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Internet of Things: Long Range-Funk für das IoT

Konnektivität ist das Rückgrat aller vernetzen Systeme. Im Fall des Internet of Things, mit seinen unvorstellbar vielen Anwendungsmöglichkeiten, steht und fällt der Erfolg eines Geschäftsmodells auch mit der Wahl der richtigen Funktechnologie.

Long Range-Funk für das IoT Bildquelle: © Rutronik, shutterstock

Ob die Rasierer-Halterung per Knopfdruck passende Klingen nachbestellt oder Kühlcontainer auf ihrem Weg zwischen den Kontinenten überwacht werden – das Internet of Things (IoT) verbindet bereits viele Dinge und täglich werden es mehr. Wie viele es einmal sein werden, steht noch in den Sternen: Allein bis 2020 reichen die Prognosen von 200 Millionen bis 100 Milliarden. Fest steht, dass IPv6 die möglichen IP-Adressen von knapp vier Milliarden auf über 340 Sextillionen – eine Zahl mit 37 Nullen – gesteigert hat. Die Grundpfeiler stehen also. Wer darauf aufbauen möchte, muss sich für eine Funktechnologie entscheiden.

Long Range IoT-Funktechnologien bilden die Basis für ein Low Power Wide Area Network (LPWAN). 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
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 Netz-Provider 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 Bits pro Minute 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.

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 entwickelt. Dieser ist auch als LTE-MTC (Machine Type Communications) bekannt. LTE-M sendet im lizenzierten SubGHz-Frequenzband zwischen 700 MHz und 900 MHz. Die Downlink und Uplink Datenraten liegen bei einem MBit/s. Dank des Niedrigstromansatzes soll eine Betriebsdauer batteriebetriebener Endgeräte von zehn bis 20 Jahren möglich sein. Weiterer Pluspunkt von LTE-M ist die hervorragende Netzabdeckung, da LTE-M auf Basis der existierenden Mobilfunk-Infrastruktur arbeitet. Für Provider bietet LTE-M zudem den Vorteil, dass es auf das bekannte lizenzierte Spektrum aufsetzt. Damit ist es sehr sicher, robust und eignet sich auch für Services mit hohen Qualitätsanforderungen.

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 bisherige SIM-Karten-Service bei LTE-M vergleichsweise umständlich. Abhilfe könnte künftig die eSIM (Embedded SIM) schaffen. Wie der Name sagt, ist sie fest in das Endgerät verbaut, bei einem Provider-Wechsel lässt sie sich von außen umprogrammieren.

SigFox
SigFox ist maßgeschneidert für lange Reichweiten, bei niedrigen Datenraten und einem möglichst geringen Stromverbrauch. Im freien Gelände sind 30 bis 50 km, in Städten drei bis zehn km möglich, zulässig sind zwölf Byte pro Mitteilung sowie maximal 140 Mitteilungen pro Tag und Endgerät. SigFox arbeitet im SubGHz Frequenzband (868 MHz für Europa) und bedient sich der Narrowband-Technik mit BPSK (Binary Phase Shift Keyin) 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. Eine SIM-Karte ist bei SigFox nicht erforderlich. Die Nutzungsgebühr hängt davon ab, wie viele und wie umfangreich Nachrichten pro Tag versendet werden. In der Regel bewegt sie sich pro Endgerät zwischen einem und zehn Euro im Jahr.

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, zum Beispiel in Frankreich und den USA. Aktuell deckt SigFox Frankreich, Portugal, Spa-nien, die Niederlande und Großbritannien ab. In Belgien, Dänemark, Deutschland, Irland, Italien, Luxemburg und den USA treibt der Anbieter den Rollout mit Nachdruck voran: Allein in den USA möchte SigFox seine Präsenz innerhalb eines halben Jahres von zehn auf 50 Städte ausweiten. Für landesweite oder gar internationale Projekte empfiehlt sich die Technologie derzeit jedoch noch nicht.