Das Internet der Dinge (IoT) ermöglicht radikal neue Geschäftsmodelle, weil Milliarden von Dingen mit dem Internet verbunden werden. Das IoT erlaubt einen bisher nicht möglichen Mehrwert, da sich Daten von Sensoren und anderen Geräten auf eine völlig neue Art und Weise kombinieren lassen. Die Technologie eignet sich dabei für den Heimbereich und Büros, den Einzelhandel, Fabriken, Fahrzeuge, Landwirtschaft, Bergwerke sowie Erdöl- und Gasbohrungen und viele andere Industriebereiche. Außerdem werden auch Regierungen auf allen Ebenen das IoT nutzen, um intelligente Städte zu schaffen und die Dienstleistungen für ihre Bürger zu verbessern.

Bild 1: Das Sigfox-Netzwerk ist ein neuer Typ zellenbasierter Funknetze. Knoten können mit lokalen Basisstationen kommunizieren und die Basisstationen mit den Sigfox-Servern. Durch Überlappen der Funkzellen sorgt dieses Netzwerk für eine hohe Redundanz.

Bild 1: Das Sigfox-Netzwerk ist ein neuer Typ zellenbasierter Funknetze. Knoten können mit lokalen Basisstationen kommunizieren und die Basisstationen mit den Sigfox-Servern. Durch Überlappen der Funkzellen sorgt dieses Netzwerk für eine hohe Redundanz.Atmel

Die Verbindungen zwischen den Sensorknoten und den großen Servern, welche die gesamten Daten verarbeiten, sind ein kritischer Aspekt im IoT-Design. Innerhalb von Gebäuden stehen hierfür zahlreiche drahtgebundene und drahtlose Standards zur Auswahl. Außerhalb von Gebäuden steht weit entfernt von drahtlosen Kurzstreckenverbindungen nur das Mobilfunknetz zur Verfügung, das zwar problemlos funktioniert, aber nicht die optimale Lösung für Objekte ist, die nur sehr kurze Nachrichten senden und empfangen:

  • Das Mobilfunknetz wurde ursprünglich für die Sprachübertragung entwickelt, und erst später kam die Datenübertragung mittels Technologien wie GPRS, HSxPA und LTE hinzu. Die Datenkanäle sind für viele Anwender vorgesehen, die große Mengen von Musik- oder Videodaten per Streaming übertragen. Das IoT umfasst dagegen viele Knoten, die nur bei Bedarf kommunizieren und dabei kleine Datenpakete versenden.
  • Das Mobilfunksystem geht davon aus, dass die Batterien der Endpunkte – normalerweise Mobiltelefone – regelmäßig aufgeladen werden. Im Gegensatz dazu müssen entlegene IoT-Knoten viele Jahre ohne einen Batteriewechsel auskommen können.
  • Die Mobilfunkkosten sind hoch, so dass einige industrielle und landwirtschaftliche Anwender die Vertragsbestimmungen regelmäßig mittels Software optimieren, um abhängig von den übertragenen Datenmengen Kosten zu sparen.
  • Das Mobilfunksystem wurde für Anwender entwickelt, die in Bewegung sind und deshalb von Zelle zu Zelle weitergereicht werden müssen. Im Gegensatz dazu sind die meisten IoT-Knoten normalerweise stationär. Einige – Maschinen in der Landwirtschaft zum Beispiel – können mobil sein, bleiben aber gewöhnlich innerhalb einer einzigen Funkzelle.

Diese Herausforderungen haben zur Entwicklung neuer stromsparender Protokolle für große Reichweiten (LPWA) geführt. Ein erstes, das bereits eine große Verbreitung erfährt, kommt von Sigfox, einem französischen Unternehmen, das bereits ein Netzwerk in Europa aufgebaut hat und nun an einem Netz in Nordamerika arbeitet. Dieses spezielle Funknetz für IoT erfordert neue SoC-Lösungen (System-on-Chip), um die Verbreitung der Sigfox-bereiten Systeme zu beschleunigen.

Das Sigfox-Netzwerk

Beim Sigfox-Netzwerk handelt es sich um einen neuen Typ zellenbasierter Funknetze. Die Sensorknoten kommunizieren mit Basisstationen und diese mit Sigfox-Servern. Der Zugriff auf die Daten durch die Kunden erfolgt über die Sigfox-Server.

Bild 2: Das HF-Subsystem beeinflusst die drei Hauptkomponenten für die Zertifizierung: Hochfrequenz, Protokoll und Sicherheit.

Bild 2: Das HF-Subsystem beeinflusst die drei Hauptkomponenten für die Zertifizierung: Hochfrequenz, Protokoll und Sicherheit. Atmel

Die Unterschiede liegen im Format der Daten sowie darin, wie die Datenübertragung erfolgt. Die primäre Betriebsart von Sigfox ist der unidirektionale Uplink: Dabei senden die Knoten Daten an die Server. Einige Knoten arbeiten ausschließlich in diesem Modus, so dass sie nur Sender benötigen. Ohne einen Empfänger ergeben sich deutliche Energieeinsparungen.

Über einen Halbduplex-Mechanismus steht ein Downlink-Mechanismus zur bidirektionalen Kommunikation zur Verfügung. Dabei kann ausschließlich ein Knoten und nie der Server die Kommunikation initiieren. Dadurch behält der Knoten die Kontrolle über seinen Energieverbrauch, wobei der Server trotzdem Parameteränderungen, Befehle oder Updates zum Knoten übertragen kann.

Die Sigfox-Datenpakete sind klein und arbeiten mit bis zu 12 Byte Nutzlast pro 24-Byte-Paket. In der EU lassen sich bis zu 140 Nachrichten pro Tag mit einer Rate von 100 Bit/s übertragen, während es in Ländern, in denen die FCC-Zulassung maßgeblich ist, 600 Bit/s sind. Sigfox arbeitet im ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical) übertragen, dessen Frequenzbereich in Europa bei 868 MHz liegt und in den USA bei 902 MHz. Diese Bänder sind lizenzfrei, so dass keine Auktionen wie bei den Mobilfunknetzen stattfinden. Auch hier gibt es jedoch Einschränkungen, um sicher zu stellen, dass alle Teilnehmer eine angemessene Chance haben, diese Bänder zu nutzen. So darf beispielsweise kein einzelner Sender die gesamte Bandbreite belegen. In Europa muss das Nutzverhältnis zum Beispiel kleiner als 1 % sein, und die übertragene Leistung muss unter 25 mW bleiben. Durch diese Einschränkungen ergibt sich der tägliche Grenzwert von 140 Nachrichten.

Bild 3: Blockschaltbild des SoCs ATA8520 von Atmel, das ein komplettes Sigfox-HF-Subsystem implementiert.

Bild 3: Blockschaltbild des SoCs ATA8520 von Atmel, das ein komplettes Sigfox-HF-Subsystem implementiert.Atmel

Die Übertragungsreichweite ist von der Umgebung sowie der Anzahl der Gebäude und Objekte abhängig, die das Signal abschwächen können. In flachen ländlichen Gegenden lassen sich bis zu 50 km erreichen, wobei in einem typischen städtischen Umfeld nur 3 bis 10 km möglich sind. Normalerweise verfügt das Netzwerk über eine gewisse Redundanz, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Weil mehr als eine Basisstation das Signal eines Knotens empfangen kann, kommt es beim Ausfall einer Basisstation nicht zu einer Unterbrechung der Kommunikation. Auch das Backend ist für eine hohe Verfügbarkeit ausgelegt und enthält redundante Server sowie einen Load-Balancer.

Sicherheit             

Die Sicherheit spielt auf allen Kommunikationsebenen eine wichtige Rolle. Frequenzsprungverfahren und Anti-Replay-Maßnahmen verhindern das abfangen oder verändern von Nachrichten. Die Kommunikation zwischen den Basisstationen und den Servern erfolgt über VPN, und der gesamte Zugriff der Anwender auf die Backend-Daten über HTTPS-Verbindungen. Ein weiterer Sicherheitsaspekt ist die Tatsache, dass es kein vordefiniertes Nutzdaten-Format gibt; nur die beiden Kommunikationsendpunkte kennen die Bedeutung der Nutzdaten. Selbst wenn diese Daten abgehört werden, sind sie nutzlos, solange der Angreifer nicht weiß, wie die Nachricht entschlüsselt werden kann und was diese bedeutet. Die Anwendungen sind dem Sigfox-Protokoll übergeordnet. Ein Gerät registriert seine Anwendung über die Server, und jedes Paket identifiziert seine Anwendung. Das Backend stellt eine Restful-API zur Verfügung, was die Erstellung von Anwendungen durch Webprogrammierer vereinfacht.

Wie bei der Mobilfunk-Technologie erfolgt der Betrieb der jeweiligen Sigfox-Netzwerke durch Systembetreiber. Sigfox stellt die Technologie und Lizenzen sowie die Zertifizierung zur Verfügung, während der Servicebetreiber das Netzwerk betreibt. Sigfox arbeitet mit Netzwerkbetreibern beim Aufbau nationaler Netzwerke aber auch mit einzelnen Unternehmen zusammen, um Netzwerke für spezifische Einrichtungen aufzubauen.

Zertifizierung

Die erfolgreiche Verbreitung solcher komplexen Netzwerke setzt eine problemlose Zusammenarbeit von zahlreichen Hardware- und Software-Komponenten voraus. Jede nicht standardgemäße Komponente kann das System stören. Um einen erfolgreichen Start von neuen Installationen sicherzustellen, hat Sigfox ein Zertifizierungsprogramm namens „Sigfox Ready“ eingerichtet. Separate Zertifizierungen sind für Hochfrequenz-Subsysteme und ganze Knoten verfügbar. Die Zertifizierung betrachtet die drei spezifischen Bereiche HF-Leistung, Sigfox-Protokoll und Sicherheit. In einem typischen Knoten erfolgt das Handling der Sicherheit und des Protokolls durch das HF-Subsystem, welches das HF-Signal erzeugt. Allerdings beeinflusst auch das restliche Systemdesign das HF-Signal.

Eck-Daten

Die Möglichkeit, verschiedene Knoten aus entfernten Bereichen in ein einheitliches Netzwerk zu integrieren, ist eine der Stärken des IoT. Dadurch lassen sich Bedingungen überwachen und Geräte steuern, die weit entfernt und nur mit einem sehr hohen finanziellen Aufwand oder unter Lebensgefahr zu erreichen sind. Umm die Kosten im Rahmen zu halten und den Stromverbrauch dieser Knoten zu senken, sind neue Kommunikationsprotokolle wie Sigfox erforderlich. SoCs für derartige LPWA-Protokolle vereinfachen durch größtenteils vorzertifizierte Module die Verbreitung. Zudem können sich die Entwickler auf spezielle Mehrwertfunktionalität konzentrieren und müssen sich nicht mit Kommunikationsdetails beschäftigen.

Damit sind die Bauteil-Hersteller in der Lage, die Zertifizierungskosten zu senken, und aus diesem Grund zertifiziert Sigfox HF-Subsysteme separat. Wenn ein Bauteilhersteller das komplette System von Grund auf neu entwickelt, dann ist eine vollständige Zertifizierung erforderlich. Wenn ein Entwickler allerdings ein bereits zertifiziertes HF-SoC oder -Modul integriert, dann ist die Zertifizierung der Protokoll- und Sicherheitsaspekte abgeschlossen, so dass lediglich die HF-Leistung des vollständigen Geräts noch eine Zertifizierung benötigt.

SoCs für Sigfox

Diese neuen Infrastruktur-Komponenten haben einen Markt für kommerzielle SoCs geschaffen, die das komplette Sigfox-HF-Subsystem enthalten. Ein Systementwickler kann einen Netzknoten dadurch um eine Sigfox-Vernetzung erweitern, ohne die Details des Protokolls erlernen oder implementieren zu müssen, denn das SoC kümmert sich um die Details. Und wenn ein solcher Chip bereits von Sigfox zertifiziert wurde, dann hat ein Entwickler, der diesen Chip verwendet, schon zwei Drittel der Zertifizierung erledigt: nur die HF-Leistung des Gesamtsystems muss noch zertifiziert werden.

Das Blockschaltbild (Bild 3) zeigt erste auf dem Markt erhältliche Sigfox-SoC. Dieses ATA8520 genannte IC von Atmel nutzt einen Mikrocontroller für das Protokoll-Handling, ist aber ansonsten völlig abgeschlossen. Der Code ist integriert und kann vom Systementwickler nicht verändert werden, so dass Sigfox das Bauteil zertifizieren kann. Dieses spezielle Bauteil ist für einen Simplexknoten vorgesehen; es enthält somit nur die Sendefunktionalität, aber keine Empfänger-Schaltung. ATA8520 verfügt über eine SPI-Schnittstelle für den Zugriff auf die Datenübertragung und die Bauteilkonfiguration. Zusätzlich fungieren GPIO-Pins eine einfache Schnittstelle für externe Sensoren.  Der Downlink-Modus ist eine neue Erweiterung des Sigfox-Protokolls, und ein Produkt für diese Konfiguration ist bereits in Vorbereitung. Atmel bereitet mit der BauteilfamilieATA852xauch eine FCC-konforme Version vor.

Weil der Low-Power-Betrieb einen entscheidenden Vorteil der Sigfox-Implementierung darstellt, müssen auch die SoCs stromsparende Techniken beinhalten. Ein Ruhemodus ist daher wichtig; allerdings ist das Funkmodul des Knotens definitionsgemäß die meiste Zeit ausgeschaltet. Der Atmel ATA8520 arbeitet zum Beispiel mit drei Leistungsmodi: Übertragung (normalerweise 33 mA), Idle (normalerweise 50 µA; das System ist aktiv und erwartet Daten) und Off (normalerweise 5 nA).