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 wären speziell für die Anforderungen von IoT geeignete 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.

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 gut 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 keine 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.

Funktechniken für viele Geräte

In Funknetzen und Funksystemen, die für IoT-Anwendungen genutzt werden sollen, ist das drängendste Problem der hohe Kapazitätsbedarf der Netze. Mit steigender Anzahl der Geräte müssen die Netze immer mehr leisten. Hier gibt es aber Grenzen bei Bandbreite, Reichweite und dem Zugriffsverfahren. Es stellt sich die Frage, wie eine sehr große Anzahl an Teilnehmern versorgt werden können?

  • Wie muss der Zugriff der Teilnehmer auf den Frequenzbereich gesteuert werden?
  • Wie große ist die Datenmenge und steht genug Bandbreite zur Verfügung?
  • Welche Verzögerung bei der Übertragung ist für die Anwendung akzeptabel und wie klein ist die Latenz des Funknetzes?
  • Wie hoch ist die Verfügbarkeit des Netzes?

Funktechniken mit kurzer Reichweite (lokal verfügbar)

Funktechniken mit kurzer Reichweite eignen sich für den Nahbereich und lokale Netze. Hier geht es darum, die Strecke zwischen den vernetzten Geräten und dem nächsten Internet-Anschluss mit einem Gateway zu überbrücken. Die Reichweite ist meist auf wenige Meter begrenzt. 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.
  • RFID
  • 868 (MHz): propritäre Systeme im 868-MHz-SRD-Band

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).

  • LTE-Cat-NB1 / NB-IoT - Narrow-Band IoT (3GPP)
  • LTE-Cat-M1 / LTE-M / eMTC - Long-Term Evolution for Machines (3GPP)
  • EC-GSM-IoT - Extended Coverage GSM for IoT (3GPP)
  • LoRa und LoRaWAN
  • UNB - Ultra-Narrow-Band Modulation (von Sigfox)
  • RPMA - Random Phase Multiple Access (von Ingenu)

IoT-Funksysteme im Vergleich

  UNB
(Sigfox)		 LoRa LTE-Cat-NB1
(NB-IoT)		 LTE-Cat-M1
(LTE-M)		 EC-GSM
Frequenzband 868 MHz (unlizenziert) 800, 900, 1.800 MHz (lizenziert)
Bandbreite 100 Hz 125 kHz 200 kHz 1,4 MHz 2,4 MHz
Datenrate Downlink bis 100 Bit/s 250 Bit/s bis 50 kBit/s
(symm.)		 bis 250 kBit/s bis 1 MBit/s
(symm.)		 bis 140 kBit/s
(symm.)
Datenrate Uplink   bis 170 kBit/s
Reichweite 15 km 15 km 15 km
(35 km)		 11 km
(100 km)		 15 km
(35 km)
Batterie-
lebensdauer		 10 Jahre 10 Jahre 10 Jahre 10 Jahre 10 Jahre

LTE-Cat-M1 und LTE-Cat-NB1 werden weltweit als Nachfolgetechnik von 2G (GSM, GPRS und EDGE) und konkurrierender LPWAN-Lösungen positioniert. Eine flächendeckende Nutzung ist aber nur dann möglich, wenn LTE ausgebaut ist.

Übersicht: IoT

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