Konnektivität jetzt und darüber hinaus; Erkundung von Cat-M1-, NB IoT und LPWAN-Verbindungen

gateway verbinden , bauen Sie eine Lösung für das Internet der Dinge auf. IoT Lösungen – auch bekannt als IoT aufgrund des zunehmenden Zugangs zum Internet, hauptsächlich zur Cloud, sowie geringeren Hardware- und Konnektivitätskosten verfügbarer denn je. Der Mehrwert, den diese Lösungen für die tägliche Arbeit und das Leben bringen, beginnt damit, wie ein Sensor oder gateway eine Verbindung zum Internet herstellt. Die Auswahl der besten Konnektivität für eine IoT Lösung ist für den Erfolg von Apps von größter Bedeutung. In diesem Artikel werden wir Technologien untersuchen, die Daten ins Internet übertragen.

Geräte stellen auf zwei Arten eine Verbindung zum Internet her: kabelgebunden oder drahtlos . Ethernet wird häufig in industriellen Umgebungen eingesetzt und war jahrzehntelang die kabelgebundene Lösung der Wahl für die Datenerfassung in allen Arten von Überwachungsanwendungen. WLAN- und Funktechnologien wie ZigBee und Bluetooth zu einem enormen Fortschritt , der die Verkabelung hinter sich ließ und der Industrie neue Formen der Datenerfassung eröffnete. Im Einklang mit den Fortschritten bei WLAN gab es auch Fortschritte bei Mobilfunkinfrastrukturen wie 2G , 3G und dann 4G (bald verfügbar – 5G), die eine Kombination aus höherer Geschwindigkeit und Abdeckung bieten. So gut und zuverlässig diese Konnektivitätsarten auch sind, sie alle haben den größten Nachteil, dass sie für die Datenübertragung ins Internet einen übermäßigen Energiebedarf erfordern.

Auf der Suche nach einer besseren Lösung suchten Unternehmer und Branchenführer nach der ihrer Meinung nach perfekten Lösung für IoT Anwendungen. Das Ergebnis dieses Datenübertragungswettlaufs ist heute als LPWAN ( Low Power Wide Area Network ) bekannt. Schlafmodus bezeichnet wird, in der Regel über eine Batterielebensdauer von mehr als 4 Jahren . Zu den unmittelbaren externen Effekten von LPWAN gehören immense Kosteneinsparungen (dank fehlender Kabel), einfachere Anwendungsentwicklung und Betriebskosten (teilweise dank der Weiterentwicklung dezentraler Netzwerke, die parallel zu Konnektivitätsfortschritten entwickelt wurden) und eine größere Reichweite ländliche Anwendungen für Unternehmen, Sicherheitsorganisationen und Forscher. Mit LPWAN kann Hardware dort sein, wo Menschen nicht hinkommen.

Im Jahr 2009 Sigfox als private Organisation auf die Bühne, um eine LPWAN-Verbindung bereitzustellen, und konnte von der Mobilfunkkonkurrenz nicht ignoriert werden. Nach einigen Jahren privater Entwicklung begannen Mobilfunkanbieter wie Verizon und T-Mobile mit der Bereitstellung ihrer eigenen Lösungen, LTE Cat-M bzw. NB IoT , für Konnektivitätsoptionen für IoT

Sigfox ist ein LPWAN-Netzwerkbetreiber, der Device-to-Cloud IoT Konnektivitätsabdeckung in 45 Ländern und Regionen bietet. Das Sigfox-Netzwerk besteht aus privat betriebenen proprietären Basisstationen in verschiedenen Regionen der Welt, die Nachrichten (Rohdaten) von Geräten über eine Funkfrequenz empfangen können. Das Sigfox-Netzwerk verbindet Feldgeräte über ein IP-basiertes Netzwerk mit Back-End-Cloud-Server-Clustern. Sobald die Nachricht vom Gerät an die Basisstation gesendet und im Sigfox-Backend empfangen wurde, können Benutzer die empfangenen Daten mit verschiedenen IoT Aktivierungsplattformen mithilfe von HTTP-Rückrufen oder der Sigfox-API verwalten. Sigfox unterstützt bidirektionale Kommunikation, ist jedoch bei den täglichen Kommunikationsmöglichkeiten stark eingeschränkt: Uplink-Nachrichten sind auf 140 Nachrichten und Downlink-Nachrichten auf 4 Nachrichten für die größte Abonnementgröße begrenzt. Außerdem beträgt die maximale Größe pro Uplink-Nachricht 12 Byte (nicht zu groß).

Angesichts dieser Einschränkungen ist Sigfox zweifellos eine Lösung mit geringem Stromverbrauch für IoT Feldanwendungen und perfekt für AgTech und Remote Condition Monitoring. Sigfox ist eine gute Option für kostengünstige IoT Hardware und geringen Energieverbrauch, um Daten über große Entfernungen zu senden (sofern in der Region Abdeckung vorhanden ist).

Zu den Hauptfunktionen von Sigfox gehören:

• Hohe QoS: Ein Gerät ist nicht an eine bestimmte Basisstation angeschlossen. Die gesendeten Nachrichten werden von jeder Basisstation in der Reichweite (durchschnittlich 3) empfangen und es ist keine Nachrichtenbestätigung erforderlich. Räumliche Diversität gepaart mit Zeit- und Frequenzdiversität der Funkrahmenwiederholungen führen zu einer hohen Dienstqualität des Sigfox-Netzwerks.
• Hohe Störfestigkeit: Die UNB- eigene Robustheit gepaart mit der räumlichen Vielfalt der Basisstationen bietet hervorragende Anti-Jamming-Fähigkeiten. UNB ist in einer Umgebung mit Spread-Spectrum-Signalen äußerst robust. UNB ist die beste Wahl für den Betrieb im öffentlichen ISM-Band.
• Sehr große Reichweite: Niedrige Bitrate und einfache Funkmodulation ermöglichen eine preisgünstige Verbindung mit 163,3 dB für die Kommunikation über große Entfernungen.
• Hohe Energieeffizienz: Das Sigfox-Funkprotokoll reduziert die Funkrahmengröße und es ist keine Synchronisierung mit dem Netzwerk erforderlich. Die Kombination aus niedrigem Emissionsniveau und kurzer Emissionsdauer (weniger als eine Minute pro Tag) ermöglicht eine maximale Autonomie der Geräte.
• Hohe Netzwerkkapazität: Der geringe Platzbedarf von UNB ermöglicht mehr gleichzeitige Signale innerhalb des Betriebsbands, außerdem reduziert das Sigfox-Protokoll die Größe der Funkrahmen. Durch diese beiden Funktionen in Kombination mit der Verwendung kognitiver Funktechnologie erreicht das Sigfox-Netzwerk eine hohe Kapazität. (Quelle: sigfox.com )

Parallel zu den Weiterentwicklungen von Sigfox wurde auch das LoRa-Protokoll ( Long Range ) entwickelt. LoRa, ebenfalls eine LPWAN-Technologie, spezifiziert eine physikalische Schicht, die das Signal mithilfe einer proprietären Spread-Spectrum-Technik moduliert. LoRa nutzt nicht lizenzierte ISM-Bänder und ermöglicht es Kunden, ein offenes Netzwerk aufzubauen, ohne dass eine Genehmigung durch Hochfrequenzregulierungsbehörden erforderlich ist. Die Chirp-Spread-Spectrum-Modulation (CSS) verteilt ein schmalbandiges Signal über eine größere Kanalbandbreite und ermöglicht so eine bidirektionale Kommunikation. LoRa verwendet sechs Spreizfaktoren, wobei die Nachrichten gleichzeitig von LoRa-Basisstationen mit einer maximalen Größe von 246 Byte pro Nachricht gesendet und empfangen werden.

Als Sigfox und LoRA wuchsen, mussten sie eingegrenzt werden, damit Einzelpersonen, Unternehmen und Regierungen sich auf einen Verbindungstyp verlassen konnten, der standardisiert und kontrolliert war. Um dies zu erreichen, wurde 2015 von der damals gegründeten LoRa-Alliance ein LoRa-basiertes Kommunikationsprotokoll standardisiert . Dieses standardisierte LoRa-Protokoll wurde als LoRaWAN bekannt und ist ein Netzwerkprotokoll, das die LoRa-Technologie nutzt, um Hardware (Knoten und gateway ) an entfernten Standorten zu kommunizieren und zu verwalten. Die Knoten sind Endgeräte, die Daten an das/vom gateway gateway vorkonfigurierten LoRaWAN-Netzwerkserver weiterleitet .

Zu den Hauptmerkmalen der Protokolle LoRa und LoRaWAN gehören:

• Niedrige Kosten: Reduziert die Kosten auf drei Arten: Infrastrukturinvestitionen, Betriebskosten und Endknotensensoren
• Standardisiert: Verbesserte globale Interoperabilität beschleunigt die Einführung und Einführung von LoRaWAN-basierten Netzwerken und IoT Anwendungen
• Geringer Stromverbrauch: Protokoll, das speziell für geringen Stromverbrauch entwickelt wurde und die Batterielebensdauer auf bis zu 20 Jahre verlängert
• Große Reichweite: Eine einzige Basisstation ermöglicht eine tiefe Durchdringung in dicht besiedelten Stadt-/Innenräumen. Theoretisch beträgt die Reichweite in ländlichen Gebieten bis zu 30 Meilen. Wir bei Ubidots 900-MHz-Antennen Entfernungen von bis zu 1 Meile erreicht .
• Sicher: Integrierte End-to-End- AES128-Verschlüsselung
• Hohe Kapazität: Unterstützt Millionen von Nachrichten pro Basisstation, ideal für öffentliche Netzbetreiber, die viele Kunden bedienen

In jüngerer Zeit verschärfte sich der Wettbewerb zwischen Mobilfunkanbietern und LoRa-Lösungen mit der Einführung des Cat-M1-Dienstes von Verizon und des Narrowband IoT (NB- IoT )-Netzwerks von T-Mobile. Beginnend mit Cat-M oder LTE Cat-M1 von Verizon, einer Low-Power-Wide-Area-Konnektivität (LPWA), die für IoT und M2M-Geräte optimiert ist. Cat-M ist ideal für Lösungen mit mittleren Datenratenanforderungen – 375 kb/s Upload- und Download-Geschwindigkeit im Halbduplex-Modus mit einer maximalen Nachrichtengröße von 1500 Bytes in einer bidirektionalen Datenkommunikation. Bei diesen Geschwindigkeiten liefert LTE Cat-M1 innerhalb angemessener Zeitrahmen Remote-Firmware-Updates über Funk (FOTA) und verbessert so die Wartung und den Hardware-Support für in ländlichen Gebieten eingesetzte Hardware. Da Cat-M1 im Hinblick auf IoT Effizienz entwickelt wurde, sind die Hardwareanforderungen für Datenrate, Reichweite, Latenz sowie Upload- und Download-Geschwindigkeit zu den Schwerpunkten geworden, um den Kampf des Mobilfunks mit der LoRa-Technologie zu stärken.

Wie viele Veröffentlichungen konkurrierender Mobilfunkanbieter folgte T-Mobile bald der Veröffentlichung von Verizon mit seinem eigenen NB IoT , das eine breite Palette von IoT Geräten und -Diensten über Mobilfunkmasten ermöglicht und gleichzeitig mit GSM und LTE in den lizenzierten Frequenzbändern existiert. NB: IoT bietet eine Datenratenanforderung von ~50 kb/s Upload- und Download-Geschwindigkeit im Halbduplex-Modus. Außerdem verbindet es Geräte effizient mit bereits etablierten Mobilfunknetzen, kann eine maximale Nachrichtengröße von 1600 Bytes in der bidirektionalen Datenkommunikation verarbeiten, verbessert die Stromverbrauchsanforderungen der Endgeräte und bietet eine hervorragende erweiterte Reichweite in Gebäuden oder unter der Erde – Dinge, die LoRa und Standard-Mobilfunk werden Probleme haben.

Beim Vergleich von NB- IoT mit LTE Cat M1 erfassen und verarbeiten beide Daten zwischen Mobilfunkmasten, ähnlich wie Hochgeschwindigkeits-LTE. Der Hauptunterschied zwischen diesen Verbindungstypen besteht darin, wie die Daten bewegter Geräte während der Bewegung an das Internet übermittelt werden. Wenn sich ein Gerät von Punkt A zu einem weit entfernten Punkt B bewegt und dabei mehrere verschiedene Netzwerkzellen durchquert, bricht das Cat M1-Gerät die Verbindung niemals ab, da es sich wie ein Mobiltelefon verhält und während der Bewegung eine Verbindung von Turm zu Turm herstellt. Hinweis: IoT Geräte hingegen übertragen die Verbindung nicht und müssen stattdessen jedes Mal, wenn ein Turm verloren geht und ein neuer Turm erkannt wird, eine neue Verbindung zu einem neuen Mobilfunkmast neu aufbauen.

Das folgende Diagramm vergleicht LPWAN-Technologien, die für IoT Lösungen entwickelt wurden.

Basierend auf diesem Diagramm können technische Unterschiede und die Eignung für verschiedene Arten von Anwendungen mit der richtigen Konnektivität optimiert werden. Zum Beispiel:

• Bei Smart-Farming- Anwendungen zeichnen sich LPWAN-Technologien durch große Reichweite und Batterielebensdauer aus. Allerdings kann LoRa die bessere Lösung sein, wenn keine Sigfox-Abdeckung vorhanden ist.
• In der der Fertigung und Automatisierung :
• Für die Maschinenüberwachung in Echtzeit sind die guten alten Verbindungen wie Ethernet oder WLAN immer noch ideale Optionen – zumindest für Fabriken, die bereits über einen Internetzugang verfügen. Für abgelegene Industrieumgebungen wie entfernte Tanks, Rohre und/oder Turbinen ist NB- IoT eine passende Wahl, da es im Vergleich zu Sigfox eine höhere Zuverlässigkeit und Regelmäßigkeit bei der Datenübertragung verspricht.
• Anwendungen wie Anlagenverfolgung oder Statusüberwachung sind ideal für Sigfox, wenn Abdeckung verfügbar ist, oder LTE Cat-M in Fällen, in denen die Anlage ihren Standort ändert (z. B. Sattelschlepper- oder Tankwagenverfolgung).
• In Smart-Building- Anwendungen, bei denen verschiedene Variablen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wasserdurchfluss, Stromverbrauch usw. verwendet werden können, um die Hausverwaltung auf vorbeugende Maßnahmen für kritische Maschinen oder Systeme aufmerksam zu machen. Sigfox ist eine großartige Option, da es Ihnen die Kosten und den Aufwand für die Installation und Wartung eines gateway pro Gebäude erspart. Achten Sie jedoch auf die Signaldurchdringung, da diese in Kellergeschossen oder in der Mitte von Gebäuden schlecht sein kann. Wenn Sie nach Durchführung eines Sigfox-Signaltests keine Abdeckung erhalten, ist LoRa der Ritter in glänzender Rüstung, der die Durchdringungsprobleme löst.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der ideale Konnektivitätstyp für Ihre mit dem Internet verbundene Lösung/Anwendung am besten auf der Umgebung basiert, in der sich Ihr Gerät befindet, und wie groß Ihre Datennutzlast sein wird. Für ein kostengünstiges Gerät mit großer Reichweite und geringerer Nutzlast empfehlen wir eine LoRa- oder Sigfox-Lösung (sofern Sigfox in Ihrer Region eingesetzt wird). Und da die NB- IoT und Cat-M1-Netzwerke weiterhin in allen Versorgungsgebieten eingesetzt werden, werden ihre Attraktivität und Dienste weiter zunehmen, sodass diese Optionen genauso wertvoll sind wie ihre Vorgänger wie 2G und 3G, jedoch mit geringeren Kosten und höherer Energieeffizienz . Schließlich sind für Anwendungen, die hohe Datenraten erfordern oder energieintensive Hardware verwenden, nach wie vor die bewährten WLAN- oder kabelgebundenen Ethernet-Lösungen am besten geeignet.

Um weiterhin zu lernen, wie Sie Ihre Daten mit dem Internet kommunizieren können, abonnieren Sie Ubidots Newsletter und schauen Sie sich Ubidots -Blog , der regelmäßig mit großartigen IoT Entwicklung und -Bereitstellung aktualisiert wird, die Ihnen dabei helfen, die Verbindung dots Internet der Dinge herzustellen.