IoT-Verantwortliche haben derzeit einen der spannendsten Jobs, den man sich vorstellen kann. Die Transformation zu digitalen Geschäftsmodellen in Unternehmen technologisch zu begleiten, ist aber auch eine echte Herausforderung bei der Fülle an verfügbaren Plattformen, Gateways, Modulen Devices und Übertragungsprotokollen.
Wie die drahtlose Konnektivität zwischen den Edge-Geräten und der Cloud zuverlässig und sicher aufrechterhalten werden kann, ist neben der Auswahl der Hardware eine der zentralen Fragen bei M2M- und IoT-Projekten. Wir haben unsere Erfahrungen aus eigenen Projekten in 5 Tipps zusammengefasst.
Vorneweg: Welche Funkstandards gibt es jenseits des Nahbereichs?
Die Idee, Geräte über Funk zu vernetzen ist fast so alt wie das Internet selbst. Siemens startete im Jahr 1995 die kabellose M2M-Kommunikation mit dem ersten, marktfähigen GSM-Modul. Die Fernüberwachung von Maschinen und Anlagen war die typische Anwendung. Meist wurden herkömmliche Mobilfunk-Simkarten in den Funkmodulen verbaut. Sie verschickten Messdaten und setzen selbstständig Alarmmeldungen ab. Bei einer teuren Anlage eine vernachlässigbare Kostenposition.
Doch das Internet der Dinge brachte ab den 2000er Jahren mehr und mehr Use Cases hervor, für die Eigenschaften wie hohe Datenraten, kurze Latenzzeiten und globale Abdeckung wie die klassischen Mobilfunknetze sie boten, nicht notwendig war. Für die einfache, aber hoch skalierte Messdatenübertragung von Temperaturen, Füllstand oder Energieverbrauch brachten sie eine ganze Reihe an Barrieren mit sich: Zu hohe Verbindungskosten, zu energieintensiv, technologisch zu komplex, viel zu teure Hardware, viel zu geringe Batterielaufzeiten und andererseits für Standorte unter der Erde, in Gebäuden und in entlegenen Gebieten ohne Mobilfunkabdeckung nicht geeignet. Andere, weit verbreitete Funkstandards wie Wi-Fi, Bluetooth oder Zigbee sind auf Anwendungen im Nahbereich begrenzt.
Das Internet der Dinge zeigte die Grenzen der Mobilfunknetze auf
Es schlug die Stunde von LPWA-Funkprotokollen (Low Power Wide Area). Anbieter wie LoRa, SigFox, MIOTY und RPMA sprangen in die Lücke, um die Kosten für die Vernetzung von Niedrigenergiegeräten wie Sensoren zu senken und vor allem um Batterielaufzeiten von 10 Jahren und mehr möglich zu machen. Da diese Funkstandards nicht zellenbasiert sind, benötigen sie keine SIM-Karten und es können viele hundert Sensoren ohne Funkkosten mit einer Basisstation verbunden werden. Die Übertragung erfolgt über unlizenzierte Sub-GHz-Funkbänder mit einer Reichweite über viele Kilometer und einer besseren Datenübertragung durch Wände, Mauern und Erdreich. Der Preis für den niedrigen Energieverbrauch eines LPWA-Funkprotokolls ist eine extrem niedrige Datenrate, was aber bei Füllstandsensoren oder Wasserzählern, die nur winzige Datenmengen übertragen und das auch nicht im Sekundentakt, meist nicht ins Gewicht fällt.
Die Vorteile lizenzierter Funkstandards
Die Sub-GHz-Funkbänder sind weltweit nicht harmonisiert, bei der Zulassung von Geräten können also hohe Kosten auftreten. LoRa und SigFox sind darüber hinaus proprietäre Technologien. Im Fall von LoRa müssen spezielle Chips und Gateways verwendet werden, im Fall von SigFox kann nur über die bereitgestellte Netzinfrastruktur übertragen werden. Ein Wechsel in andere Netze ist nicht möglich, LoRa bietet aber den Vorteil, dass für sensible Anwendungen ein eigenes, privates LPWAN (Low Power Wide Area Network) eingerichtet werden kann. Und last but not least, tummeln sich in unlizenzierten Funkbändern viele Sender und Empfänger. Nicht nur ist die Sendezeit gesetzlich stark begrenzt, man ist auch vor Interferenzen nicht gefeit.
Als Alternative bieten alle großen Mobilfunkanbieter wie Vodafone, Telekom und Telefonica mittlerweile ebenfalls einen Schmalband-Funkstandard: CAT NB1, besser bekannt unter dem Namen NB-IoT (Narrowband-IoT), ist eine Erweiterung von LTE und basiert auf dem 3GPP-Standard (3rd Generation Partnership Project). Damit sendet er in den lizenzierten Frequenzbereichen der bestehenden Mobilfunknetze mit allen Vorteilen in puncto Sicherheit, Netzstabilität und Verfügbarkeit. Aufgrund der niedrigen Sendefrequenz steht NB-IoT den unlizenzierten Funkstandards in Sachen Reichweite, Festkörperdurchdringung und Batterielaufzeiten in nichts nach. Zwar ist auch bei NB-IoT die Datenrate begrenzt (Stand April 2021 maximal 250 Kilobit pro Sekunde für den Down- und Upload), um den Energieverbrauch zu reduzieren, doch unterliegt das Protokoll nicht dem europaweit gesetzlich festgelegten „Duty Cycle“. Er besagt, dass ein Gerät auf unlizenzierten Funkbändern maximal 1 % einer Stunde senden darf, sprich 36 Sekunden pro Stunde.
Der neue Mobilfunkstandard für Daten plus Telefonie: LTE-M
Big Data hat unserer Welt einen fast unstillbaren Datenhunger beschert. Daher müssen Mobilfunkanbieter die technologische Basis schaffen, mehr und unterschiedlichere Daten noch schneller kabellos in die Cloud zu schicken. 5G wird das Netz für Echtzeit-Anwendungen, Augmented und Virtual Reality, autonomes Fahren und vieles mehr, was minimale Latenzzeiten und hohe Datenraten erfordert. Bis die notwendige Infrastruktur aufgebaut ist, bietet sich LTE-M (Long Term Evolution for Machine Type Communication), von der 3GPP unter dem Begriff CAT M1 released, als Brückentechnologie an. Der Funkstandard zählt ebenfalls in die Kategorie LPWA, basiert wie NB-IoT auf dem 3GPP-Standard, bietet allerdings eine höhere Datenrate von bis zu 2 Megabit pro Sekunde und kurze Latenzzeiten von 10 bis 15 Millisekunden. Da LTE-M wie LTE den sogenannten Handover unterstützt, wird auch Sprache bei Bewegung ohne Verzögerung von Zelle zu Zelle übergeben. Darüber hinaus bietet LTE-M ein weiteres Feature, auf das bei NB-IoT verzichtet wird: die verschlüsselte TLS-Kommunikation.
Bis 5G kommt, gibt‘s für Breitbandanwendungen 4G
Bis die Konnektivität mit 5G Realität sein wird, greifen wir bei kritischen M2M-Anwendungen oder Telematik, Webcams und Audio-Übertragungen die wegen häufigem Datenaustausch, hohem Datenvolumen und hohen Geschwindigkeiten eine Breitbandverbindung erfordern, auf LTE/4G zurück. Wenn die Module den Fallback auf LTE, 3G oder 2G ermöglichen, sind auch weltweite Reichweite und zuverlässige Netzverbindungen sichergestellt.
5 Tipps: Das sollten Sie bei der Entscheidung für die IoT Connectivity beachten
Unabhängig davon, ob Sie ihr bisheriges System IoT-fähig machen oder upgraden wollen oder ob Sie eine IoT-Infrastruktur „from the scratch“ erstmals aufsetzen, die grundsätzlichen Entscheidungskriterien für die Auswahl der IoT und M2M Connectivity sind immer dieselben.
Tipp 1: Die Lösung wird von der Anwendung bestimmt
Dieser Tipp ist nahezu selbsterklärend, denn nicht nur bei IoT und M2M gilt: Es gibt praktisch nie eine „one fits all“-Lösung. Erste Fragen, die Sie sich stellen sollten, sind die nach Standort, Batterielaufzeit, Sendefrequenz, Datengröße und Mobilität der Feldgeräte. Müssen Ihre Sensoren nur gelegentlich winzige Datenpakete durch dicke Wände, aus einem Abwasserkanal oder einem Keller senden – und das mindestens 10 Jahre lang, ohne die Batterie zu wechseln – dann nutzen Sie ein LPWA-Funkprotokoll. Wenn die Verbindung trotz beweglicher Geräte stabil sein muss, Sie eine sicherheitskritische Anwendung planen wie zum Beispiel die Vernetzung von Aufzügen und Sie mittelgroße Datenmengen sowie zusätzlich noch Sprachdateien versenden wollen, führt kein Weg an LTE-M vorbei.
Tipp 2: Die Connectivity-Lösung muss bezahlbar sein
Wir als Connectivity-Anbieter sind nur für die faire Preisgestaltung der Netznutzung und die einfache Verfügbarkeit und Verwaltung der SIM-Karten verantwortlich. Hier hat sich seitdem NB-IoT verfügbar ist, viel getan, um die Buchung der Tarife so unkompliziert wie möglich zu machen. Für einen äußerst überschaubaren Betrag kauft man sich 10 Jahre Netznutzung für NB-IoT, LTE-M oder 4G. Bei der Konnektivität fallen jedoch neben den Verbindungskosten auch andere Posten ins Budget wie Einrichtungskosten, Kosten für Hardware, Aufwand für Administration und Bereitstellung von Manpower. Wie alle anderen technischen Lösungen muss auch bei der Connectivity die Total Cost of Ownership betrachtet werden.
Tipp 3: Setzen Sie auf einfache Skalierbarkeit
Wir stehen erst am Anfang des Internet of Things. Wer sich mit skalierbaren IoT-Produkten ein Stück des Kuchens sichern will, vielleicht ergänzend ein eigenes Campusnetz plant, der muss seine Infrastrukturen und Plattformen so konzipieren, dass sich neue IoT Anwendungen einfach und problemlos in die Unternehmensprozesse integrieren lassen. Das umfasst natürlich auch den Datenaustausch zwischen SIM-Karte und Anwendung auf der Plattform. Wir stellen mit unserer NXTGN SIM Managementplattform ein Tool bereit, mit dem Sie Ihre Geräte verwalten und ihr IoT-Projekt einfach skalieren können. Als End-to-End-Lösungsanbieter unterstützen wir natürlich auch bei der Integration mit Business-Anwendungen wie ERP, CRM oder Microsoft Dynamics 365 Field Service.
Tipp 4: Die Konnektivität muss zukunftssicher sein
Über den Daumen gepeilt wird 5G im Vergleich zu 4G/LTE hundertmal höhere Datenraten und zehnmal niedrigere Latenzzeiten bieten. Der Rollout hat in vielen Ländern, auch in Deutschland, begonnen. Mit LTE-M und NB-IoT erfolgte bereits die Trennung in mobile Breitband- und Schmalbandnetze. Die beiden Standards sind daher bereits Teil von 5G. Daher setzen wir bei unseren eigenen Projekten überwiegend auf LTE-M und 4G. Zum einen ermöglichen beide Standards nationales und internationales Roaming, zum anderen können wir bei Anwendungen mit höherer Bandbreite reibungslos von 4G auf 5G umsteigen. Jeder Hardwarehersteller wird an diesem lukrativen Markt partizipieren wollen und daher sind bereits heute viele Geräte auf dem Markt, die beim genutzten Funkstandard nicht nur abwärts-kompatibel, sondern auch aufwärts-kompatibel sind.
Tipp 5: Das Netzwerk muss sicher sein
NB-IoT und LTE-M greifen bei der Authentifikation und Übertragung auf die bewährten LTE-Sicherheitsmechanismen wie zum Beispiel Ende-zu-Ende-Verschlüsselung zu. Die entsprechenden Embedded SIMs kommunizieren bidirektional, und aufgrund der höheren Datenrate des LTE-M-Standards können bei Bedarf Updates mit aktuellen Sicherheitsfeatures aufgespielt werden.
Unser Fazit
Wir setzen bei der Konnektivität auf LTE-M für Low Power und 4G für High Power. Unter dem Strich bieten diese beiden Funkstandards die beste Lösung, wenn man die verschiedenen Anforderungen wie Datenvolumen, Datenraten, Verfügbarkeit, Netznutzungskosten, Skalierbarkeit, Sicherheit und Zukunftssicherheit gegeneinander abwägt.
Gerne erstellen wir Ihnen ein passgenaues Angebot für Ihre M2M- oder IoT-Anwendung. Nehmen Sie doch gleich Kontakt mit uns auf.
