IoT-Netze: Welche IoT-Netze auf ihren Einsatz hoffen

Wenig Energie für viel Reichweite

Von Roland Freist

Ein Netzwerk für alles – das wäre zwar wünschenswert, allerdings wird es das im Internet of Things (IoT) nicht geben. Denn so unterschiedlich wie die Anwendungen sind auch die Bedingungen, die dort herrschen. Geht es um die Vernetzung von autonomen Fahrzeugen, sind aus Gründen der Reaktionsgeschwindigkeit minimale Latenzzeiten bei gleichzeitig hoher Datenübertragungsrate gefragt. Die Stromversorgung ist über das Bordnetz gesichert. Auch bei der Vernetzung von Maschinen in Fabrikhallen ist die Stromversorgung kein Problem, die Latenzzeiten dürfen in den meisten Fällen sogar etwas langsamer ausfallen. Das Datenvolumen ist jedoch ebenfalls hoch.

Ganz anders sieht es hingegen bei der Vernetzung von Stromzählern (Smart Meter) oder Pumpen aus: Sie sind in Kellern oder an abgeschiedenen Orten installiert, wo häufig kein Stromanschluss zur Verfügung steht, benötigen also eine eigene Stromversorgung. Andererseits übertragen sie nur geringe Datenmengen, und das oft nur einmal am Tag. Latenzzeiten spielen also ebenso wenig eine Rolle wie Übertragungsraten, umso mehr geringer Stromverbrauch und hohe Reichweite.

Low Power Wide Area Network

Die Lösung liegt in diesem Fall in einem LPWAN (Low Power Wide Area Network). Es weist einen ähnlichen Aufbau wie ein WLAN auf und besteht aus Endgeräten (Nodes) und Gateways, die die Daten an die Server weiterleiten. Die Übertragung erfolgt normalerweise per Funk. Dabei gibt es mehrere konkurrierende Standards. Weit verbreitet ist das LoRaWAN (Long Range WAN) der LoRa Alliance. In Europa arbeitet es in den freien ISM-Bändern bei 433 und 868 MHz. Die Reichweite beträgt im Stadtgebiet etwa 2 km, im Umland werden 10 bis 15 km erreicht, auf dem Land bis zu 40 km. Die maximale Datenrate liegt zwischen 0,3 und 50 kBit/s. LoRaWAN kann Daten auch durch dicke Kellerwände hindurch übertragen. Hinzu kommt die geringe Energieaufnahme der Endgeräte im Ruhezustand, die eine Batterielebensdauer von etwa zehn Jahren erlaubt. Und: Die Kommunikation über LoRaWAN ist standardmäßig mit 128-Bit-AES verschlüsselt. Es gibt jedoch auch einen Haken: Zwar ist LoRaWAN im Prinzip ein offener Standard, die Chips stammen jedoch ausschließlich von der kalifornischen Firma Semtech. Das Netzwerk ist also komplett von einem einzigen Hersteller abhängig.

In der Schweiz hat das TK-Unternehmen Swisscom ein nahezu flächendeckendes LoRaWAN aufgebaut. Es wird beispielsweise von der Zürcher Stadtpolizei genutzt, die damit die jährliche Street Parade überwacht. Jeder Wagen ist mit einem Ortungsgerät ausgestattet, das im Minutentakt seine Position meldet. Damit weiß die Polizei jederzeit, wo sich die Parade aktuell befindet, und kann die Stadtreinigung losschicken, wenn der letzte Wagen eine Straße passiert hat.

Das Swisscom Low Power Network (LPN) bietet Stand Januar 2018 eine flächendeckende Versorgung von 95 % der Bevölkerung in der Schweiz. (Bild: Swisscom AG)

Auch die südkoreanische SK Telecom hat ein landesweit erreichbares LoRaWAN aufgebaut, genauso die niederländische KPN. International tätig ist hingegen die in den Niederlanden gegründete Community The Things Network. Sie ist in mehr als 90 Ländern aktiv, rund 500 lokale Communities betreiben über 3000 LoRaWAN-Knoten. Die führenden Standorte sind Amsterdam, Berlin, Bern und Zürich. In Amsterdam wird das Netz beispielsweise von Hausbootbesitzern genutzt, die damit ihre schwimmenden Domizile überwachen. Hinzu kommen zahlreiche Anbieter von lokalen Netzwerken. So nutzt etwa der britische Mobilfunkanbieter Inmarsat die Netze der australischen Firma Actility, um per LoRaWAN und einer Satellitenverbindung den Viehbestand auf abgelegenen Farmen zu erfassen und in Malaysia den Wasserstand im Reservoir einer Palmölplantage zu überwachen.

Alternativen: Sigfox & Co.

Stärkster Konkurrent von LoRaWAN ist das Netzwerk des erst 2009 gegründeten französischen Unternehmens Sigfox. Es verwendet eine Ultra-Narrow-Band-Technik mit einer Übertragungsfrequenz von 100 Hz und sendet ebenfalls im kostenfreien ISM-Band. Die Reichweite beträgt etwa 30 km, das übertragene Datenvolumen ist stark begrenzt: Die Nachrichten dürfen maximal 12 Bytes groß sein, aufgrund der niedrigen Übermittlungsfrequenz kann ein Sigfox-Gerät pro Tag maximal 140 Nachrichten übertragen. 12 Bytes genügen jedoch für die Übertragung einer Zahl zwischen 1 und 79 Quadrilliarden. Das reicht aus, um etwa Steuercodes oder Koordinaten zu senden.

In Deutschland, Frankreich, Spanien und den USA agiert Sigfox als eigenständiger Netzbetreiber, in anderen Ländern arbeitet die Firma mit Partnern zusammen. Ziel ist es, ein weltumspannendes Netz aufzubauen. Sigfox produziert die einzelnen Hardware-Module dabei nicht selbst, sondern kooperiert mit Unternehmen wie Texas Instruments, STMicroelectronics oder NXP. Der große Vorteil der Sigfox-Technik ist ihr geringer Preis – das Funkmodul kostet weniger als 5 Euro, bei einer Abnahme von mindestens 50.000 Stück fällt der Preis auf etwa 1 Euro. Der Netzzugang kostet pro Gerät 1 Euro pro Jahr. Nachteilig sind die schwache 16-Bit-Verschlüsselung der Daten sowie das proprietäre Protokoll.

Seit Frühjahr 2018 kooperiert Sigfox in Deutschland mit Telxius und konnte dadurch die Netzabdeckung auf über 80 % anheben. (Bild: Sigfox)

Die Anwendungsmöglichkeiten des IoT-Netzwerks von Sigfox sind vielfältig: Die Firma beschreibt auf ihrer Website beispielsweise Smart Cities, in denen vernetzte Sensoren den Füllstand von Müllcontainern überwachen, die Luftqualität messen, Lecks bei Hydranten melden, den Zustand von Straßenlaternen erfassen oder die Belegung von Parkplätzen beobachten. Weitere Einsatzmöglichkeiten ergeben sich etwa bei der Kontrolle von Defibrillatoren, beim Diebstahlschutz von Fahrzeugen, beim Check der einzelnen Glieder einer Kühlkette, bei der Bewässerungssteuerung oder der Überwachung von Brandmeldern.

Neben LoRaWAN und Sigfox existiert noch eine Reihe weniger weit verbreiteter Netzwerke. Dazu gehören etwa die Netze nach dem offenen Weightless-Standard. Man unterscheidet dabei die Ultra-Schmalbandtechnik Weightless-N, die eine Einwegkommunikation zwischen Basisstation und Funkmodul ermöglicht, Weightless-P für duale Verbindungen sowie Weightless-W, das die White Spaces in den Fernsehübertragungsbändern nutzt. Alle drei zeichnen sich durch eine sehr geringe Datenübertragungsrate von etwa 100 Bit/s aus, weshalb sie sich in erster Linie für die Kommunikation mit Sensoren eignen. Ein weiterer Wettbewerber ist die Firma Ingenu, die eine Übertragungstechnik namens Random Phase Multiple Access (RPMA) entwickelt hat. Sie nutzt das vom WLAN-Funk bekannte 2,4-GHz-Band. RPMA-Netze gelten als sehr robust und bieten eine hohe Reichweite, sind jedoch bei der Datenübermittlung etwa durch Mauerwerk anderen Technologien unterlegen.

Oder Mobilfunkverbindungen?

LoRaWAN, Sigfox, Weightless und RPMA arbeiten allesamt mit Nahverkehrsfunktechniken. Da der IoT-Markt stark wächst und wirtschaftlich eine immer größere Bedeutung gewinnt, interessieren sich auch die Mobilfunkanbieter dafür, die bei den zuvor genannten Technologien außen vor sind. Sie sind natürlich in erster Linie daran interessiert, ihre vorhandene Infrastruktur zu nutzen und stärker auszulasten und über die IoT-Vernetzung zusätzliche Einnahmen zu generieren.

Das Standardisierungsgremium 3GPP hat in den vergangenen Jahren mehrere Verfahren zur Vernetzung per Mobilfunk verabschiedet. Dazu gehören EC-GSM-IoT, LTE Cat M1 und LTE Cat MB1, das auch als Narrowband-IoT (NB-IoT) bezeichnet wird. EC-GSM hat kaum eine wirtschaftliche Bedeutung, da die alten 2G-Netze verwendet werden, die in absehbarer Zeit durch LTE- und 5G-Netze ersetzt werden. LTE Cat M1 hingegen setzt auf das aktuelle LTE-Band auf und erzielt im Uplink wie auch im Downlink Transferraten bis zu 1 MBit/s. Auch NB-IoT verwendet das LTE-Band, ist jedoch mit maximal 250 kBit/s deutlich langsamer. Für die Mobilfunkkonzerne sind beide LTE-Verfahren äußerst attraktiv, da sie mit dem gleichen Modulationsverfahren für die Signalübertragung arbeiten wie der LTE-Mobilfunk. Das heißt: Die Hardware der vorhandenen LTE-Basisstationen ist grundsätzlich auch für die Datenübertragung in IoT-Netzen geeignet, vielfach ist jedoch ein Software-Update erforderlich.

Dennoch sind die Unterschiede zwischen den beiden Standards beachtlich: NB-IoT ist zwar langsamer, dafür jedoch sind seine Funkmodule einfacher aufgebaut und benötigen weniger Energie. Die Technik ist daher etwas günstiger als bei LTE Cat M1. Dieses wiederum ist stärker auf den Mobilfunk ausgerichtet und ermöglicht im Unterschied zu NB-IoT auch Sprachübertragungen. In Deutschland setzen vor allem die Deutsche Telekom, Vodafone und Telefónica auf NB-IoT. Die Telekom hat im zweiten Quartal 2017 mit dem Upgrade ihrer Basisstationen begonnen und will bis Ende 2018 fertig sein. Vodafone hat Ende 2017 angefangen, zunächst 13 deutsche Großstädte mit der IoT-Technik auszustatten. Telefónica schließlich betreibt zusammen mit Huawei seit Frühjahr 2016 rund um die deutsche Konzernzentrale im Münchner Norden das Forschungsnetz TechCity und arbeitet an einer flächendeckenden Ausdehnung der Technik.

Smart Meter übertragen die Verbrauchsdaten per Funknetzwerk. (Bild: Fronius International)

NarrowBand IoT in der Praxis

LTE Cat M1 eignet sich aufgrund seines einfachen Aufbaus in erster Linie für Anwendungen wie das Tracking von Fahrzeugen, Containern und Geräten sowie für die Kontrolle von Systemen für die Strom- und Wasserversorgung. Was NB-IoT angeht, sind die Konzerne noch dabei, den Markt auszuloten. Die Telekom hat im Frühjahr 2017 ihre Initiative NarrowBand IoT Prototyping Hub gestartet, bei der sie Start-ups und Entwicklern die Möglichkeit gibt, die bereits mit NB-IoT ausgestatteten Basisstationen für ihre Anwendungen zu nutzen. Die ersten Ideen kamen aus den Bereichen Energie, intelligente Beleuchtung und Parkplätze, industrielle Lösungen, Tracking, intelligente Abfallwirtschaft und Gebäudeverwaltung.

Seit Sommer 2017 bietet der Konzern zudem zwei Servicepakete für NB-IoT an: NB-IoT Access beginnt zu Preisen ab 199 Euro und umfasst die sechsmonatige Nutzung von bis zu 25 SIM-Karten mit jeweils 500 KByte im deutschen NB-IoT-Netz. Das zweite Paket heißt NB-IoT Access & Cloud of Things und ermöglicht zusätzlich den Zugriff auf die Telekom Cloud. Parallel dazu sucht die Telekom Partner für die Umsetzung größerer Projekte. So gibt es in Hamburg den Smart-Parking-Service Park and Joy auf Basis von NB-IoT, über den Autofahrer freie, kostenpflichtige Parkplätze in ihrer Nähe abrufen können. Der Dienst soll bald auf weitere Städte ausgedehnt werden.

Die Deutsche Telekom hält sich mit Zahlen zur Narrowband-Abdeckung bedeckt. Anfang 2018 war das Maschinennetz laut Pressestelle „in über 600 Orten in Deutschland verfügbar, etwa in den Ballungsgebieten Berlin/Potsdam, Köln/Bonn, Düsseldorf und das Ruhrgebiet, Dresden, Leipzig, Mannheim/Heidelberg, Stuttgart und Hamburg“. Im Verlauf 2018 kamen weitere Metropolregionen hinzu, sodass die prognostizierte Versorgungsquote von ca. 60 % der Bevölkerung realistisch sein dürfte. (Bild: Deutsche Telekom)

Auch Vodafone eruiert aktuell den IoT-Markt. Der Mobilfunkanbieter ist nach eigenen Angaben in Gesprächen mit Großkunden, aber auch einigen Start-ups. So spreche man beispielsweise mit der Deutschen Bahn, DHL, Panasonic und den Energieabrechnungsdienstleistern Techem und Diehl Metering. Die beiden letztgenannten Unternehmen wollen NB-IoT nutzen, um Zählerstände automatisiert zu übertragen und so Aufwand und Kosten für die Ablesungen zu verringern. In Düsseldorf hat der Konzern im vergangenen Jahr das IoT Future Lab eröffnet, wo er gemeinsam mit Partnern an weiteren Anwendungen arbeitet. Dazu zählen z. B: eine Wand, deren Sensoren den Geruch der Farben von Graffiti-Sprayern erkennen, Gasflaschen, die selbsttätig auf Leerstände aufmerksam machen, und Umkleidespinde, die melden, wenn sie dauerhaft blockiert sind.

Bei Vodafone lässt sich die NB-IoT-Verfügbarkeit für eine bestimmte Adresse über die Kartenabfrage prüfen. (Bild: Vodafone)

Wettlauf um die Anwendungen

Während die LPWAN-Technik bereits seit mehreren Jahren eingeführt ist und weltweit bereits zahlreiche Anwendungen gefunden hat, steht die IoT-Vernetzung per Mobilfunk noch ganz am Anfang. Doch die Mobilfunkkonzerne wittern hier große Chancen und sind entsprechend intensiv auf der Suche nach Einsatzmöglichkeiten und erfindungsreichen Partnerfirmen. Der Markt entwickelt sich gerade, und es wird spannend sein zu beobachten, was sich hier im Lauf der nächsten Monate tun wird.

Nützliche Links

• IIoT-Netzwerke
• IoT Connectivity
• Infrastruktur im Internet der Dinge
• Internet of Everything
• Open Network