Eck-Daten

Eines ist allen gemeinsam: keiner stellt ein Non-plus-ultra dar. LoRa und Sigfox überzeugen durch ein schnelles time-to-market. Bedingt durch den Umstand, dass es sich um ein privates Netzwerk handelt, ist keine Zertifizierung notwendig, wenn man mal von der Sigfox-Gerätezertifizierung absieht. Nachteilig: keine QoS-Garantie.

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

Sigfox

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.
Sigfox

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).

Sigfox

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.

Sigfox

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?

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.

Seite 1 von 212