Welche Netzwerke braucht die IoT-Kommunikation?

Low Power Wide Area Networks (LPWAN) nennen sich die Netzwerke, welche demnächst die Millionen, wenn nicht sogar Milliarden von Geräten miteinander und mit einer Zentrale kommunizieren lassen sollen. Dieser Sektor ist jedoch bisher nicht wirklich von den Telekommunikationsprovidern bedient worden. Daher haben sich junge Anbieter wie Sigfox und Semtech in diesem Segment platziert.

Wenn wir die existierenden Netzwerktypen betrachten und die dazugehörige Abdeckung der IoT-Anforderungen, dann sehen wir, dass ein Teil der Kommunikation mittels LAN und ein Teil über Mobilfunknetzwerke erfolgen kann. Alle anderen Anforderungen fallen in den Bereich von LPWAN. Die Frequenzen, die diese Art der Kommunikation ermöglichen, fanden bisher eher einen Einsatz in lokalen professionellen Netzwerken oder der Funktechnik.

Mit Frequenzen zwischen 600 Mhz und 900 Mhz operieren diese Netze weit unter denen von klassischen Mobilfunknetzwerken. Der Vorteil der geringeren Frequenzen liegt primär in der besseren Durchdringung von Gebäuden. Vergleichbar mit Radio und Fernsehfrequenzen. Auch die ersten Pläne der FCC (Federal Communications Commission in den USA) existieren bereits, Fernsehfrequenzen als mobile Signale zur Verfügung zu stellen, um IoT-Kommunikation zu ermöglichen und dementsprechend ein Stück vom Kuchen abzubekommen.

Dies zeigt, dass momentan viel Energie auf den unterschiedlichsten Ebenen aufgewendet wird, um LPWAN zu ermöglichen. Dies ist wichtig, da Sensoren und Aktoren nicht nur in Bereichen aufgestellt werden können, wo guter bzw. überhaupt Mobilfunkempfang zur Verfügung steht. Auch eine flächendeckende Versorgung mit einem WLAN ist nicht so trivial, wie es auf den ersten Blick erscheint. Man erinnere sich einfach an den letzten Hotelaufenthalt und das dort verfügbare WLAN.

Die Signalstärke variiert sehr stark von Zimmer zu Zimmer und von Stockwerk zu Stockwerk. Experten müssen hier sehr detailliert planen und optimieren, um allein für die Hotelgäste eine entsprechende Versorgung sicherzustellen. Denn die Funknetz-Planung klappt in komplizierten Gebäuden mit Funk-Hindernissen und aktiven Funk-Störer sehr selten ohne Probleme.

Wenn wir bei dem Bild des Hotelgastes bleiben, so stellt sich als nächstes die Frage, ob die Minibar, das Licht, die Jalousien und die Klimaanlage ebenfalls über dasselbe WLAN kommunizieren sollten, dass ich auch für meinen digitalen Arbeitsplatz benötige. Häufig genügt schon eine entsprechende Anzahl von weiteren Hotelgästen, um das Netzwerk in die Knie zu zwingen.

Netzwerk-Technologien: heute und zukünftig

Es gibt gerade im Bereich der Smart Home-Industrie eine Reihe von Lösungen und ersten weltweiten Standards. Jedoch lässt sich nicht jede genutzte Netzwerktechnologie auch auf alle Industriezweige anwenden. Viele Faktoren spielen hier eine Rolle, so haben beispielsweise Anwendungen im medizinischen Umfeld andere Anforderungen an Netzwerke als Industrieanlagen und diese wiederum andere als Smart Home-Lösungen.

Hinzu kommt noch die Tatsache, dass es nicht allen Frequenzen gestattet ist, ihr volles Potential zu entwickeln. Hier gibt es klare Auflage durch die Bundesnetzagentur. Einem Funksender ist es zum Beispiel nur gestattet mit einer Sendeleistung von 25 mW zu operieren. Dies führt mit weiteren Beschränkungen zu 36 Sekunden Sendezeit pro Stunde oder 864 Sekunden pro Tag, welches etwas mehr als 14 Minuten entspricht. Allein dadurch sind viele Netzwerke schon auf einen gewissen Anwendungsbereich beschränkt. Mit den 25 mW kann ich keine Videodaten live übertragen, aber immerhin noch Aktoren ansteuern und Sensoren auslesen. Der Vollständigkeit halber sind hier die gängigsten Netzwerktechnologien aus dem Smart Home-Bereich angeführt.

Wenden wir uns den Technologien mit größerer Reichweite und mehr Industrie fokussierten Netzwerken zu, so bietet sich ein komplett anderes Feld von Anbietern und Standards. Die bereits erwähnten Vorreiter in diesem Bereich nach den klassischen Mobilfunknetzwerken und LANs, sind Sigfox und die LoRa-Allianz.

Was in der Übersicht zu den IoT-Kommunikationslösungen auffällt, ist die Möglichkeit ein privates Netz zu erstellen. Dies ist jedoch aktuell nur mit dem LoRa-basierten Technologie-Stack möglich. Bei allen anderen Optionen erfolgt die Kommunikation immer gemeinsam mit anderen Teilnehmern über öffentliche Kommunikationskanäle. Obwohl die Kommunikationspfade mit anderen IoT-Geräten geteilt werden, so hat jedoch jeder Hersteller die Verschlüsselung und die Protokolle selbst zu definieren und mit dem Kommunikationspartner abzustimmen.

Sigfox bietet hierfür eigens Zertifikate an, damit die Kommunikation zwischen Sigfox und beispielsweise Public Cloud Providern entsprechend funktioniert. Wie man anhand der zeitlichen Verfügbarkeit sieht, haben die klassischen Telekommunikationsprovider ordentlich Energie in die Entwicklung gesteckt, um mit den neuen Anbietern am Markt mithalten zu können. Eine Entwicklung berücksichtigt diese Übersicht allerdings noch nicht, welche allerdings auch noch einmal die Karten entscheidend neu mischen könnte. Dies ist die Entwicklung der eSIM.

Die Embedded SIM ermöglicht es, eine frei programmierbare SIM-„Karte“ in alle möglichen Endgeräte, Sensoren, Aktoren etc. einzubauen und somit eine Kommunikationsverbindung herzustellen. Dabei ist die eSIM nicht für einen Anbieter oder ein Anwendungsszenario festgelegt, sondern ermöglicht eine dynamische Anpassung an z.B. veränderte Einsatzszenarien. Gekoppelt mit den neuen Netzwerktechnologien ermöglicht diese eSIM eine große Chance für den Mobilfunkbereich. Damit ist zum Beispiel ein Wechsel von Telekommunikationsanbietern beim Wechsel des Landes möglich, um Roaming-Gebühren zu sparen bzw. zu minimieren.

Routing- und Netzwerktopologien

Mobilfunknetzwerke und klassische Smart Home-Netzwerke unterscheiden sich nicht nur im Frequenzbereich, sondern auch in der Art, wie die Informationen durch die Netzwerke fließen. Klassisch unterscheidet man hier zwischen den Topologieformen:

• Stern

• Peer-to-Peer

• Cluster Tree

• Mesh

Die Smart Home-Lösungen, wie z.B. ZigBee nutzen Mesh-Topologien, da jedes Gerät mit jedem kommunizieren muss und mit der wenigen Energie, welche die Sender zur Verfügung haben auch die entsprechende Reichweite überbrücken müssen. Dies ist ein entscheidender Unterschied zu Mobilfunkanbietern. Diese haben mit starken Signalen und mit einer freigegebenen höheren Sendeleistung mehr Möglichkeiten, längere Strecken zu überbrücken.

Der Vorteil ist auch der Nachteil zugleich. Einerseits wird mehr Energie verbraucht, dafür aber eine größere Reichweite erzielt und eine Kommunikation erfolgt auf direktem Wege über die Antennen. Bei Mesh-Topologien erfolgt die Kommunikation eher wahrloser und der Weg, den eine Information nimmt, ist ggf. anfällig in puncto Sicherheit. LPWAN-Netzwerke versprechen auch eine Stern-Topologie zu nutzen und dies mit der geringen Sendeleistung der Endgeräte trotzdem weite Strecken zu überbrücken.

Prognose und Einschätzung

Trotz eSim-Jokerkarte scheinen die Mobilfunkanbieter hier einen entscheidenden Trend verschlafen zu haben und versuchen nun stark aufzuholen. Trotz aller technischen Bemühungen stellt sich weiterhin die Frage, ob ein global einheitlich funktionierendes Netzwerk zu konstanten und einheitlichen Kosten, wie beispielsweise bei Sigfox, mit einer Flut an Anbietern und Preismodellen auf Seiten der Mobilfunkkonzerne mithalten kann. Denn um globale IoT-Lösungen oder auch nur im europäischen Markt ausrollen zu können benötigt man entweder eine ganze Abteilung, welche regelmäßig neu verhandelt und die Kosten im Überblick behält oder eben möglichst einfaches Betriebs- und Kostenmodell.

Auch stellt sich die Frage der Kosten bei der Erweiterung der Technologie mit Kommunikationsmöglichkeiten. Denn sicherlich ist das Verhältnis von Kosten des IoT-Gerätes selbst zu einer Kommunikationslösung auch mit Mobilfunkstandards beispielsweise bei einer On-Board Unit (OBU) aus dem Automotive/Telematics-Bereich vertretbar, jedoch bei kleineren Bauteilen, wie z.B. Temperatursensoren, welche dann auch noch in großer Anzahl verteilt werden müssen sicherlich nicht mehr. (mb)