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Funktechnologien für IoT-Netzwerke im Vergleich: Ausgabe 15/2017, 20.09.2017

Low Power und geringe Kosten

Ob die Rasiererhalterung per Knopfdruck passende Klingen nachbestellt oder Kühlcontainer auf ihrem Weg zwischen den Kontinenten überwacht werden – das IoT (Internet der Dinge) verbindet bereits viele Dinge und täglich werden es mehr. Wichtig dabei sind die optimalen Funktechnologien. Ein Überblick über aktuelle Long-Range-IoT-Lösungen hilft bei der Auswahl.

Autor: Anja Schaal

Bilder: Shutterstock, Telit

Wie viele Dinge im Internet einmal sein werden, steht noch in den Sternen: Allein bis 2020 reichen die Prognosen von 200 Mio. bis 100 Mrd. Fest steht, dass IPv6 die möglichen IP-Adressen von knapp 4 Mrd. auf über 340 Sextillionen (eine Zahl mit unglaublichen 37 Nullen) gesteigert hat. Die Grundpfeiler stehen also. Wer darauf aufbauen möchte, muss sich für eine Funktechnologie entscheiden.

Endgeräte mit niedrigem Energieverbrauch

Long-Range-IoT-Funktechnologien bilden die Basis für ein LPWAN (Low Power Wide Area Network). In solchen Netzwerken sind Endgeräte mit niedrigem Energieverbrauch – typischerweise Sensoren – mit Gateways verbunden, welche die Daten an andere Geräte und Netzwerkserver senden. Die Netzwerkgeräte werten die empfangenen Daten aus und steuern die Endgeräte. Entsprechend sind die Protokolle speziell auf eine grosse Reichweite, Low-Power-Endgeräte und geringe Betriebskosten ausgelegt.

Mobilfunk – LTE, Long Term Evolution

Zellulare Funktechnologien hatten lange Zeit eine Monopolstellung für Applikationen mit hoher Reichweite, welche einen Endpunkt ohne Gateway direkt mit dem Internet verbinden können. Dank der weltweit gut ausgebauten Infrastruktur an Basisstationen, benötigen die Endprodukte nur eine SIM-Karte, um mit der Cloud zu kommunizieren. Nach erfolgreicher Installierung und Registrierung beim Netzprovider können sie Daten versenden und empfangen.

Die Weiterentwicklung der Mobilfunktechnologien hat sich in der Vergangenheit hauptsächlich darauf konzentriert, die Datenübertragungsraten zu erhöhen. So sind mit LTE Advanced heute bis zu 3,9 GBit/s im Downlink und 1,5 GBit/s im Uplink möglich. Die meisten Dinge im IoT übertragen jedoch gar keine derart grossen Datenmengen, der Grossteil kommt mit wenigen 100 Bit/min aus. Der Fokus für eine erfolgreiche Kommunikationstechnik liegt deshalb auf hohen Reichweiten, einer verlässlichen Kommunikation und einer niedrigen Leistungsaufnahme für eine lange Batterielebensdauer. Geringe Datenraten spielen der niedrigen Stromaufnahme dabei in die Tasche.

LTE-M / NB-IoT – lange Batterielebensdauer

Mit dieser Zielsetzung hat das 3GPP (Third Generation Partnership Project), das sich mit der Weiterentwicklung der Mobilfunkstandards (GSM, UMTS, LTE) befasst, den Standard LTE-M / Narrow Band-IoT (NB-IoT) entwickelt. Dieser ist auch als LTE-MTC (Machine Type Communications) bekannt. LTE-M sendet im lizenzierten SubGHz-Frequenzband zwischen 700 und 900 MHz. Die Downlink- und UplinkDatenraten liegen bei 1 MBit/s bei LTE-M und 20 kBit/s Uplink sowie bis zu 250 kBit/s Downlink bei NB-IoT. Dank des Niedrigstromansatzes soll eine Betriebsdauer batteriebetriebener Endgeräte von 10 bis 20 Jahren möglich sein.

Weiterer Pluspunkt von LTE-M ist die hervorragende Netzabdeckung, da LTE-M auf Basis der existierenden Mobilfunkinfrastruktur arbeitet. Für Provider bietet LTE-M zudem den Vorteil, dass es auf das bekannte lizenzierte Spektrum aufsetzt. Damit ist es sehr sicher und robust und eignet sich auch für Services mit hohen Qualitätsanforderungen.

eSIM-Karte für einfachen Betrieb

Nachteil von LTE-M sind die hohen Kosten für die Nutzung der lizenzierten Mobilfunknetze. Hierfür benötigt jedes Endgerät eine eigene SIM-Karte, für die Installations- und Wartungskosten anfallen. Hinzu kommen die laufenden Gebühren, die im Schnitt deutlich über denen vergleichbarer Technologien liegen.

Zudem ist der heutige SIM-Kartenservice bei LTE-M vergleichsweise umständlich. Abhilfe könnte künftig die eSIM-Karte (embedded SIM-Karte) schaffen. Wie der Name sagt, ist sie fest in das Endgerät verbaut, bei einem Providerwechsel lässt sie sich einfach von aussen umprogrammieren.

Einen Umstieg auf die aktuelleren Mobilfunkgenerationen erlauben beispielsweise die xE910- sowie die xE866-Familien von Telit. Sie umfassen derzeit Module für GSM, verschiedene UMTS-Varianten und LTE. Neu dazu gekommen sind seit Kurzem die LTE-M- (ME866 und ME910) sowie NB-IoT- (NE910 und NE866) Varianten. Da alle Familienmitglieder denselben Formfaktor haben, lassen sie sich problemlos austauschen.

Für industrielle Anwendungen bietet Telit interessante Mehrwertservices, wie spezifische Tarife und SIM-Karten. Diese unterscheiden sich von den allgemein gebräuchlichen SIM-Karten z. B. durch ein Webportal, über das sich alle eingesetzten SIM-Karten komfortabel managen lassen.

Die Telit-SIM-Karten vom Typ III und IV sind zudem bereits eUICC-fähig (embedded Universal Integrated Circuit Card). Dies bedeutet, dass sie ähnlich wie eine eSIM-Karte OTA (Over The Air) auf einen anderen Provider umgestellt und aktiviert werden können.

SigFox – ideal für Reichweiten

SigFox ist massgeschneidert für lange Reichweiten (im freien Gelände 30 bis 50 km, in Städten 3 bis 10 km), niedrige Datenraten (12 Byte pro Mitteilung, max. 140 Mitteilungen pro Tag und Endgerät) und einen möglichst geringen Stromverbrauch. SigFox arbeitet im Sub-GHz-Frequenzband (868 MHz für Europa) und bedient sich der Narrowband-Technik mit BPSK als Modulationsverfahren. Endgeräte, die mit der SigFox-Technologie ausgestattet sind, liefern ihre Daten an SigFox-Basisstationen, welche sie an die Server von SigFox weiterleiten. Dort werden die Daten verarbeitet, die Ergebnisse gehen zur Visualisierung zurück an die entsprechenden Endgeräte. Das heisst: SigFox managt die Daten in der eigenen Cloud.

Anders als bei LTE befindet sich die Infrastruktur von SigFox noch im Aufbau. Dabei arbeitet das Unternehmen einerseits mit grossen Netzwerkbetreibern weltweit zusammen, es installiert und betreibt in einigen Regionen die Netze aber auch selbst. Für landesweite oder gar internationale Projekte empfiehlt sich die Technologie derzeit jedoch noch nicht. Eine SIM-Karte ist bei SigFox nicht erforderlich. Die Nutzungsgebühr hängt davon ab, wie viele und wie umfangreiche Nachrichten pro Tag versendet werden. In der Regel bewegt sie sich pro Endgerät zwischen einem und zehn Euro im Jahr.

Hersteller bieten technische Lösungen

Die LE51-868S-Familie von Telit umfasst steckbare DIP- sowie lötbare SMD-Modullösungen. Mit einer Abdeckung der Frequenzbänder von 863 bis 870 MHz arbeiten sie sowohl mit dem Telit-proprietären Protokoll wie auch als SigFox Gateway.

LoRa bietet mehr Flexibilität

LoRa ist der Technologie SigFox sehr ähnlich: Auch LoRa läuft auf dem Sub-GHz-Frequenzband (868 MHz für Europa), erzielt ähnliche Reichweiten (bis zu ca. 15 km) und ist dank geringer Datenrate von 0,3 bis 22 kBit/s sehr sparsam im Verbrauch. Anders als SigFox arbeitet LoRa jedoch mit der Chip-Spread-Spektrumtechnik, mit der sich das Verhältnis zwischen Bandbreite und Bitrate flexibel einstellen lässt. Für die Standardisierung und Weiterentwicklung von LoRa wurde 2015 die «LoRa Alliance» ins Leben gerufen. Neben LoRa-Entwickler Semtech gehören mittlerweile zahlreiche Chip- und Modulhersteller, Softwarefirmen und Netzbetreiber der LoRa-Alliance an, darunter z. B. STMicroelectronics.

Wer seine Endprodukte mit LoRa ausstatten möchte, muss eine Lizenzgebühr in ähnlicher Höhe wie bei SigFox an die LoRa Alliance entrichten. Darüber hinaus fallen keine weiteren Nutzungs- oder Verbrauchsgebühren an, eine SIM-Karte braucht man nicht.

LoRa als auch SigFox punkten mit Kostenvorteilen

Im Vergleich zu LTE-M / NB-IoT können sowohl LoRa als auch SigFox mit Kostenvorteilen punkten: Die Hardwarekosten für ein Modul bewegen sich für LoRa und SigFox aktuell bei rund 10 Euro. Für LTE-M werden allein die Hardwarekosten über denen von SigFox und LoRa liegen, auch hier kommen dann noch laufende SIM-Kartengebühren hinzu sowie die Instandhaltungskosten für den Austausch.

Die LoRa- und SigFox-Funkmodule für die Endgeräte haben eine sehr niedrige Leistungsaufnahme, sie können weite Strecken überbrücken bei guter Durchdringung in Gebäuden. Grösster Hemmschuh beider Technologien ist die noch schwache Infrastruktur.

Kopf-an-Kopf-Rennen

So befinden sich LoRa und SigFox aktuell in einem Kopf-an-Kopf-Rennen und es steht noch nicht fest, wer als Sieger daraus hervorgehen wird – oder ob ein neuer Konkurrent das Feld noch aufmischen wird. LoRa erhält dabei zusätzlichen Schub durch den grossen Vorteil, dass es auch den Aufbau privater Netzwerke erlaubt. Dies ist nicht für jede Applikation sinnvoll, schafft LoRa jedoch eine gewisse Unabhängigkeit vom Ausgang im Rennen der Giganten. Doch auch die zellulare Funktechnologie mit LTE-M und NB-IoT ist mit von der Partie. Auch wenn die Kosten aktuell deutlich über denen von LoRa und SigFox liegen, punktet LTE-M und NB-IoT mit seinem sicheren und robusten lizenzierten Netz. Zudem hat Nordic Semiconductor als führender Hersteller von Ultra-Low-Power-Konnektivität die nRF91-Serie mit Low Power LTE angekündigt, die genau auf diese zwei Technologien abzielt. Damit sollen dann auch für die zellularen LPWAN-Technologien die Eintrittsbarrieren gesenkt werden. 

Infoservice

Rutronik Elektronische Bauelemente AG
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Long-Range-IoT-Funktechnologien bilden die Basis für ein LPWAN – Low Power Wide Area Network


Die LE51-868S Familie deckt die Frequenzbänder von 863 bis 870 MHz ab, damit arbeiten sie mit dem Telit-eigenen Protokoll und als SigFox Gateway


Mit der xE910-Familie von Telit ist ein Wechsel auf neuere Mobilfunkgenerationen ganz einfach dank identischem Formfaktor aller Mitglieder

Autorin


Anja Schaal
Product Sales Manager bei Rutronik