, die die Übertragung von Informationen mit geringer Geschwindigkeit und über sehr kurze Entfernungen (bis zu 4 cm) ermöglicht. Der Informationsaustausch über dieses Protokoll kann u. a. zur Authentifizierung, zum Auslesen von Daten oder zur Parametrierung und Konfiguration von Devices genutzt werden.

Diese Kommunikation basiert auf der induktiven Kopplung zwischen zwei Antennen in NFC-fähigen Geräten (von simplen Kartenanhängern bis hin zu Smartphones und Druckern), die die 13,56-MHz-Frequenz im unlizenzierten ISM-Band weltweit mit Geschwindigkeiten von 106 bis 424 kbit/s nutzen.

Diese Devices oder Tags enthalten in der Regel Informationen (zwischen 96 und 8.192 Byte) und sind schreibgeschützt.

NFC bietet eine Möglichkeit, Mehrwert für verschiedene Produkte zu bieten, einschließlich Sicherheit, indem es die Authentifizierung mit Hilfe von Tags ermöglicht, sowie die Anzeige von Informationen, die von verschiedenen Sensoren mithilfe von Tags mit Zugriff auf die erhaltenen Daten gewonnen werden, unter anderem.

Wireless Fidelity (WiFi) ist ein auf der IEEE 802.11-Standardfamilie basierendes Protokoll, das in einem lokalen Netzwerk (LAN) verwendet wird und den Internetzugang für alle möglichen digitalen Devices bietet, von Desktop-Computern, Tablets, Smartphones, Smart-TVs, Druckern und vielen anderen.

• • Wie Bluetooth ermöglicht auch WiFi eine plattformübergreifende Interoperabilität (Interoperabilität mit mehreren Anbietern).
  • WiFi sendet auf 2,4- oder 5-GHz-Frequenzen, die viel höher sind als die von Mobilfunknetzen verwendeten Frequenzen. Das bedeutet, dass die Signale bei höheren Frequenzen größere Datenmengen übertragen können, allerdings mit wesentlich höherem Stromverbrauch und geringerer Reichweite.
  • Das bedeutet, dass WiFi nicht für die Installation von Sensoren in sehr großen Gebieten geeignet ist, aber es ist ideal für Kleinstandorte (z.B. Smart-Home, Smart-Buildings, in Bürogebäuden oder in kleinen Betrieben), wo bereits WiFi-Abdeckung besteht.
  • Ideal für IoT-Anwendungen, bei denen der Stromverbrauch keine Rolle spielt (Geräte, die ständig an die Steckdose angeschlossen sind).
  • Die Kosten sind viel höher als bei LPWANs.
  • Eine standardisierte Anwendungsentwicklungsarchitektur verkürzt die Entwicklungs- und Bereitstellungszeit und senkt die Kosten.

Ethernet ist die am weitesten verbreitete Technologie für Local Area Networks (LAN). Es ermöglicht eine kabelgebundene Kommunikation, um verschiedene Geräte mit dem Internet zu verbinden. Innerhalb eines IoT-Netzwerks kann Ethernet verwendet werden, um feste oder stationäre Geräte über ein Kabel mit dem Internet zu verbinden. Die Datenrate über Ethernet hängt vom Kabeltyp ab und kann durch den Netzwerkadministrator begrenzt werden. Es kann sich um Glasfaser-, Koaxial- oder Twisted-Pair-Kabel handeln. Diese reichen von 10 Mbit/s für traditionelles Ethernet (10BaseT) bis zu 100 Mbit/s für Fast Ethernet (100BaseT) und 1000 Mbit/s für Gigabit Ethernet.

Ethernet hat eine sehr niedrige Latenzzeit und eignet sich daher für unternehmenskritische IoT-Anwendungen, bei denen sich die Geräte an einem gemeinsamen Standort oder in einem lokalen Netzwerk befinden können. Es gibt jedoch bestimmte Anforderungen, die berücksichtigt werden müssen, wie z. B. die Installationskosten, die durch die erforderliche Infrastruktur verursacht werden, sowie die begrenzte Mobilität der Geräte. Das Ethernet-Netzwerk eignet sich für den Aufbau von IoT-Netzwerken, in denen sich die Geräte im Kontext eines lokalen Netzwerks befinden und niedrige Latenzzeiten, hohe Übertragungsgeschwindigkeiten sowie hohe Bandbreiten erforderlich sind.

Mobilfunknetze haben sich auf Kosten des Stromverbrauchs auf Reichweite und Bandbreite konzentriert. So können wir mit unseren Mobiltelefonen viele Nachrichten über weite Entfernungen verschicken, aber der Akku entleert sich ziemlich schnell. Aus diesem Grund sind Mobilfunknetze optimal für Devices, die an eine ständige Stromquelle angeschlossen sind oder leichten Zugang dazu haben. Im Falle von Fernsensoren, die über weite Bereiche des Geländes verstreut sind, ist jedoch eine möglichst lange Batterielebensdauer erforderlich, und Mobilfunknetze sind keine Option.

Zellulare Konnektivität wird jedoch häufig für Backhaul verwendet, d. h. um ein LPWAN-Technologie-Gateway mit der Cloud zu verbinden, damit mehrere Sensoren oder Devices sich mit ihr verbinden können. Dann wird eine sternförmige Architektur gebildet, bei der die Sensoren mit dem Gateway kommunizieren und das Gateway für die Weiterleitung von Nachrichten an die Cloud zuständig ist. Auf diese Weise benötigen die Sensoren keinen hohen Stromverbrauch.

Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, Daten über Mobilfunknetze zu übertragen. Darüber hinaus gibt es 2G, 3G, LTE-M und NB-IoT. Dabei handelt es sich um Netze, die auf früheren Generationen der derzeit genutzten Mobilfunknetze basieren und darauf abzielen, die Datenübertragungskosten pro Gerät sowie den Energiebedarf zu senken.

Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, sind sowohl LTE-M (Long Term Evolution – Machine Type Communication) als auch NB-IoT (Narrowband – IoT) eine Weiterentwicklung früherer Generationen von Mobilfunknetzen. Sie fallen in die Kategorie der LPWANs, die eine große Reichweite bei längerer Batterielebensdauer und geringeren Übertragungskosten bieten.

	LTE-M	NB-IoT
Max. Datenrate	Uplink: 1119 kbit/s Downlink: 588 kbit/s	Uplink: 70 kbit/s Downlink: 32 kbit/s
Latenzzeit	Millisekunden	Sekunden
Roaming	Möglich über bestehende 4G-Netze	Begrenzt
Stromverbrauch	Best for sending large messages	Best for sending minimal data
Mobilität	<300 km/h, Zellenübergabe unterstützt	<100 km/h, keine Zellenübergabe

NB-IoT konzentriert sich speziell auf die Abdeckung von Innenräumen, niedrige Kosten, lange Batterielebensdauer und hohe Verbindungsdichte. NB-IoT verwendet eine Teilmenge des LTE-Standards, beschränkt aber die Bandbreite auf ein einziges schmales Band von 200 kHz.

Der Vorteil von LTE-M gegenüber NB-IoT ist die hohe Datenrate, die Mobilität und die Sprachübertragung über das Netz, aber es benötigt mehr Bandbreite, ist teurer und kann nicht im Schutzfrequenzband eingesetzt werden.

LoRa ist eine drahtlose Modulationstechnologie der physikalischen Schicht, die es ermöglicht, kleine Informationspakete zu kapseln und über große Entfernungen zu übertragen. LoRaWAN ist das Protokoll der Zugangskontrollschicht (MAC), mit den modulierten Nachrichten über LoRa übertragen werden können.

Einige der Merkmale von LoRaWAN sind:

• • Extrem niedriger Stromverbrauch: LoRaWAN-Geräte arbeiten im Energiesparmodus und können bis zu 10 Jahre mit einer einzigen Knopfbatterie betrieben werden.
  • Große Reichweite: Ein einzelnes Gateway kann Signale über eine Entfernung von ca. 1 km in städtischen Gebieten und 15 km in ländlichen Gebieten senden und empfangen.
  • Durchdringung in Innenräumen: LoRaWAN-Netze bieten Abdeckung in Innenräumen und mehrstöckigen Gebäuden.
  • Zwischen 250 bit/s und 11 kbit/s Datenraten in Europa.
  • Lizenzfreies Spektrum: Es sind keine Lizenzen für das Frequenzspektrum erforderlich.
  • Geolokalisierung: LoRaWAN ermöglicht es, den Standort von Geräten durch Triangulation zu bestimmen, ohne dass GPS benötigt wird.
  • Netzwerkkapazität: Ein einziges Gateway kann Meldungen von Hunderten von Sensoren gleichzeitig verarbeiten.
  • Sicherheit: Verwendet AES-128 End-to-End-Verschlüsselung.
  • Geringe Kosten: Minimale Infrastruktur und geringe Kosten für Sensoren und Endgeräte. Open-Source-Software.
  • Ökosystem: LoRaWAN verfügt über ein breites Ökosystem von Geräteherstellern, Gateways, Antennen, Netzwerkdienstleistern und Anwendungsentwicklern, was die Entwicklung erleichtert.

Sigfox ist ein globaler Netzbetreiber und Gründer des 0G-Netzes, das drahtlose Netzwerke zur Verbindung von Geräten mit geringem Stromverbrauch implementiert, die ständig eingeschaltet sein und kleine Datenmengen senden müssen. Sigfox nutzt das ISM-Band 868 MHz in Europa und 902 MHz in den USA. Es wird als LPWAN klassifiziert, das auf einer Single-Hop-Sterntopologie basiert und einen Mobilfunkbetreiber für die Übertragung des erzeugten Datenverkehrs benötigt. Im November 2020 hat das Sigfox IoT-Netzwerk insgesamt 5,8 Millionen Quadratkilometer in 72 Ländern abgedeckt und 1,3 Milliarden Menschen erreicht.

Über das Sigfox-Netzwerk können die Geräte bis zu 140 Nachrichten mit einer Länge von bis zu 12 Byte pro Tag versenden, wobei die Anzahl der Nachrichten pro Stunde auf 7 begrenzt ist. Die Funkmodule können außerdem 4 ankommende Transmissionen (Downlinks) pro Tag empfangen.

SigFox verwaltet die Kommunikation zwischen dem IoT-Gerät und der Cloud vollständig, sodass die Integration des Funkmoduls für den Benutzer ein ziemlich einfacher Prozess ist. Kompatible Funkmodule sowie ein Abonnementplan für jedes Gerät kosten etwa 1 USD pro Jahr.

Der größte Vorteil dieser Art von Konnektivität ist ihre enorme Reichweite. Ein einziges Satellitennetz ist in der Lage, die gesamte Oberfläche des Planeten abzudecken. Ein Gerät, das z. B. mobil eingesetzt werden soll, kann im selben Netz verbleiben und über dieselbe Art von Konnektivität kommunizieren.

Die Satellitenkommunikation ist besonders wichtig für Anwendungsfälle in abgelegenen Gebieten, in denen es keine Mobilfunk- oder WiFi-Verbindungen gibt, oder an Orten mit schlecht entwickelter oder nicht vorhandener Infrastruktur, z. B. mitten auf dem Meer.

In der Regel werden Satellitennetze in unterschiedlicher Weise genutzt. Eine der häufigsten Einsatzmöglichkeiten ist als Backup für Mobilfunknetze, z. B. auf Containerschiffen mitten auf den Weltmeeren. Oder über eine Backhaul-Verbindung, bei der es sich um einen Kontrollturm handeln kann, der direkt mit dem Satelliten verbunden ist, in Kombination mit einer anderen Art von Konnektivität, typischerweise LPWAN für die Verbindung mit IoT-Geräten. Dies geschieht in Gebieten, in denen die erforderliche Bandbreite nicht sehr groß ist.

Dies senkt die Kosten erheblich, da diese Art der Verbindung eine der teuersten ist. Darüber hinaus erfordert es eine viel größere Spezialausrüstung (Kontrolltürme für die Satellitenkommunikation) und einen hohen Batterieverbrauch der Devices zusammen mit einer hohen Bandbreite für die Datenübertragung.

Mit dem Wissen über die möglichen IoT-Übertragungstechnologien kannst Du nun anfangen, eigene Erfahrungen zu sammeln. Dabei wirst du immer wieder auf kleinere Hindernisse stoßen und aus diesen lernen.

Ein wichtiger Punkt, den Du dabei beachten solltest, ist die Kombination von Übertragungstechnologien. Es ist nicht unbedingt notwendig, alle Geräte mit einer Technologie anzuschließen. Es kann sich beispielsweise anbieten, in Innenräumen auf WIFI zu setzen und im Außenbereich auf LORA. Wichtige ist nur, dass die Technologie zu Deinem Einsatzszenario passt.

Hast Du das erste Projekt erfolgreich umgesetzt, kannst Du aufbauend auf den gemachten Erfahrungen weitere Projekte angehen oder einen flächendeckenden Roll-out planen.