Wireless-Technologien, die mit Frequenzen unter 1 GHz (Sub-GHz) arbeiten, erfreuen sich seit dem Aufkommen von LPWAN (Low-Power-Wide-Area-Netzwerken) und WLAN-Standards wie Halow (IEEE 802.11ah) und White-Fi (IEEE 802.11af) zunehmender Beliebtheit. Dieser Trend liegt an der inhärenten Fähigkeit der Signale, Entfernungen von mehr als einem Kilometer zu überwinden. Gleichzeitig können sie eine bessere Durchdringung von Objekten sowie eine höhere Störfestigkeit gewährleisten. Die größere Reichweite hat weitreichende Auswirkungen beim IoT für Smart City, Gebäude- und Home-Automation, Smart Farming und IIoT (Industrial IoT).

Eckdaten

Mit Wireless-Technologien wie Sub-GHz oder BLE lassen sich verschiedene Anwendungen im Umfeld des IoT umsetzen. Gerade solche Anwendungen mit einer regelmäßigen, aber nicht kontinuierlichen Signalübertragung profitieren von der Technologie. Aber die Technologie bringt auch Herausforderungen für Entwickler mit sich.

Laut ON World sollen LPWAN-Dienste bis 2025 bis zu 75 Milliarden USD erreichen, wobei weltweit mehr als 30 verschiedene Anwendungen in einem breiten Spektrum an Marktsegmenten bedient werden sollen. Mit den bis 2021 prognostizierten mehr als 3 Milliarden vernetzten Geräten ist der Boom des Sub-GHz-Marktes keine große Überraschung.

Hindernisse durch Abhängigkeit von externem WLAN und Mobilfunknetzen

Während die Anzahl an IoT-Bausteinen anwächst, die das Sub-GHz-Spektrum nutzen, sind dem Fortschritt dieser Technologien durch die fehlende Kompatibilität zu vorhandenen Geräten, einschließlich Smartphones, Tablets und Laptops, immer noch beträchtliche Grenzen gesetzt. Typischerweise arbeiten Sub-GHz-IoT-Netzwerke in einer Sterntopologie, in der Sensorknoten Übertragungen mit einem Gateway oder einer Basisstation anstoßen, das beziehungsweise die fest verkabelt ist, um eine Verbindung mit hohem Durchsatz zu Netzwerkservern herzustellen.

Daher besteht oft die einzige Möglichkeit zur Steuerung eines Endgeräts oder Gateways aus der Ferne in einer entfernten Web-basierenden App oder CLI (Command-Line Interface, Befehlszeilenschnittstelle), die sich mit einem lokalen WLAN oder Mobilfunknetz verbindet. Es gibt aber möglicherweise Fälle, in denen diese Netzwerke nicht immer verfügbar oder zuverlässig sind. Für manche IoT-Anwendungen mag das kein Problem darstellen, aber für industrielle und kommerzielle Anwendungen ist es problematisch, wenn das Netzwerk genutzt wird, um die Geräteausstattung zu betreiben, warten und aktualisieren.

Vorteile einer Plattform mit mehreren Protokollen

Bild 1: Branchen, die Sub-GHz-Technologien und die entsprechenden Anwendungen ausnutzen.

Bild 1: Branchen, die Sub-GHz-Technologien und die entsprechenden Anwendungen ausnutzen. Silicon Labs

Bei den meisten LPWANs einschließlich Lo-Ra, Sigfox und NB-IoT ist für die Kommunikation mit vorhandenen Benutzergeräten ein zusätzlicher Funkkanal erforderlich. Bluetooth Low Energy (BLE) bietet eine Plattform, bei der Anwender die Geräteeinrichtung, ihr Betrieb und ihre Wartung lokal mit einem Smartphone oder Tablet vornehmen können. Außerdem lassen sich OTA-Aktualisierungen (Over-The-Air) der Firmware mit einer Bluetooth LE5-Verbindung (rund 2 MBit/s) mit höherem Durchsatz schneller durchführen als mit LPWAN-Narrowband (NB) oder Ultra-Narrowband (UNB), das nur Modulationsraten von 1 bis 100 kBit/s unterstützt.

Multiprotokoll-SoCs für die Einrichtung von Smart Metern

Sub-GHz-Frequenzen finden oft bei der Weitergabe von gesammelten Daten von einem System mit Smart Metern Verwendung, deren Anzahl sich im zwei- oder dreistelligen Bereich bewegen kann. Das könnte in Form eines proprietären FAN (Field Area Network) oder einer offenen LPWAN-Plattform stattfinden. Das FAN nutzt eine Sterntopologie in einer Many-to-one-Kommunikationsarchitektur, wobei mehrere Smart Meter drahtlos Daten an einen lokalen Server weiterleiten, der mit einem Gateway verbunden ist.  Über ein WAN (Wide Area Network) erfolgt dann die Übertragung der Daten an eine Geschäftsstelle oder ein Abrechnungssystem. Jegliche Aktualisierungen der Smart Meter müssen dann über das Gateway per Internet oder durch eine fest verkabelte Verbindung zum Messgerät selbst erfolgen. Typischerweise erfolgen Firmware-Upgrades per OTA, um die Funktionalität zu erweitern und um technische oder sicherheitsbezogene Probleme anzugehen. Da derartige Aktualisierungen wichtig für die langfristige Funktionalität von Smart Metern sind, müssen Versorgungsunternehmen in der Lage sein, bei ihren Planungen die Ausfallraten von OTA-Upgrades auf Basis von Verkehr, Störungen und einer Reihe anderer Parameter zu berücksichtigen.

Bild 2: Bluetooth-Beacons haben Handels-basierte Anwendungen, wobei eine Telefonanwendung, die den Weg zu einem bestimmten Laden findet, auch Laden-spezifische Inhalte an das Smartphone des Kunden senden könnte.

Bild 2: Bluetooth Beacons haben Handels-basierende Anwendungen, wobei eine Telefonanwendung, die den Weg zu einem bestimmten Laden findet, auch Laden-spezifische Inhalte an das Smartphone senden könnte. Silicon Labs

Ein mit einem SoC (System-on-a-Chip) ausgestattetes Smart Meter, das sowohl mit Sub-GHz-Frequenzen als auch BLE (2,4 GHz) arbeitet, kann Wireless-Kommunikation über lange und lokale, kurze Strecken bereitstellen. Durch die zusätzliche Bluetooth-Konnektivität können Techniker von Versorgungsunternehmen mithilfe einer mobilen App Smart Meter im Einsatz steuern, mit ihnen kommunizieren oder sie aktualisieren. Diese Art von in das System eingebauter Redundanz kann den operativen Overhead von Versorgungsunternehmen reduzieren, da mehrere Backup-Pläne für die Durchführung von Wireless-Wartung eines Smart Meters zur Verfügung stehen. Diese Technologie kann auch in anderen vertikalen Märkten Anwendung finden und lässt sich bei landwirtschaftlichen und industriellen Anwendungen mit Messgeräten im Industriebereich einsetzen, die Parameter wie etwa die Durchflussmenge überwachen.

Mögliche Anwendungsgebiete finden Sie auf der folgenden Seite.

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