Vom Sensor in die Cloud

Zu den bekanntesten Verbindungstechniken zählen WLAN, GSM, GSM-basiertes NB IoT, Sigfox und LoRa; Zigbee, WLAN und Bluetooth sollen aufgrund der etwas eingeschränkten Reichweite in der Betrachtung unberücksichtigt bleiben. Bedingt durch die unterschiedlichen Konzepte, Technologien, Preismodelle und Verfügbarkeit stellt sich die Frage: Welche Technologie ist die Richtige für die jeweilige Anforderung?

Bestandsaufnahme

Bild 1: Möglichkeiten der Vernetzung heute und morgen. Acal BFI

Einen guten Eindruck dessen was einmal alles vernetzt werden könnte oder sollte zeigt Bild 1. Was die Zahl der vernetzten Geräte Ende dieses Jahrzehntes oder darüber hinaus angeht, da gibt es die unterschiedlichsten Prognosen. Qualcomm, Chiphersteller für Komponenten, die in solchen vernetzten Geräten verbaut werden, geht von mehr als 5 Milliarden IoT-Verbindungen in 2025 aus. So unterschiedlich auch die Anwendungen sind, es lassen sich doch ein paar wichtige Kriterien für die Wahl der geeigneten Konnektivität festlegen:

• Menge der Daten, wenige Byte oder mehrere MByte,
• wie oft sollen die Daten gesendet werden,
• soll Zugriff auf das System bestehen, QoS, eventuell Software-Update,
• uni- oder bidirektionale Verbindung,
• Art der Stromversorgung.

Bild 2: Der europäische Sigfox-Ausbau. Sigfox

Für die Mehrzahl der heutigen und zukünftigen Things trifft sicherlich die Umschreibung wenige Daten, selten aktualisiert, aber lange Betriebsdauer, wenn möglich zehn Jahre aus einer Batterie, zu. Um die Daten in die Cloud zu bekommen bestehen funktechnisch zwei Möglichkeiten; lizenzfreie Frequenzbänder, wie sie von Sigfox und LoRa benutzt werden und nicht lizenzfreie Frequenzbänder, also das, was zum Oberbegriff GSM wie LTE, NB-IoT und EC-GSM zählt. Geht es darum, die richtige Wahl zu treffen, sollte das Ganze unter dem Blickwinkel des Netzausbaus gesehen werden. Das heißt: Bin ich allein auf weiter Flur, oder einer unter vielen? Was nützt mir die beste Technologie, wenn diese nur bedingt eingesetzt werden kann.

Wie sieht es aktuell mit den verschiedenen Netzausbauten aus? Auf der Sigfox.org Homepage findet man eine, den ganzen Globus umfassende Karte, in die man beliebig hineinzoomen kann. Den europäischen Ausbau zeigen Bild 2 und Bild 3: Nicht verwunderlich, die fast lückenlose Abdeckung von Frankreich; ebenfalls eine gute Abdeckung in den Beneluxländern. Deutschland, sicherlich ausbaufähig. Ein etwas dedizierter Blick in den Großraum München fördert die folgende Situation zu Tage: Als Ballungszentrum wurde dieser Raum sicherlich bevorzugt erschlossen und erscheint auf den ersten Blick gut versorgt. Bei näherem Hinschauen, kombiniert mit lokalen Ortskenntnissen, erkennt man aber im Südosten von München ein Band kleinerer, nicht abgedeckter Bereiche, die ihre Ursache in den topografischen Verhältnissen haben. Um diese abzudecken, müsste eine, dem GSM-Netz ähnliche Abdeckung erfolgen (Zahl der Masten).

Bild 3: Der deutschlandweite Sigfox-Ausbau. Sigfox

Sigfox und LoRa basieren beide auf lizenzfreien Bändern. Technisch gesehen basieren sie auf vergleichbaren Rahmenbedingungen im ISM-Band, weshalb es sinnvoll ist, diese miteinander direkt zu vergleichen. Analog zur Sigfox.org findet man das Pendant zu LoRa auf der LoRa.org Homepage; allerdings nicht so komfortabel. Im Endeffekt eine Vorausschau, wie man sich die LoRa-Welt vorzustellen hat, was uns hier nicht wirklich weiterbringt.

Ein Merkmal von LoRa ist, dass sich eine gewisse Provider-Struktur bilden kann und wird, die dann quasi ein, wie auch immer aufgebautes Netz betreibt. Für Europa gibt es einen interessanten Ansatz einer Commuity in den Niederlanden, die zwischenzeitlich ein beachtliches Netz organisiert hat. Das sogenannte „The Things Network“ kümmert sich um die TTN-Community und die TTN-Infrastruktur. Um in diesem Netzwerk aktiv zu werden, ist ein Konto bei TTN mit den üblichen Angaben notwendig. Als weitere Provider wären noch Loriot in der Schweiz, IoT-X in UK und Digimondo in Hamburg zu nennen.

LPWA-Technologien sahen sich bis vor zwei bis drei Jahren als Komplement zum existierenden Mobilfunknetz. Natürlich war dieses der GSM-Welt nicht verborgen geblieben, dass hier Milliarden von „Things“ die falsche Richtung einschlagen könnten. Also musste auf Basis des Bestehenden, etwas Analoges geschaffen werden. Im Prinzip hies es, LTE auf Diät setzen, die Geburtsstunde von NB-IoT. Nachdem die entsprechenden Standards durch die 3GPP festgelegt waren, haben die diversen Modulhersteller Produkte entwickelt, die derzeit bemustert werden. Hierbei wird allerdings der Schritt über LTE CAT–M1 gemacht und in 2019 wohl mit ersten CAT-NB1-Komponenten gerechnet werden kann.

Bild 4: Netzausbau erstes Halbjahr 2018. Acal BFI

Bleibt man beim ersten Auswahlkriterium, dem aktuellen Abdeckungsgrad, dann sieht das Bild etwas anders aus. Bedingt durch den Umstand, dass wir es hier mit dem bestehenden lizenzierten GSM-Funknetz zu tun haben, geht es eigentlich nur darum, dieses für NB-IoT fit zu machen, was hauptsächlich durch SW-Updates der bestehenden Infrastruktur umgesetzt werden kann. Der Netzausbau ist also mehr eine Frage, wie schnell diese Updates durchgeführt werden (Bild 4).

Realistisch betrachtet sollte man sicherlich davon ausgehen, dass dieser Ausbau nicht von heute auf morgen stattfinden, sondern eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen wird. Schaut man sich den aktuellen Ausbau des Telekomnetzes in Deutschland an, dann lässt sich leicht erahnen, was das für eine flächendeckende Verfügbarkeit für NB-IoT heißen könnte. Bedenkt man, dass aktuell nicht einmal überall UMTS, geschweige denn LTE zur Verfügung steht, heißt das, da greift auch ein SW-Update ins Leere. Hier geht es erst mal um die Grundversorgung.

Was ist Sigfox?

Bild 5: Sigfox stellt eine End- to-End-Kommunikationslösung zwischen den Objekten und dem Informationssystem dar. Sigfox

Sigfox stellt eine End- to-End-Kommunikationslösung zwischen den Objekten und dem Informationssystem, basierend auf einem nie dagewesenen Kostenmodell und niedrigem Energieverbrauch dar. Sigfox, eine französische Organisation, wurde 2009 ins Leben gerufen, agiert als Netzwerkbetreiber und stellt die zum Betrieb notwendige Infrastruktur in Form von Sendeempfangsstationen zur Verfügung. Im Gegensatz zu den Telekommunikationseinrichtungen wurden die Sigfox-Einrichtungen für geringen Datendurchsatz bei minimalem Leistungsverbrauch speziell für IoT entwickelt. Sigfox stellt damit ein Netz zur Verfügung, das jedes Gerät, das über die spezielle Sigfox-zertifizierte Kommunikationseinheit verfügt, nutzen kann (Bild 5). Aus Sicht der Anwendung funktioniert die Sigfox-Lösung folgendermaßen:

• Sigfox hat einen Netzwerk-zertifizierten Partner, der Sigfox-kompatible Modems liefert, die in das Objekt implementiert werden (1).
• Das Objekt oder Gerät veranlasst das Modem, zeit- und ortsunabhängig eine Nachricht zu senden (2).
• Die übertragene Nachricht beziehungsweise Daten werden von der Sigfox- Sendeempfangseinheit empfangen und an den Managed Service weitergeleitet (3).
• Der Sigfox-Server verifiziert die Datenintegrität und leitet die Nachricht an das IT-System der Anwendung weiter (4).
• Der Anwender (6) stellt über Internet eine Verbindung zum Server und seinen Daten her (5).

Um hohe Reichweiten bei geringer Leistungsaufnahme zu erzielen, wird eine Ultraschmalbandtechnik eingesetzt. Die Übertragungsrate beträgt 100 bit/s. Die Reichweite wird in Städten mit 3 bis 10 km angegeben, im freien Gelände sollen Distanzen von 30 bis 50 km überbrückt werden. Die Sigfox-Org sieht das Ganze aber noch optimistischer, findet man dort sogar einen Wert von 100 km. Wenn man die funktechnischen Gegebenheiten berücksichtigt, benötigt man, bedingt durch die Erdkrümmung zum Überbrücken von 20 km, Sendemasten von etwa 30 m Höhe. Betrachtet man zusätzlich zu den geometrischen Gegebenheiten physikalische, hilft ein gewisser John Egli, der in den 1950-er Jahren ein Modell, das die Dämpfung der Funksignale berücksichtigt und dazu eine empirische Formel entwickelt hat, weiter. In dieser Formel wird die Reichweite durch drei Parameter bestimmt: die Höhe der Sendeantenne, die Höhe der Empfängerantenne und die Sendefrequenz. Wenn man das Modell von Egli anwendet und die Höhe des IoT-Gerätes auf 1 m setzt, dann errechnet sich mit einer Leistungsübertragungsbilanz von 151 dB, für eine gewünschte Reichweite von 15 km eine Höhe von 140 m für den Sendemast. Damit sollten die 100 km etwas mit Vorsicht genossen werden.

Allerdings sollen batteriebetriebene Geräte wartungsfrei über 20 Jahre aus zwei AA-Zellen betrieben werden können. Das Kostenmodell basiert auf einer Übertragung von 140 Nachrichten/Tag mit einem Umfang von 12 Byte. Aktuell ist die Übertragung noch unidirektional, eine bidirektionale Verbindung ist aber zukünftig vorgesehen. Hardwaremäßig muss die Applikation über ein Modem eines von Sigfox zertifizierten Partners mit der nächsten Sigfox-Basisstation Verbindung aufnehmen.

LoRa und LoRaWAN

Bild 6: Die Verbindungsschichten der LoRa-Allianz. LoRa-Allianz

Wenn man sich mit LoRa beschäftigt, stößt man auch auf den Begriff LoRaWAN, wobei anzumerken ist, dass hier oftmals nicht genau unterschieden wird. Zieht man das OSI-Modell zu Rate, erkennt man, dass es ich bei LoRa um die physikalische Schicht (physical layer), die Hardware-Ebene, handelt. Streng genommen beschreibt LoRa das Modulationsverfahren Chirp Spread Spectrum (CSS) im ISM-Band von Semtech. Die Datenverbindungsschicht erfasst Veränderungen in der PHY-Schicht und legt das Protokoll für das Senden von Daten fest.

LoRaWAN ist ein offener Standard, der das Kommunikationsprotokoll für die LPWAN-Technologie auf Basis eines LoRa-Chips definiert. LoRaWAN definiert die Media Access Control (MAC) in der Verbindungsschicht und wird von der LoRa-Allianz gepflegt (Bild 6). Da Unternehmen wie Silicon Labs eine proprietäre MAC-Schicht (Symphony Link) auf einem LoRa-Chip verwenden, ist diese Unterscheidung wichtig. Wichtige Merkmale des LoRaWAN-Protokolls gegenüber anderen LPWAN-Techniken:

• keine festen, sondern adaptive Datenraten (300 bis 5000 bit/s); das erlaubt besseres time-on-air und eine Verbesserung der Batterielaufzeit,
• die Kommunikation ist ursprünglich bidirektional und unbegrenzt,
• Verschlüsselung der übertragenen Daten,
• Standortbestimmung ohne GPS über TdoA (time difference of arrival),
• es können öffentliche oder private Netze aufgebaut werden.

Bild 7: Daten eines LoRa-Endgeräts können von mehreren Gateways empfangen werden. LoRa-Allianz

Wie man in Bild 7 sieht, können Daten eines LoRa-Endgeräts von mehreren Gateways empfangen werden. Diese leiten die Daten an den LoRa-Netzwerkserver weiter, der die unter Umständen mehrfach empfangenen Daten als einen Stream zum Applikationsserver weiterleitet. Eine Rückantwort vom Server geht dann nur noch über das Gateway, das die beste Verbindung hält. Die bereits erwähnte Positionsbestimmung ist allerdings nur möglich, wenn mindestens drei Gateways das Endgerät empfangen. Die Kommunikation unterscheidet man in die drei Klassen:

• A (all): batteriebetriebene Anwendung, muss von allen Anwendungen unterstützt werden,
• B (beacon): batteriebetrieben, zusätzliche Empfangsfenster durch Synchronisationsbeacon,
• C (continuous): Netzbetrieb, maximales Empfangsfenster, das nur zum Zeitpunkt des Sendens geschlossen ist.

LoRaWAN und Sicherheit

LoRaWAN nutzt zwei Sicherheitsebenen; die erste für das Netzwerk, das heißt, der Knoten authenifiziert sich gegenüber dem Netzwerk, die zweite Ebene stellt sicher, dass der Netzwerkbetreiber keinen Zugriff auf die übertragenen Daten hat. Hierbei kommt eine AES128-Verschlüsselung zum Einsatz mit Schlüsselaustausch. Die Identifikation erfolgt nach IEEE EUI-64. Für einen weltweiten Einsatz von Geräten gilt es einige lokale Gegebenheiten, die hauptsächlich in der ISM-Band-Spezifikation begründet sind, zu beachten, wie unterschiedliche Frequenzbänder, Unterschiede bei den erlaubten Sendeleistungen und den verfügbaren Kanälen, sowie unterschiedliche Datenraten im Up-Link- und Down-Link-Kanal.

LoRa oder Sigfox, wer macht von diesen beiden im lizenzfreien Raum das Rennen? Sicherlich lässt sich die Frage nicht mit „der Eine“ oder „der Andere“ beantworten. Es wird vielmehr eine Frage des zukünftigen Ausbaus sein und auch eine Frage, was braucht die Applikation. Soll heißen: Reichen mir die paar Nachrichten/Tag die mir Sigfox gewährt nicht aus, dann fällt Sigfox aus.

Lizensierte Frequenzbänder/GSM

Bild 8: Lizensierte Frequenzbänder/GSM für Nahbereich-IoT. Acal BFI

Hier heißt das Ziel NB-IoT. Entwicklungstechnisch kommen wir hier von 4G oder LTE, allerdings ist die ursprüngliche Zielsetzung von höher, schneller, weiter in Bezug auf die Datenraten eher auf den Kopf gestellt. Herkommend von LTE-Cat-3 beziehungsweise Cat-4 mit 150 Mbit/s, geht es über LTE Cat 1 zu Cat M1, der LPWA-Technik mit der noch höchsten Bandbreite von 350 kbit/s (Bild 8). Hier besteht noch die Möglichkeit Sprache zu übertragen. Außerdem ist ein Roaming möglich, wobei hier der Wechsel zwischen Funkzellen und nicht der grenzüberschreitende Betrieb gemeint ist.

Mit der nächsten Stufe Cat-NB1 ist erreicht, was für eine Anwendung im Bereich Internet of Things gebraucht wird: Basierend auf einer Schmalbandtechnologie, Datenraten im zweistelligen Kilobitbereich, Up-Link sowie Down-Link möglich, stromsparend durch entsprechende Power-Saving-Modes (PSM). Mit PSM ist es möglicht, sleep mode von Sekunden auf Stunden und Tage zu erweitern. Des Weiteren kostensparend, was durch eine geringere Komplexität der NB-Module erreicht wird. Ziel muss hier sein, langfristig in einen Bereich von fünf bis zehn Dollar zu kommen, um im Vergleich mit den anderen Technologien wettbewerbsfähig zu sein. Anwendungen sind rein stationär, wie Parkraum-Management oder das Überwachen von Straßenbeleuchtungen. Da diese Einschränkung nicht unbedingt überall Gefallen findet, soll Cat-NB2 einen Wechsel des Funkmasten ermöglichen. Sicherlich darf man ohne Übertreibung davon ausgehen, dass bis NB2 noch einige Jahre ins Land ziehen werden.

EC-GSM-IoT (extended coverage GSM IoT)

Extended Coverage GSM IoT (EC-GSM-IoT) ist ein entwicklungstechnischer Ansatz für ein in 2016 standardisiertes LPWAN. Mit EC-GSM-IoT wurde ein kostengünstiges, energieeffizientes, zellulares Mobilfunknetz, basierend auf enhanced GPRs (EGPRS), für das Internet of Things (IoT) konzipiert. Die Optimierungen, die für existierende GSM-Netze notwendig sind, können per Softwareupdate durchgeführt werden, was einen schnellen Ausbau und time-to-market ermöglicht. Eine Koexistenz zu bestehenden 2G-, 3G- und 4G-Netzen ist gegeben.

EC-GSM-IoT arbeitet wie LTE-M und NB-IoT in den Frequenzbändern zwischen 800 MHz und 900 MHz. Die Bandbreite beträgt 200 kHz, wobei das Trägersignal gleichzeitig von vorhandenen LTE- oder GSM-Netzen oder auch von NB-IoT genutzt werden kann. Da die Funkstrecke gegenüber 2G-Mobilfunknetzen eine zusätzliche Dämpfung von 18 dB bis 20 dB zulässt, können mit EC-GSM-IoT Entfernungen von bis zu 15 km überbrückt und Funkknoten in Gebäuden installiert werden. EC-GSM-IoT nutzt die Sicherheitstechnik der Mobilfunknetze, wie die vertrauliche Benutzerkennung, die Authentifizierung und Datenintegrität und die Mobile Equipment Identity (MEID).

Bild 9: Ein Vergleich der verschiedenen GSM-basierenden Technologien. Acal BFI

Mit Extended Coverage (EC) können viele unterschiedliche IoT-Anwendungen realisiert werden. So beispielsweise die Einbindung von Smart Meter im Smart Grid, industrielle Anwendungen in der Produktionstechnik und der Logistik, M2M-Kommunikation und vieles mehr (Bild 9).

Fazit

Eine spannende Frage könnte sein, wie lange stehen denn die Netzwerke zur Verfügung, sind die Anbieter in fünf5, zehn oder 20 Jahren noch im Business? Sicherlich, die bevorstehenden beziehungsweise bereits vollzogenen Abschaltungen von 2G- Netzen haben gezeigt, dass hier auch nicht das ewige Leben angesagt ist. Allerdings kann man davon ausgehen, dass auch mit 5G, den LPWA-Technologien im GSM-Bereich ein längeres Dasein beschieden sein dürfte. Nicht von Vorteil ist für LoRa und Sigfox sicherlich auch der aktuell noch nicht vorhandene globale Netzausbau. Des Weiteren ist kein Migrationspfad für die zukünftige Unterstützung größerer Bandbreiten vorgesehen.

Bei LTE- M, NB-IoT und EC-GSM-IoT darf man sicherlich von einer globaleren Abdeckung mit etabliertem Ecosystem und einem garantierten QoS sprechen. Weitere Eigenschaften wie Echtzeitkommunikation, kurze Latenzzeiten und ein Migrationspfad zu höheren Bandbreiten sind gegeben. Nachteilig ist sicherlich das time-to-market, verbunden mit den Kosten einer möglicherweise weltweiten Zertifizierung. Von Vorteil ist sicherlich die Möglichkeit eines SW-Updates over-the-air.

(jj)