IoT (Internet of Things) – Welche Funktechnologien setzen sich durch?

Heutzutage sollen viele Geräte drahtlos übers Internet gesteuert oder miteinander verbunden werden. Das Schlagwort dazu heisst „IoT“ (Internet of Things). Sei es ein freier Parkplatz, welcher auf dem Handy angezeigt wird, ein Tier, von dem man den Standort wissen möchte oder die Heizung im Ferienhaus, welche von zuhause aus bedient werden soll. Die Herausforderung dabei ist immer dieselbe: Wie verbindet man alle diese batteriebetriebenen Sensoren und Aktoren drahtlos mit dem Internet? Die Distanz für die Verbindung mit WLAN oder Bluetooth ist oft zu gross, wodurch eine andere Lösung für diese Internet of Things Produkte gefunden werden muss.



Bisher wurden die Daten dieser Internet of Things Anwendungen oft über das bestehende GSM Mobilfunknetz übertragen, was drei grosse Einschränkungen mit sich brachte. Zum einen ist man am Gerätestandort auf den Mobilfunkempfang angewiesen, was in einer Tiefgarage, im Keller oder in den Bergen oft nicht der Fall ist. Zweitens benötigt die GSM-Kommunikation über das Mobilfunknetz relativ viel Energie, was einen fixen Stromanschluss oder eine entsprechend kurze Batterielebensdauer zur Folge hatte und drittens ist die Verwendung der GSM-Kommunikation relativ teuer, so dass die Einbindung in viele IoT-Produkte nicht rentabel war und daher gar nicht erst realisiert wurde.

Aus diesen Gründen wurden in den letzten Jahren von diversen Anbietern verschiedene neue Funktechnologien im Bereich von LPWAN (Low Power Wide Area Network) entwickelt. Dies sind Funknetze, welche folgende drei Hauptziele verfolgen: 

  • hohe Funkreichweite
  • geringer Energieverbrauch
  • tiefe Kosten

Somit wurden ideale Voraussetzung für kostengünstige batteriebetriebene IoT Sensoren und Aktoren geschaffen, welche so über grosse Distanzen ans Internet angebunden werden können. Die Batterielaufzeit soll mit diesen Technologien bis zu > 10 Jahre betragen können. Als Kompromiss wurde jedoch die Kommunikationsgeschwindigkeit dieser Funktechnologien auf unter 100 Bit/s bis hin zu wenigen kBit/s herabgesetzt, um dafür eine bessere Empfängerempfindlichkeit und somit eine grössere Funkreichweite zu erzielen. Dieser Kompromiss führt auch zu einer Erhöhung der Übertragungszeit, was sich aber bei vielen Internet of Things Anwendungen mit kleinen Datenmengen nicht störend auswirkt.

Die bekanntesten neuen Vertreter der LPWAN Technologie heissen LoRaWAN, Sigfox und NB-IoT. Jede dieser Technologien hat ihre Vor- und Nachteile, wobei die Auslegung dieser Vor- und Nachteile stark von den Bedürfnissen der Internet of Things Anwendung abhängt. Die folgende Grafik zeigt die Eigenschaften der verschiedenen Funktechnologien.

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Abbildung 1: Eigenschaften der verschiedenen Funktechnologien

Short Range Device Anwendungen sind hauptsächlich für kurze Reichweiten, tiefe bis mittlere Datengeschwindigkeit und geringen bis mittleren Energieverbrauch ausgelegt. Das Mobilfunknetz ist hauptsächlich für grosse Datengeschwindigkeiten, mittlere Reichweiten und mittleren bis hohen Energieverbrauch ausgelegt. Die neuen Technologien der LPWAN Gruppe sind für grosse Reichweiten, kleine Datenmengen und sehr geringen Energieverbrauch ausgelegt, was meistens den Anforderungen von Internet of Things Produkten entspricht.

Nachfolgend werden die drei bekanntesten neuen Technologien der LPWAN Gruppe kurz aufgezeigt.

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LoRaWAN verwendet die Funktechnologie LoRa mit der „Chirp Spread Spectrum“ Modulation und arbeitet auf den lizenzfreien Sub-GHz Frequenzen (868 MHz in Europa und 915 MHz in USA). Die Datenübermittlung pro Tag ist uneingeschränkt bidirektional möglich, der Duty-Cycle muss jedoch die Richtlinien der einzelnen Länder erfüllen. Ein öffentliches eigenständiges LoRaWAN-Netzwerk wird von lokalen Netzbetreibern (z.B. Swisscom) aufgebaut. Es ist jedoch auch möglich, ein privates eigenes Netzwerk aufzubauen. Zusätzlich kann die LoRa Funktechnologie auch ohne Netzwerk für eine Punkt-zu-Punkt Verbindung verwendet werden. Die Maximale Datenrate beträgt 50 kBit/s.

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Sigfox verwendet eine Ultra-Schmalband Funktechnologie mit der „Binary Phase Shift Keying“ Modulation und arbeitet auf den lizenzfreien Sub-GHz Frequenzen (868 MHz in Europa und 915 MHz in USA). Die Datenübermittlung ist pro Tag auf 140 Nachrichten mit 12 Byte (Upload) und 4 Nachrichten mit 8 Byte (Download) begrenzt. Das globale Sigfox-Netzwerk wird vom französischen Telekommunikationsunternehmen SIGFOX eigenständig aufgebaut und betrieben. Das Netzwerk ist unabhängig von bereits bestehenden Netzwerken. Ein eigenes privates Netzwerk ist nicht möglich. Die maximale Datenrate in Europa ist sehr klein und beträgt gerade mal 100 Bit/s.

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NB-IoT verwendet eine Funktechnologie mit der „Quadratur Phase Shift Keying“ Modulation und arbeitet im lizensierten Funkspektrum der Mobilfunkbetreiber. Die Datenübermittlung pro Tag ist uneingeschränkt bidirektional möglich. Ein öffentliches NB-IoT Netzwerk wird von einzelnen (nationalen) Mobilfunkanbietern aufgebaut und betrieben. Für den NB-IoT Standard muss kein komplett neues Netzwerk aufgebaut werden, sondern es kann ein Grossteil der vorhandenen Infrastruktur des Mobilfunknetzwerks verwendet werden. Ein eigenes privates Netzwerk ist nicht möglich. Die maximale Datenrate beträgt 250 kBit/s.

Wir haben bei uns intern die verschiedenen neuen LPWAN Technologien analysiert und sind zum Schluss gekommen, dass die LoRa-Technologie und das daraus folgende LoRaWAN die Bedürfnisse unserer Anwendungen am besten abdecken. Daher haben wir uns in den letzten Monaten besonders intensiv mit der LoRa Technologie auseinander gesetzt und mit den Modulen „TRX433-70“ und „TRX868-70“ eigene LoRa Transceiver Module entwickelt. Wir sind somit bestens gerüstet für spannende und innovative Projekte mit LoRa Funkanbindungen.

Im nächsten Blog werde ich euch gerne einen spannenden Einblick in die Details der LoRa Technologie geben. Soviel vorab: die LoRa-Technologie bietet erstaunliche Fähigkeiten beim Empfang von sehr schwachen Signalen.

 


Ihr Autor

F. Kugler
Sales & Engineering
Elektroingenieur FH (BSc in Elektrotechnik)

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F. Kugler