Das Satelliten-IoT wird den kommerziellen Zugang zu einer wirklich globalen, kostengünstigen und stromsparenden Konnektivität eröffnen. (Bild: AdobeStock 418010332, nana)
Das IoT hat seit seiner anfänglichen Einführung große Sprünge gemacht. Von den vielen Anwendungsfällen, die immer beliebter werden, führt das Asset-Tracking die Liste an. Die Arten von Assets, die überwacht werden, reichen von Schiffscontainern bis hin zu Sendungen mit lebenswichtigen Medikamenten, kapitalintensiven Maschinen und Nutztieren. Einige dieser Asset-Klassen sind sehr mobil und decken Länder und Regionen der Welt ab, von denen viele keine Mobilfunk- oder LPWAN-Abdeckung haben. Nun erreicht die IoT-Konnektivität auch den Low Earth Orbit.
Die Anfänge der IoT/IIoT-Kommunikation
Der Ursprung des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) war angeblich eine Softdrinkmaschine, die in den frühen 1980er-Jahren an der Carnegie Mellon University eingesetzt wurde. Der Begriff wurde erst Ende 1999 von Kevin Ashton geprägt, als das IoT in Schwung kam. Wie bei vielen elektronikbasierten Innovationen verlaufen die technologische Entwicklung und die Übernahme durch die Industrie iterativ. Innovations- und Nachfragezyklen sind altbekannt, und der Aufstieg des IoT und seines industriellen Zwillings, des industriellen Internets der Dinge (IIoT), ist von diesen zyklischen Mustern abhängig. Ein Beispiel dafür ist der Bedarf an niedrigem Stromverbrauch durch Batterien, was ein erhebliches Hindernis für die Einführung war, bis Mikrocontroller mit extrem niedrigem Stromverbrauch zur Norm wurden. Ursprünglich waren IoT-Geräte fest mit Ethernet-Netzwerken verdrahtet, aber mit einer Vielzahl potenzieller mobilitätsbasierter Anwendungsfälle führte der Bedarf an stabilen, stromsparenden drahtlosen Konnektivitätslösungen zu Low-Power-Wide-Area-Netzwerken (LPWAN).
Drahtlose Konnektivitätsoptionen für das IoT
Die drahtlose IoT/IIoT-Konnektivität war zunächst auf Heim-, Büro- und Fabrik-WLAN-Installationen beschränkt. Allerdings ist die WLAN-Bandbreite im Vergleich zu dem, was die meisten einfachen IoT-Sensoren benötigen, zu groß. Außerdem handelt es sich bei WLAN um ein besonders stromhungriges Drahtlosprotokoll, das sich für netzbetriebene Applikationen oder solche, die eine Batterie mit hoher Kapazität verwenden, eignet. Auch die mobile Datenverbindung wurde zunächst als teure Alternative angesehen. Schmalband-IoT wurde 2016 in die 3GPP-Mobilfunkspezifikationen aufgenommen und bietet eine Verbindung mit geringem Stromverbrauch und niedriger Bandbreite, die für viele IoT-Sensoren ideal ist. Für geografisch verteilte IoT-Implementierungen bot das Aufkommen von Sub-GHz-LPWAN-Protokollen wie LoRa eine kostengünstige, unlizenzierte Frequenzalternative zu Mobilfunk-Methoden.
Die Anzahl der drahtlosen Verbindungsoptionen nahm zu, ebenso die möglichen Anwendungsfälle. Obwohl viele der anfänglichen batteriebetriebenen drahtlosen Installationen ortsfeste Anlagen wie Stromzähler betrafen, beschleunigte die Möglichkeit, IoT-Geräte für Tracking zu entwickeln, die Verbreitung. Der beliebteste Anwendungsfall des IoT ist das Asset-Tracking, sei es ein Container auf einem Schiff, das von Asien nach Europa fährt, oder ein einzelner Arbeiter auf einem weitläufigen Forschungscampus. Das Angebot an Asset-Tracking-Applikationen ist vielfältig und reicht von umfangreichen kapitalintensiven Maschinen bis hin zu individuellen Sendungen von dringend benötigtem medizinischen Material. Die Landwirtschaft ist ein weiterer Anwendungsfall für Asset-Tracking, der von LPWAN-verbundenen Sensoren mit geringem Stromverbrauch profitiert.
Bei der Entscheidung für eine drahtlose Konnektivität sollten Ingenieure mehrere Faktoren berücksichtigen, darunter die geographische Reichweite, die Stromquelle sowie die Latenz und die Datenpaket-Größe.
Warum die geografische Reichweite so wichtig ist
Was wird verfolgt und womit wird kommuniziert? Wie weit muss das Objekt verfolgt oder mit ihm kommunizier werden? Befindet es sich in einem Umkreis von wenigen Kilometern um einen zentralen Ort, z. B. einen Bauernhof, oder handelt es sich um einen Schiffscontainer, der um die ganze Welt reisen könnte? Ein weiterer Faktor für Tracking-Applikationen ist die Genauigkeit der Platzierung. Die Verfolgung eines Containers auf einem Lkw erfordert vielleicht nur eine Positionierung von weniger als 3 km, aber ein einzelner Arbeiter in einem Forschungslabor benötigt vielleicht eine Genauigkeit von weniger als einem Meter. Beim Überschreiten von Regional- und Landesgrenzen ist Mobilfunk-Roaming und möglicherweise ein Fallback erforderlich, wenn die primäre Kommunikationsmethode nicht verfügbar ist.
Die Stromquelle: Batteriebetrieb und Solar
Der Batteriebetrieb bietet die größte Flexibilität, aber wiederaufladbare Batterien bieten eine größere Reichweite, wenn Platz für Solarmodule oder die Möglichkeit zur Nutzung von Umgebungsenergie oder gerichteten Energiequellen vorhanden ist. Die Lebensdauer der Batterie hängt vom Arbeitszyklus des Geräts ab. Ein Tracker, der einmal täglich kommuniziert, könnte für einen Schiffscontainer auf See geeignet sein, nicht aber für die Überwachung lokaler Lieferungen.
Latenz und Datenpaket-Größe hängen von der Anwendung ab
Wie viele Daten müssen übertragen werden und wie oft ist eine Echtzeit-Interaktion nötig? Die Nutzlast eines einfachen Temperatur- und Feuchtigkeitssensors kann weniger als 10 Byte betragen, verglichen mit bildverarbeitungsbasierten Sensoren für einen industriellen Kontrollprozess.
Mit der Zunahme der IoT-Anwendungsfälle, insbesondere bei globalen Einsätzen wie Asset-Tracking oder der Verwaltung umfangreicher, geografisch verteilter Implementierungen, wird es immer wahrscheinlicher, dass mehrere Konnektivitätsmethoden in einem einzigen Gerät kombiniert werden müssen. Fortschritte in der Satellitentechnologie und die sinkenden Einführungskosten machen satellitengestützte IoT-Konnektivität für viele Applikationen attraktiv.
Satelliten-IoT-Konnektivität mit CubeSats und nanoSats
Der Einsatz von Kommunikationssatelliten im Weltraum ist kein neues Phänomen, die ersten stammen aus den frühen 1960er-Jahren. In den letzten zehn Jahren ist jedoch die Zahl kompakter, kostengünstiger Satelliten, von denen viele nicht größer als ein Schuhkarton sind, dramatisch angestiegen. Sie werden als CubeSats und nanoSats bezeichnet. Sie sind so beliebt geworden, dass einige sogar von Hochschulen und Universitäten gebaut und von der NASA und anderen kommerziellen Satellitenbetreibern gestartet werden. Ein 1U-Nanosatellit misst 10 cm × 10 cm × 10 cm und wiegt in der Regel nicht mehr als 1,3 kg. Die CubeSat Launch Initiative der NASA bietet Bildungseinrichtungen, Museen und Wissenschaftszentren einen kostengünstigen Zugang zum Weltraum. Es können zehn CubeSats auf einmal gestartet werden. Die Satelliten befinden sich auf einer von drei Erdumlaufbahnen (Bild 1).
Jeden Tag senden wir Millionen von Signalen in den Weltraum und zurück, indem wir Daten über Satellitentechnologie übertragen. Aber wo sind diese Satelliten überhaupt platziert? Das Video erklärt die unterschiedlichen Orbittypen LEO, MEO und GEO.
Eine geostationäre Umlaufbahn lässt den Satelliten von einem festen Punkt auf der Erde aus als stationär erscheinen. Aufgrund der Entfernung ist die Latenzzeit mit bis zu 0,6 Sekunden erheblich. Fernsehsatelliten wie die beliebte Astra-1-Konstellation mit vier Satelliten befinden sich in der GEO und strahlen Tausende von Fernseh-, Radio- und interaktiven Kanälen aus 35.768 km Entfernung über die Erde nach Europa. Die meisten GNSS-Satelliten befinden sich in einer mittleren Erdumlaufbahn von etwa 22.000 km.
Die Platzierung einer Konstellation von CubeSats mit IoT-Konnektivität wird für viele Anwendungsfälle zunehmend praktikabel. Obwohl jeder CubeSat von einem IoT-Gerät auf der Erde nur für kurze Zeit sichtbar ist, wird es etwa zehn bis zwölf Überflüge pro Tag geben, was sich mit jedem weiteren CubeSat in der Konstellation erhöht. Außerdem ist die Latenzzeit eines LEO-CubeSat deutlich geringer als bei Satelliten in höheren Umlaufbahnen und für die meisten nicht-deterministischen Applikationen mehr als ausreichend.
Zu den Applikationen, die von der SatIoT-Konnektivität profitieren können, gehören die intelligente Landwirtschaft, das globale Asset-Tracking und die Überwachung der Leistungsfähigkeit von schweren Maschinen. Weitere Anwendungsfälle sind die Datenerfassung von Tiefseebojen und die Treibstoffoptimierung von Schiffen.
Astrocasts Produkte mit SatIoT-Konnektivität
Astrocast ist ein Beispiel für einen Anbieter von IoT-Konnektivität über Satellit, der seit 2019 CubeSats mit einem Gewicht von etwa 5 kg hauptsächlich mit SpaceX startet. Bei der jüngsten Mission im Januar 2023 wurden vier weitere CubeSats der Größe 3U (Abmessungen 10 cm × 10 cm × 34 cm) gestartet, sodass sich nun insgesamt 18 Satelliten in der Erdumlaufbahn befinden. Bild 2 zeigt die CubeSats von Astrocast bei der Vorbereitung auf die Endkontrolle.
Neben dem Aufbau und der Bereitstellung der Satellitenkonstellation bietet Astrocast eine Reihe von hochintegrierten L-Band-Transceivermodulen mit geringer Leistung an, die vollständig für die direkte Kommunikation mit dem Satellitennetzwerk optimiert sind.
Das Astrocast-Netzwerk bietet eine bidirektionale, niedrige Verbindungslatenz von weniger als 15 Minuten mit der gesamten Konstellation und die Möglichkeit von Over-the-Air-Updates für IoT-Geräte. Dabei wird durchgängig eine mehrstufige AES-256-Bit-Verschlüsselung verwendet. Bild 3 zeigt die komplexe Architektur des Astrocast-SatIoT-Dienstes.
Startschuss: So gelangen die Satelliten von Astrocast in den Weltraum. Nicolas Steiner, Leiter des Raumfahrtsegments bei Astrocast, erklärt, was es braucht, um die Satelliten zu entwickeln und herzustellen und was es bedeutet, sie erfolgreich ins All zu bringen.
Das Modul Astronode S (siehe Bild 4) wurde speziell für die Verbindung von Geräten mit dem Satelliten-IoT-Netzwerk von Astrocast entwickelt. Es integriert einen Arm-Cortex-M33-Mikrocontroller und einen proprietären ASIC-L-Band-Funk-Transceiver für die Kommunikation mit der Astrocast-Satellitenkonstellation. Die Kommunikation mit einem IoT-Geräte-Host erfolgt zusätzlich zu den GPIO-Ports über einen Low-Power-UART. Daten können jederzeit im Nachrichtenpuffer des Astronode mit bis zu acht Nachrichten mit jeweils bis zu 160 Byte Nutzdaten gespeichert werden. Diese werden beim nächsten Satellitenüberflug automatisch gesendet. Der Stromverbrauch beträgt bis zu 76 mA während der Übertragung und 320 nA im Tiefschlafmodus des Moduls. Die Sendeleistung beträgt bis zu +20 dBm.
Das Modul Astronode S+ integriert ein Astronode S-Transceivermodul und eine kompakte keramische Astronode Patch-Antenne, die für den L-Band-Betrieb optimiert ist, eine große Strahlbreite und einen Gewinn von +3 dBic aufweist. Die Impedanz beträgt 50 Ω.
Satelliten-IoT-Konnektivität eröffnet globale IoT-Anwendungsfälle
Mit der Ausweitung der IoT/IIoT-Anwendungsfälle wird der Bedarf an globaler, kostengünstiger und stromsparender Konnektivität immer wichtiger. In der Vergangenheit war der Zugang zur Satellitenkommunikation auf Regierungsbehörden und nationale Forschungsorganisationen beschränkt. Das Satelliten-IoT wird den kommerziellen Zugang zu einer wirklich globalen, kostengünstigen und stromsparenden Konnektivität eröffnen. Die Kombination von SatIoT mit bestehenden Drahtlosprotokollen bietet einen flexiblen und vielseitigen Ansatz für IoT-Konnektivität.
