IoT-Funksysteme

Es gibt viele verschiedene Funktechniken, Funknetze und Funksysteme, die sich für IoT-Anwendungen eignen. Grundsätzlich kann man kategorisch in Funktechniken und Funksysteme mit kurzer und hoher Reichweite unterscheiden. Eine dritte Kategorie wäre spezielle IoT-Funktechniken, die nur niederbitratige Funkverbindungen aufweisen und dafür mit hoher Reichweite und Netzabdeckung punkten.

Aktuell konkurrieren mehrere Funksysteme, die die Anforderungen an ein IoT-Funksystem erfüllen, um die Gunst der Anwender. Auf der einen Seite die Weiterentwicklung vorhandener Mobilfunksysteme und auf der anderen Seite propritäre Lösungen, die einen neuen Standard schaffen wollen, der die spezifischen IoT-Anforderungen erfüllt.

Spannend ist, welches der speziellen IoT-Funksysteme sich durchsetzen wird. Vermutlich wird sich ein System für alle Aufgaben auf absehbare Zeit nicht durchsetzen.
Vorausschauend kann man sagen, dass es das eine universelle IoT-Funksystem nicht gibt und vermutlich auch nicht geben wird. Das ist auch gar nicht notwendig, weil es sehr viele etablierte Funktechniken und Funksysteme gibt, die für die meisten Anforderungen der IoT-Anwendungen geeignet sind. Entsprechend unübersichtlich ist der Markt, weshalb in Zukunft eine Konsolidierung stattfinden muss. Tendenziell wird es in Zukunft eine oder mehrere propritäre Lösungen für spezielle Aufgaben geben und parallel dazu die anwendungsspezifischen global verfügbaren Lösungen der Mobilfunknetzbetreiber.

Anforderungen an ein IoT-Funksystem

Typische IoT-Geräte sind Sensoren und Aktoren, die weder eine konstante Verbindung benötigen und auch keine hohen Datenmengen übertragen. Viele davon befinden sich in Gebäuden oder an entlegenen Orten. Es wird also ein Netz mit extrem hoher Abdeckung benötigt, das eine große Anzahl von Teilnehmern gleichzeitig bedienen kann.

  • wenig Bandbreite und niedrige Datenrate bei hoher Reichweite
  • geringer Energieverbrauch (lange Batterielaufzeit)
  • hohe Zuverlässigkeit (geringer Paketverlust)
  • sichere Übertragung (Verschlüsselung)
  • Echtzeitfähigkeit (kleine Latenzzeiten)
  • hohe Lokalisierungsqualität (exakte Ortsbestimmung)
  • einfache Installation (Plug and Play)
  • geringe Anschaffungs- und Betriebskosten

Diesen Anforderungen genügen die gängigen Systeme wie GSM, UMTS, LTE, WLAN, Bluetooth, ZigBee usw. nur in Teilen. Weshalb man je nach Anwendung ein anderes Funksystem verwenden muss.

Übersicht: IoT-Funktechniken

Bevorzugt eingesetzte Systeme und Techniken für mobile Verbindungen:

  • WLAN
  • Bluetooth
  • GSM/GPRS
  • RFID

Andere Techniken und Standards führen eher ein Nischendasein.

  • 868 MHz (propritär)
  • ZigBee (2,4 GHz)
  • Z-Wave
  • ...

Funktechniken mit kurzer Reichweite (lokal verfügbar)

Dabei handelt es sich um Funktechniken für den Nahbereich, um die Strecke zwischen den vernetzten Geräten und dem nächsten Internet-Anschluss zu überbrücken. Die Reichweite ist meist auf wenige Meter begrenzt und nur lokal verfügbar. Diese Funktechniken arbeiten meist in einem lizenzfreien Frequenzspektrum, was von beliebigen Anwendungen genutzt werden darf. Deshalb sind gegenseitige Störungen nicht ausgeschlossen. Außerdem werden die Funksysteme und -netze privat betrieben und sind dann nur dort verfügbar, wo sich eine entsprechende Basisstation befindet. Die Anbindung ans Netzwerk ist kostenfrei bzw. wird mit dem Internet-Zugang bezahlt.

  • WLAN: Dank lokaler Vernetzung für den Internet-Zugang praktisch oft verfügbar.
  • Bluetooth: Das vielseitig verwendbare Bluetooth ist mit seiner Ultra-Low-Energy-Variante vertreten.
  • Homematic: Im deutschsprachigen Markt erfolgreiche Protokoll BidCos der Firma Homematic zeigt eine erstaunliche Verbreitung.
  • ZigBee: Die ZigBee-Funktechnik zeichnet sich durch ein Dutzend meist zueinander inkompatiblen Subprotokolle aus.
  • Z-Wave: In den USA und UK basieren viele Produkte auf dem Z-Wave-Protokoll.
  • EnOcean: Im Bereich des Energy Harvesting besetzt EnOcean eine Nische.
  • DECT: Das durch die drahtlose Telefonie bekannte DECT eignet sich ebenfalls für Internet of Things.

Funktechniken mit hoher Reichweite (klassischer Mobilfunk)

Dabei handelt es sich typischerweise um klassische Mobilfunktechniken mit einer hohen Netzabdeckung, mit der viele und auch bewegliche Teilnehmer erreichbar sind. Mobilfunk ist theoretisch als Funktechnik für das Internet der Dinge geeignet. Allerdings ist es nicht überall verfügbar. Die Indoor-Versorgung ist begrenzt. Die Anbindung ans Netzwerk ist an Verträge gebunden und die Nutzung kostenpflichtig.

Funktechniken für die speziellen IoT-Anforderungen

Eine Alternative zu den etablierten Mobilfunknetzen sind Funktechniken für die speziellen IoT-Anforderungen. Es handelt sich dabei um besonders sparsame und billige Mobilfunksysteme, die nur über eine geringe Bandbreite und somit auch nur über kleine Übertragungsraten verfügen.
Wie bei Mobilfunk werden diese Funksyteme privatwirtschaftlich betrieben und sind deshalb kostenpflichtig. Diese Funktechniken überbrücken einige Kilometer. Sie eignen sich nur für geringe Datenmengen und verzichten dabei auf breitbandige Anwendungen. Im Gegenzug ist der Energieverbrauch der Funkmodule so gering, dass sie mit einer handelsüblichen Batterie mehrere Jahre betrieben werden können. Sie fallen deshalb unter die Kategorie Low Power WAN (LPWAN).

Übersicht: IoT-Funksysteme

  Sigfox LoRa NB-IoT eMTC EC-GSM 5G
Verfügbarkeit Ja Ja 2017 2017 2017 2020
Spektrum 900 MHz
(unlizenziert)
900 MHz
(unlizenziert)
900 MHz
(lizenziert)
900 MHz
(lizenziert)
900 MHz
(lizenziert)
?
(lizenziert)
Bandbreite 100 Hz 500 kHz 200 kHz 1,4 MHz 2,4 MHz ?
Datenrate Downlink bis 100 Bit/s bis 50 kBit/s
(symm.)
bis 200 kBit/s bis 1 MBit/s
(symm.)
bis 140 kBit/s
(symm.)
bis 1 MBit/s
Datenrate Uplink   bis 144 kBit/s  
Reichweite 15 km 15 km 15 km 11 km 15 km 15 km
Batterie-
lebensdauer
10 Jahre 10 Jahre 10 Jahre 10 Jahre 10 Jahre 10 Jahre

Übersicht: IoT-LTE-Mobilfunk im Vergleich

  Release 8
(Cat. 4)
Relase 8
(Cat. 1)
Release 12
(Cat. 0)
Release 13
(eMTC)
Release 13
(NB-IoT)
Downlink bis zu 150 MBit/s 10 MBit/s 1 MBit/s 1 MBit/s 200 kBit/s
Uplink bis zu 50 MBit/s 5 MBit/s 1 MBit/s 1 MBit/s 144 kBit/s
Antennen 2 2 1 1 1
Duplex Vollduplex Vollduplex Halbduplex Halbduplex Halbduplex
Bandbreite 20 MHz 20 MHz 20 MHz 1,4 MHz 200 kHz
Sendeleistung 23 dBm 23 dBm 23 dBm 20 dBm 23 dBm
Komplexität groß hoch mittel gering klein

Weitere verwandte Themen:

Teilen:

Kommunikationstechnik-Fibel

Kommunikationstechnik-Fibel

Das will ich haben!