Internet of Things – Technologien zur Anbindung des Internet der Dinge

Im ersten Teil dieser Blogserie „Internet of Things – Sensoren werden intelligenter“, wurde auf die grundlegenden Funktionen und Einsatzmöglichkeiten von IoT eingegangen und ihre zentrale Aufgabe – der Austausch von Informationen über das Internet – beschrieben.

Für die Anbindung der „intelligenten“ Objekte an das Internet steht eine Vielzahl an Technologien zur Verfügung. Damit die Einsatzfähigkeit des IoT-Gerätes nicht von der Verfügbarkeit eines Festnetzanschlusses abhängig ist, sind kabellose Übertragungssysteme bei der Anbindung unumgänglich. Bei der Auswahl der Funktechnologie sind Anforderungen zu berücksichtigen, die sich hauptsächlich am Einsatzgebiet von IoT orientieren.

Dabei zeichnet sich die Kommunikation von IoT-Geräten durch folgende Merkmale aus:

  • Hohe Zahl an beteiligten Aktoren/Sensoren
  • Austausch von kleinen Datenpaketen
  • Große Distanzen zum zentralen Hubstandort

Die beiden Hauptanforderungen an die Verbindungstechnologie für IoT sind ein geringer Stromverbrauch (Low Power) und eine hohe Netzabdeckung (Wide Area). Konventionelle M2M-Technologien, die auf bestehenden Mobilfunkstandards basieren (Edge, UMTS und LTE), sind kostenintensiv in der Anschaffung und im Betrieb und benötigen eine hohe Stromaufnahme. Beide Aspekte sind gravierend und führen dazu, dass sie als bevorzugte Verbindungstechnologie nicht in Betracht gezogen werden können.

Andere Funktechnologien, wie z.B. Bluetooth, ZigBee und WLAN verfügen ebenfalls über einen hohen Standardisierungsgrad, sind weit verbreitet und bieten eine gute Datenübertragungsrate. Ihr größter Nachteil besteht jedoch in der geringen Funkabdeckung, um über weite Distanzen eingesetzt werden zu können. Daher scheiden diese ebenfalls als bevorzugte Verbindungstechnologien für IoT aus.

Die beiden Hauptanforderungen vor Augen (geringer Stromverbrauch und eine hohe Netzabdeckung) fällt die Wahl des Funkstandards zur Anbindung der IoT-Geräte letztendlich auf eine Lösung, die auf der Low Power Wide Area (LPWA) Technologie basiert.

Funkstandards aus der LPWA-Technologie verfügen über eine große Netzabdeckung bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch. Es gibt eine Reihe von LPWA-Technologien, von denen die nachfolgenden beispielhaft genannt werden:

  • Narrow Band IoT (NB-IoT)
  • Long Range Wide Area Network (LoRa)
  • Sigfox

Ein großer Vorteil von NB-IoT gegenüber LoRa und SigFox ist das lizenzierte Frequenzspektrum, in dem die erstgenannte Technologie Verwendung findet.

Dadurch kann NB-IoT mit mehreren Vorzügen punkten:

  1. Es ist sichergestellt, dass die vorhandene Mobilfunknetzwerkinfrastruktur von LTE-Providern weiter verwendet werden kann, ohne eine kostenintensive Investition zu tätigen.
  2. Eine Provider übergreifende Nutzung (auch über nationale Grenzen) ist aufgrund des Standards möglich.
  3. Interferenzen mit anderen Funkquellen werden durch das lizenzierte Funkspektrum ausgeschlossen.
  4. Die Kommunikationssicherheit (Autorisierung des Teilnehmers, Verschlüsselung der Übertragung und Integrität der auszutauschenden Daten) ist durch den Einsatz des bewährten 3GPP SIM-Verfahrens gewährleistet.

Die folgende Tabelle zeigt die technischen Kerneigenschaften von NB-IoT im Vergleich zu den anderen o.g. Funktechnologien.

Tabelle: Funktechnologien zur Anbindung von IoT

Aufgrund der niedrigen Datenrate und der im LTE Cat-NB1 Standard eingeführten Energiespar-Modi ist ein IoT-Modul in der Lage, mit zwei AA-Batterien mehr als zehn Jahre¹ auszukommen. Darüber hinaus unterstützt NB-IoT bis zu 50.000 Aktoren² in einer einzigen Funkzelle.

Der Funkstandard NB-IoT nutzt die bestehenden Frequenzbänder von LTE. Dabei gibt es drei Betriebsarten zur Nutzung des Funkspektrums:

  • Guard-Band – Verwendung des Guard-Bandes, das zwischen den regulären LTE-Frequenzbändern als Schutzbereich ungenutzt ist (zur Vermeidung von Interferenzen)
  • In-Band – Nutzung von Funkressourcenblöcken innerhalb des LTE-Frequenzbandes
  • Stand-Alone – Nutzung von für NB-IoT umgewidmeten GSM-Bändern

Die folgende Abbildung zeigt die drei Betriebsarten im Vergleich.

Tabelle: Funktechnologien zur Anbindung von IoT

Abschließend ist zu erwähnen, dass IoT viele Einsatzmöglichkeiten mit sich bringt, die nicht nur im privaten Haushalt Anwendung finden, sondern auch den Unternehmen dabei helfen können, ihren Betrieb kosteneffizienter zu gestalten und neue interessante Dienste zu generieren.

Wenn Sie Fragen haben oder weitere Informationen zu diesem Thema wünschen, sind wir gerne für Sie da. Nehmen Sie Kontakt zu uns auf – wir freuen uns auf Sie!

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Referenzen:

¹) “Narrowband IOT Groundbreaking in the Internet of Things”; Deutsche Telekom AG; 19.10.2016

²) „NB-IoT – Enabling new Business Opportunities”; Huawei Technologies Co., Ltd.; 2015

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