Konnektivität heute und in Zukunft: Erkundung von Cat-M1-, NB-IoTund LPWAN-Verbindungen

María Hernández –

gateway verbinden , entwickeln Sie eine IoT-Lösung (Internet der Dinge). Obwohl dieses Konzept nicht neu ist, IoT Lösungen – auch bekannt als IoT Anwendungen – dank des zunehmenden Internetzugangs, insbesondere über die Cloud, und sinkender Hardware- und Verbindungskosten heute so verfügbar wie nie zuvor. Der Mehrwert dieser Lösungen für den Alltag beginnt mit der Art und Weise, wie ein Sensor oder gateway mit dem Internet verbunden wird. Die Wahl der optimalen Verbindung für eine IoT Lösung ist entscheidend für den Erfolg einer Anwendung. In diesem Artikel beleuchten wir Technologien zur Datenübertragung ins Internet.

Geräte verbinden sich auf zwei Arten mit dem Internet: kabelgebunden oder drahtlos Ethernet , vor allem in industriellen Umgebungen, war jahrzehntelang die bevorzugte kabelgebundene Lösung zur Datenerfassung in Überwachungsanwendungen aller Art. In den 1990er-Jahren erfolgte dann ein großer Fortschritt mit der Einführung von WLAN und Funktechnologien wie ZigBee und Bluetooth . Diese Technologien machten die Kabel überflüssig und eröffneten der Industrie neue Möglichkeiten der Datenerfassung. Parallel zu den Fortschritten bei WLAN entwickelten sich auch die Mobilfunkinfrastrukturen wie 2G , 3G und später 4G (in Kürze: 5G), die höhere Geschwindigkeiten und eine größere Reichweite bieten. So gut und zuverlässig diese Verbindungsarten auch sind, haben sie alle den großen Nachteil eines hohen Energiebedarfs für die Datenübertragung ins Internet.

Auf der Suche nach einer besseren Lösung wetteiferten Unternehmer und Branchenführer um die Entwicklung einer Technologie, die ihrer Ansicht nach die perfekte Lösung für IoT Anwendungen darstellen würde. Das Ergebnis dieses Wettlaufs um Datenübertragung ist heute als LPWAN ( Low Power Wide Area Network Sleep Mode ) typischerweise eine Akkulaufzeit von über vier Jahren . Zu den unmittelbaren Vorteilen von LPWAN zählen immense Kosteneinsparungen (dank des Wegfalls von Kabeln), einfachere Anwendungsentwicklung und niedrigere Betriebskosten (teilweise dank der Entwicklung dezentraler Netzwerke, die parallel zu den Fortschritten in der Konnektivität entstanden ist) sowie eine größere Reichweite für Anwendungen in ländlichen Gebieten, beispielsweise für Unternehmen, Sicherheitsorganisationen und Forschungseinrichtungen. Mit LPWAN kann Hardware dort eingesetzt werden, wo Menschen nicht erreichbar sind.

2009 Sigfox als privates Unternehmen auf den Markt, um LPWAN-Verbindungen anzubieten, und konnte von der Konkurrenz im Mobilfunkbereich nicht ignoriert werden. Nach einigen Jahren privater Entwicklung begannen Mobilfunkanbieter wie Verizon und T-Mobile, ihre eigenen Lösungen – LTE Cat-M bzw. NB- IoT – für die Konnektivität von IoT

Sigfox ist ein LPWAN-Netzwerkbetreiber, der IoT Konnektivität zwischen Geräten und der Cloud in 45 Ländern und Regionen anbietet. Das Sigfox-Netzwerk besteht aus firmeneigenen Basisstationen, die weltweit verteilt sind und Nachrichten (Rohdaten) von Geräten per Funk empfangen. Die Geräte werden über ein IP-basiertes Netzwerk mit Cloud-Serverclustern im Backend verbunden. Sobald eine Nachricht vom Gerät an die Basisstation gesendet und im Sigfox-Backend empfangen wurde, können Nutzer die empfangenen Daten mit verschiedenen IoT Plattformen über HTTP-Callbacks oder die Sigfox-API verwalten. Sigfox unterstützt bidirektionale Kommunikation, ist jedoch in seinen täglichen Kommunikationskapazitäten stark eingeschränkt: Die Anzahl der Uplink-Nachrichten ist auf 140 und die der Downlink-Nachrichten auf 4 begrenzt (bei maximaler Abonnementgröße). Die maximale Größe einer Uplink-Nachricht beträgt 12 Byte (nicht sehr groß).

Sigfox-Abonnementtypen (Uplink/Downlink-Nachrichten)


Unter diesen Bedingungen ist Sigfox zweifellos eine energiesparende Lösung für IoT Feldanwendungen und ideal für Agrartechnik und Fernüberwachung. Sigfox ist eine gute Option für kostengünstige IoT Hardware und geringen Energieverbrauch zur Datenübertragung über große Entfernungen (sofern Netzabdeckung vorhanden ist).

Zu den wichtigsten Funktionen von Sigfox gehören:

  • Hohe Dienstgüte (QoS): Ein Gerät ist nicht an eine bestimmte Basisstation gebunden. Seine gesendeten Nachrichten werden von jeder Basisstation in Reichweite empfangen (durchschnittlich drei), eine Empfangsbestätigung ist nicht erforderlich. Räumliche Diversität in Verbindung mit zeitlicher und frequenzmäßiger Diversität der Funkrahmenwiederholungen führt zu einer hohen Dienstgüte des Sigfox-Netzwerks.
  • Hohe Störfestigkeit: von UNB in ​​Verbindung mit der räumlichen Verteilung der Basisstationen bietet hervorragende Anti-Jamming-Eigenschaften. UNB ist in Umgebungen 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 163,3 dB Budgetverbindung für die Kommunikation über große Entfernungen.
  • Hohe Energieeffizienz: Das Sigfox-Funkprotokoll reduziert die Größe der Funkdatenpakete und erfordert keine Synchronisierung mit dem Netzwerk. Die Kombination aus geringer Sendeleistung und kurzer Sendedauer (weniger als eine Minute pro Tag) ermöglicht maximale Autonomie der Geräte.
  • Hohe Netzwerkkapazität: Dank des geringen Platzbedarfs des UNB können mehr Signale gleichzeitig im Betriebsfrequenzband übertragen werden. Zusätzlich reduziert das Sigfox-Protokoll die Größe der Funkrahmen. Diese beiden Merkmale ermöglichen in Kombination mit der Nutzung kognitiver Funktechnologie dem Sigfox-Netzwerk eine hohe Kapazität. (Quelle: sigfox.com )

Parallel zu den Fortschritten von Sigfox wurde auch das LoRa-Protokoll ( Long Range ) entwickelt. LoRa, ebenfalls eine LPWAN-Technologie, spezifiziert eine physikalische Schicht, die das Signal mithilfe eines proprietären Spreizspektrumverfahrens moduliert. LoRa nutzt lizenzfreie ISM-Bänder , wodurch Kunden ein offenes Netzwerk ohne Genehmigung von Funkfrequenzbehörden aufbauen können. Die Chirp-Spreizspektrum -Modulation (CSS) spreizt ein schmalbandiges Signal über eine größere Kanalbandbreite und ermöglicht so bidirektionale Kommunikation. LoRa verwendet sechs Spreizfaktoren, wobei die Nachrichten gleichzeitig von LoRa-Basisstationen gesendet und empfangen werden. Die maximale Größe einer Nachricht beträgt 246 Byte.

Mit dem Wachstum von Sigfox und LoRa wurde eine Eindämmung notwendig, um Privatpersonen, Unternehmen und Regierungen eine standardisierte und kontrollierte Verbindungsart zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wurde 2015 von der neu gegründeten LoRa-Alliance ein LoRa-basiertes Kommunikationsprotokoll standardisiert. Dieses standardisierte LoRa-Protokoll ist als LoRaWAN bekannt und nutzt die LoRa-Technologie zur Kommunikation und Verwaltung von Hardware (Knoten und gateway ) an entfernten Standorten. Die Knoten sind Endgeräte, die Daten an das gateway gateway verwaltet die Daten und leitet Nachrichten an einen vorkonfigurierten LoRaWAN-Netzwerkserver weiter .

Zu den wichtigsten Merkmalen der LoRa- und LoRaWAN-Protokolle gehören

  • Niedrige Kosten: Reduziert die Kosten auf dreierlei Weise: Infrastrukturinvestitionen, Betriebskosten und Endknotensensoren
  • Standardisiert: Verbesserte globale Interoperabilität beschleunigt die Einführung und den Rollout von LoRaWAN-basierten Netzwerken und IoT Anwendungen.
  • Geringer Stromverbrauch: Protokoll speziell für niedrigen Stromverbrauch entwickelt, wodurch die Batterielebensdauer auf bis zu 20 Jahre verlängert wird.
  • Große Reichweite: Eine einzelne Basisstation ermöglicht eine hohe Signalabdeckung in dicht besiedelten städtischen Gebieten und Innenräumen. Theoretisch beträgt die Reichweite in ländlichen Gebieten bis zu 48 Kilometer. Wir bei Ubidots 900-MHz-Antennen Entfernungen von bis zu 1,6 Kilometern erreicht .
  • Sicher: Integrierte Ende-zu-Ende- AES128-Verschlüsselung
  • Hohe Kapazität: Unterstützt Millionen von Nachrichten pro Basisstation, ideal für öffentliche Netzbetreiber, die viele Kunden bedienen

In jüngster Zeit spitzte sich der Wettbewerb zwischen Mobilfunkanbietern und LoRa-Lösungen mit der Einführung von Verizons Cat-M1-Dienst und T-Mobiles Narrowband IoT (NB-IoT)-Netzwerk zu. Verizons Cat-M bzw. LTE Cat-M1 ist eine energiesparende Weitverkehrsverbindung (LPWA), die für IoT und M2M-Geräte optimiert ist. Cat-M eignet sich ideal für Lösungen mit mittleren Datenratenanforderungen – 375 kbit/s Upload- und Downloadgeschwindigkeit im Halbduplex-Modus mit einer maximalen Nachrichtengröße von 1500 Byte in bidirektionaler Datenkommunikation. Bei diesen Geschwindigkeiten ermöglicht LTE Cat-M1 Firmware-Updates drahtlos (FOTA) innerhalb angemessener Zeiträume und verbessert so Wartung und Hardware-Support für in ländlichen Gebieten eingesetzte Geräte. Da Cat-M1 auf IoT Effizienz ausgelegt ist, rücken die Hardwareanforderungen hinsichtlich Datenrate, Reichweite, Latenz sowie Upload- und Downloadgeschwindigkeit in den Fokus, um im Wettbewerb mit der LoRa-Technologie die Vorteile der Mobilfunkanbieter zu nutzen.

Wie viele konkurrierende Mobilfunkanbieter zog T-Mobile kurz nach Verizon mit seinem eigenen NB- IoT . Dieser ermöglicht eine Vielzahl von IoT Geräten und -Diensten über Mobilfunkmasten und koexistiert dabei mit GSM und LTE in den lizenzierten Frequenzbändern. NB- IoT bietet eine Datenrate von ca. 50 kbit/s im Upload und Download im Halbduplex-Modus. Zudem verbindet es Geräte effizient in bestehenden Mobilfunknetzen, kann Nachrichten mit einer maximalen Größe von 1600 Byte in bidirektionaler Datenkommunikation verarbeiten, verbessert den Stromverbrauch der Endgeräte und bietet eine hervorragende Reichweite in Gebäuden oder unterirdisch – Bereiche, in denen LoRa und herkömmliche Mobilfunkstandards Schwierigkeiten haben.

Vergleicht man NB-IoT mit LTE Cat M1, so übertragen und verarbeiten beide Daten zwischen Mobilfunkmasten, ähnlich wie das Hochgeschwindigkeits-LTE. Der Hauptunterschied zwischen diesen Verbindungsarten liegt in der Art und Weise, wie sich bewegende Gerätedaten während der Bewegung an das Internet übermitteln. Bewegt sich ein Gerät von Punkt A zu einem weit entfernten Punkt B und durchquert dabei mehrere verschiedene Mobilfunkzellen, bricht die Verbindung bei einem Cat-M1-Gerät nicht ab, da es sich wie ein Mobiltelefon verhält und sich während der Bewegung von Mobilfunkmast zu Mobilfunkmast verbindet. NB-IoT -Geräte hingegen übertragen die Verbindung nicht, sondern müssen jedes Mal eine neue Verbindung zu einem neuen Mobilfunkmast aufbauen, wenn ein Mast ausfällt und ein neuer erkannt wird.

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

Anhand dieses Diagramms lassen sich technische Unterschiede und die Eignung für verschiedene Anwendungsbereiche durch die richtige Konnektivität optimieren. Zum Beispiel:

  • Im Smart Farming zeichnen sich LPWAN-Technologien durch ihre große Reichweite und lange Akkulaufzeit aus. LoRa kann jedoch die bessere Wahl sein, wenn keine Sigfox-Abdeckung vorhanden ist.
  • In der Fertigungs- und Automatisierungswelt :
  • Für die Echtzeitüberwachung von Maschinen sind bewährte Verbindungen wie Ethernet oder WLAN nach wie vor ideal – zumindest für Fabriken mit Internetzugang. In abgelegenen Industrieumgebungen, beispielsweise bei Tanks, Rohrleitungen oder Turbinen, bietet sich NB- IoT an, da es im Vergleich zu Sigfox eine höhere Zuverlässigkeit und Regelmäßigkeit der Datenübertragung verspricht.
  • Anwendungen wie die Verfolgung von Anlagen oder die Statusüberwachung eignen sich ideal für Sigfox, wo eine Netzabdeckung verfügbar ist, oder für LTE Cat-M, wenn sich der Standort der Anlage ändert (z. B. bei der Verfolgung von Sattelzügen oder Tankwagen).
  • In Smart-Building- Anwendungen, wo verschiedene Variablen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wasserdurchfluss, Stromverbrauch usw. genutzt werden können, um die Gebäudeverwaltung über präventive Maßnahmen für kritische Maschinen oder Systeme zu informieren, ist Sigfox eine hervorragende Option. Es spart die Kosten und den Aufwand für die Installation und Wartung eines gateway pro Gebäude. Allerdings ist die Signalreichweite zu beachten, da sie in Kellern oder im Gebäudeinneren gering sein kann. Sollte nach einem Sigfox-Signaltest keine Abdeckung erreicht werden, bietet LoRa die optimale Lösung für dieses Problem.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die optimale Verbindungsart für Ihre internetfähige Lösung/Anwendung am besten von der Umgebung Ihres Geräts und der Größe Ihrer Datenmenge abhängt. Für kostengünstige Geräte mit großer Reichweite und geringerer Datenmenge empfehlen wir LoRa oder Sigfox (sofern Sigfox in Ihrer Region verfügbar ist). Da NB-IoT und Cat-M1-Netze zunehmend in Versorgungsgebieten ausgebaut werden, verbessern sich ihre Attraktivität und ihre Dienste stetig. Dadurch werden diese Optionen genauso wertvoll wie ihre Vorgänger 2G und 3G, jedoch kostengünstiger und energieeffizienter. Für Anwendungen mit hohem Datenbedarf oder energieintensiver Hardware sind die bewährten Lösungen WLAN oder Ethernet weiterhin am besten geeignet.

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