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Die Anwendungen im Internet of Things sind so unterschiedlich wie vielfältig. Kaum eine IoT-Anwendung gleicht der anderen und es müssen viele Faktoren berücksichtigt werden bevor ein IoT Projekt umgesetzt werden kann. Es heißt also zunächst die Anforderungen genau zu definieren und die Hürden unter die Lupe zu nehmen.

Mit Hilfe welcher Technologien kann man das Internet of Things nutzen?

Um das Internet of Things nutzen zu können, bedarf es Technologien wie Mobilfunk, Bluetooth, Wireless Netzwerken oder Long Range Wide Area Netzwerken. Sie ermöglichen, dass die Daten vom Sender zum Empfänger verschickt werden können.
Aber welche Kommunikations-Technologie ist für welche Anforderung genau die richtige?
Eines steht fest, auf Grund der unterschiedlichen Gegebenheiten, gibt es keine Technologie, die alle IoT Anwendungen gleichermaßen bedienen kann.

Warum ist das so und welche Faktoren spielen bei der Auswahl der Technologie eine Rolle?

Unter Berücksichtigung der unten aufgeführten Faktoren, wird schnell klar, dass für unterschiedliche Anwendungen, unterschiedliche Kommunikationstechnologien in Frage kommen. So ist die Auswahl eines Funknetzes in erster Linie eng mit der Verfügbarkeit und Reichweite des Netzes verbunden. Kommt ein eigenes Netz in Betracht, stellt sich sehr schnell die Frage nach den Kosten. Ganz wichtig auch die Frage: Wie können die Endpoints (Messsensoren, Beacons) mit Strom versorgt werden?

Schauen wir uns die Faktoren einmal genauer an:
Regionale Reichweite des Netzes, Stromversorgung der Devices / Sensoren (Batterielaufzeiten), Datenvolumen, Datenrate, Energieeffizienz, Bandbreite, Datensicherheit, Device Management, Langlebigkeit der Lösung, Verfügbarkeit der Endpoints, Hardware, Betriebskosten, Netzkosten.
Mobilfunk eignet sich überall dort, wo hoher Datendurchsatz benötigt wird, Nachteil ist hier die Stromversorgung, wir wissen alle, wie schnell ein Handyakku leer ist. Wifi und Bluetooth eignen sich gut im Einsatz mit mobilen Geräten und LPWAN eignet sind bestens um kleine Datenmengen über große Entfernungen zu transportieren. Manchmal passt auch eine Kombination aus zwei verschiedenen Technologien.

Wie unterscheiden sich die Technologien voneinander und wo kommen sie zum Einsatz?

WiFi

Wifi ist für viele IoT Anwendungen die richtige Wahl, denn es hat den großen Vorteil, dass es sowohl in Privathaushalten als auch in der Industrie zum Standard gehört, eine perfekte Grundlage um einfach und schnell IoT Anwendungen zu starten. Wifi ist schnell und einfach bereitgestellt, die Kosten für die Infrastruktur halten sich im Rahmen und es können große Datenmengen über das WiFi verschickt werden. Dem gegenüber steht allerdings die relativ geringe Reichweite und der hohe Stromverbrauch.
Wifi Standard ist zurzeit 802.11n, die Datenrate beträgt maximal 600Mbps, die Reichweite beträgt max. 50 Meter. An Grenzen stößt Wifi dort, wo die Endpoints / Messsensoren nicht kontinuierlich mit Strom versorgt werden können, da die Wifi Verbindung viel Energie verbraucht. Auch die eingeschränkte Reichweite ist problematisch. Ein relativ neuer Wifi Standard (802.11ah – Wifi HaLow) nimmt sich dem Problem Reichweite und Stromverbrauch an und erreicht unter Verwendung des lizenzfreien 900MHz ISM Band, eine Reichweite von bis zu 1 km . Für den Einsatz unter dem Standard 802.11ah werden entsprechende Access Point benötigt.
Interessant ist sicher der noch nicht veröffentliche Standard 802.11ax, der für 2019 erwartet wird. Dieser Standard nutzt vorhandene 2,4 und 5 GHz Spekten und wird für Anwendungen im IoT weiter optimiert, insbesondere soll er sehr viel energieeffizienter sein.

Vorteile
Große Datenmengen, schnelle Bereitstellung durch breit aufgestellte Infrastruktur

Einsatzgebiete
Wifi ist für viele Anwendungen im Nahbereich interessant, z.B. Gebäudemanagement oder auch Asset Tracking innerhalb eines Gebäudes.

Bluetooth / Bluetooth Low Energy

Bluetooth ist als weit verbreiteter Standard bei Smartphones, Tablets und Notebooks nicht wegzudenken. Bluetooth Headsets, Tastaturen und Mäuse, Autoradios, wer kennt sie nicht. Mit Bluetooth sind hohe Datenübertragungsraten erreichbar, jedoch ist der Energieverbrauch des klassischen Bluetooth relativ hoch, so dass sich wieder einmal die Frage nach der Stromversorgung stellt.
Bluetooth Low Energie ein weiterer Bluetooth Standard ist für Anwendungen im Internet of Things schon interessanter, wenn auch, wie bei allen Kommunikationstechnologien, nicht das Non Plus Ultra unter den IoT Kommunikationen, denn die Übertragungsgeschwindigkeit ist nicht besonders hoch. Bluetooth Low Energy (BLE) eignet sich gut für den Austausch einfacher Datenbits zwischen zwei oder mehreren Geräten, weniger für die Übertragung großer Datenmengen, wie Videos, große Bilddateien, etc.
Bluetooth 5 ist als Weiterentwicklung von BLE für das IOT optimiert worden, es erreicht höhere Übertragungsgeschwindigkeiten (bis 2Mbps) und mehr Reichweite, konzipiert für Automotive und industrielle Anwendungen. Technische Neuerungen: Verdoppelung der maximalen Geschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger, Vervierfachung der Reichweite, achtfache Übertragungskapazität. Outdoor sind ca. 200 Meter Reichweite realistisch, innerhalb von Gebäuden 40 Meter. Mit Bluetooth 5 ist es nun gelungen Geräte schneller und mit höherer Reichweite anzusteuern. Durch die hohe Energieeffizienz laufen batteriebetriebene Sensoren unter Bluetooth 5 mehrere Jahre. IBeacons sind dafür ein schönes Beispiel. Sie dienen als Leit- und Orientierungssysteme in Flughäfen oder Gebäuden und werden über Bluetooth angesteuert.

Vorteile:
Einfache Implementierung, schnelle Bereitstellung durch breit aufgestellte Infrastruktur

Einsatzmöglichkeiten
Wearables, Smarthome, Fitness Produkte

Narrowband / Low Power WAN Technologie

Für IoT Anwendungen etablieren sich zurzeit mehrere Standards, die alle im Low Power Netz agieren.
LoRaWAN, Sigfox und NB-IoT geben alle samt Gas, um den Ausbau der Netze voranzutreiben.
Alle Sensoren, die unter dieser Technologie laufen, senden in festgelegten Intervallen kleine verschlüsselte Datenmengen in einen Wach-Schlafrythmus, sprich die Geräte wachen kurz zu definierten Zeiträumen auf, senden Daten und schlafen dann wieder ein, das macht die Technologie besonders energieeffizient. Die Einsatzmöglichkeiten sind untereinander ähnlich, Smart Metering, M2M ( machine to machine) Smartwatches, Landwirtschaft, Fertigungsindustrie.

LoRa / LoRaWAN

LoRa steht für Long Range und ist eine Low Power Wide Area Technologie, ein Layer oder drahtloses Modul, welches die Kommunikation zu einem Endgerät aufbaut, kurz, ein Kommunikationsstandard für Funkverbindungen mit hoher Reichweite.  In Verbindung mit dem LoRaWAN ( LPWA-Netzwerk Standard Protokoll) zeichnet es sich vor allem durch sehr hohe Reichweiten aus und durchdringt selbst starke Betonmauern bzw. kann Signale auch aus Kellern und Bauten empfangen, wo andere Funksysteme nicht mehr mithalten können.   Möglich macht das eine Modulationstechnik, die unter der Bezeichnung Chirp Spread Spectrum (CSS) bekannt ist. Diese Technologie wird bereits seit Jahrzehnten im Militär und Raumfahrt eingesetzt und macht nun im kommerziellen Einsatz auf sich aufmerksam, da sie sehr kostengünstig, robust und energieeffizient ist.
LoRa wird vor allem in Bereichen eingesetzt, in der kleine Datenmengen über große Entfernungen gefunkt werden. Dabei können Entfernungen bis zu 40 km in ländlichen Gebieten erreicht werden. In dichter besiedelten Regionen (Städte, Vorstädte) reicht die Funkfrequenz von 2 km bis ca. 15 km.
WiFi und Bluetooth sind weit verbreitete Standards und Ihr Einsatz ist in vielen Bereichen von Vorteil. Sie haben jedoch den Nachteil, dass die Endgeräte mit Strom versorgt werden müssen, entweder über das Stromnetz oder über eine Batterie. Anders ist das bei Sensorboxen, die im LoRaWAN eingesetzt werden, der Strombedarf eines Sensors beträgt nur 10mA beim Senden und 100nA im Ruhezustand, sie erreichen so eine Batterielebensdauer von 2 bis zu 15 Jahren.
Für die Verbindung zwischen Sender und Empfänger ( Gateway) nutzt LoRa die lizenzfreien Frequenzen des Radionetzes (ISM-Band), die Nutzung ist kostenlos.
Flächendeckend wird LoRaWAN bereits seit 2016 in Südkorea und in unseren Nachbarländern den  Niederlanden und Schweiz eingesetzt. Das belgische Netz ist ebenfalls gut ausgebaut. Der Ausbau in Deutschland geht schleppend voran. Hier machen sich vor allen Dingen Communities stark , die mit den verfügbaren LoraWan Technologien Private Networks aufbauen. Nach dem Motto – viele Köche verderben den Brei – ist der Nutzer bei entsprechenden Service Providern möglicherweise verlässlicher aufgehoben.

Vorteile von LoRa:
Große Reichweite, kostengünstig, energieeffizient und sicher und autark

Einsatzgebiete:
Smart Cities, Gesundheitswesen, Landwirtschaft, Logistik, Industrie, Smart Home,

NB-IoT

Bisher noch Zukunftsmusik – NB-IoT – die Technik ist in Deutschland bisher noch nicht komplett ausgebaut (Erweiterungen an den Basisstationen sind nötig), macht das Narrow Band sich vor allem für Smart Cities und Parkleitsystemen stark, sowie das Erfassen von Gas- und Wasserzählern (Smart Metering) aus der Ferne. Mittels batteriebetriebener Sensorik werden die Daten direkt an die Anbieter übertragen, ein separates Ablesen ist nun nicht mehr erforderlich. Die Übertragung der Daten ist über weite Strecken möglich, der Stromverbrauch ist sehr gering. Batterie-Laufzeiten von bis zu 10 Jahren sind möglich. Durch die flächendeckende Netzabdeckung wird der Einsatz auch in abgelegenen Orten möglich sein. NB-IoT basiert auf 3GPP Standards und kann im bestehenden Netz im lizensierten Spektrum betrieben werden.
NB-IoT wird auf 800-900 MHz Frequenzen eingesetzt, die Datenübertragungsrate beträgt max. 250kBit/s.

Vorteile:
Flächendeckende Abdeckung, da die Basisstationen bereits vorhanden sind, (Ausbau der Technik durch die Telekom wird gegen Ende 2018 erwartet), kostengünstig, energieeffizient

Einsatzgebiete:
Smart Cities, Parkleitsysteme, Smart Metering, Asset Tracking

Sigfox

Im Narrowband Bereich ist das französische Unternehmen Sigfox ein starker Player, der zurzeit ein eigenes globales Funknetz aufbaut. Sigfox agiert in Deutschland als selbständiger Netzbetreiber, jedoch ist das Netz in Deutschland noch nicht flächendeckend ausgebaut, steht in der Agenda aber ganz oben. Frankreich und Irland sind komplett ausgebaut, ebenso Belgien, Luxemburg, Niederlande und Tschechien.
Sigfox nutzt ein Funksystem auf Basis von Ultra Narrow Band Technologie, eine Low Power Wide Area Technologie im ISM Band, 868 Megahertz in Europa. Vorteil, es durchdring auch massive Mauern. In ländlichen Gebieten können Entfernungen von 30 bis 50 km erreicht werden, in Städten 3 bis 10 km.
Sigfox nutzt als Basis die Binary Phase Shift Keying Technologie, die von nahezu jedem Chiphersteller unterstützt wird. Das Unternehmen bietet alles aus einer Hand, die komplette Infrastruktur für die Kommunikation zwischen Server und Sensoren, Netzwerk Implementierung, Aufbau der Basis Stationen, Entwicklung der Cloud Infrastruktur, Roll-Out der Abdeckung. Der Zugang dazu erfolgt über ein Abonnement. Dieser Service wird nur von Sigfox angeboten.

Vorteile:
Kostengünstig, energieeffizient, große Reichweite, alles aus einer Hand

Einsatzgebiete:
M2M, Wearables, Smart Metering, Smart Cities, Asset Tracking

LTE / 5G

Der Ausbau der Mobilfunknetze auf 5G Konnektivität wird zurzeit massiv vorangetrieben. Vorhandene Mobilfunkmaste müssen per Glasfaserkabel oder Richtfunk mit dem Kernnetz des Providers verbunden werden. Die Erweiterung der Mobilfunknetze um Frequenzen unterhalb von 6 GHz und oberhalb von 10 GHz (geplant sind bis zu 300 GHz) schaffen zusätzliche Systemkapazitäten, um den neuen Anforderungen, insbesondere massiver Datendurchsatz, Verfügbarkeit, Energieeffizienz, Sicherheit, Gerätedichte und Latenzzeit gewachsen zu sein.
5G verspricht viel und soll LTE (4G) um ein Vielfaches toppen. Die prognostizierten Leistungsfähigkeiten sind enorm, so ist die Rede von extrem niedrigen Latenzzeiten (unter 1ms), 90% weniger Stromverbrauch gegenüber LTE und einer Datenrate von bis zu 10.000 Mbits.
Die Anpassungen und der Ausbau des Netzes stellen die Provider vor große technische wie auch finanzielle Herausforderungen. Z.B. reichen für die angestrebten hohen Frequenzbereiche die Sendemasten in einem Stadtgebiet nicht mehr aus, es müssten hunderte kleine Funkzellen platziert und angebunden werden. Hoch performante Glasfaseranbindungen und leistungsstarke Richtfunkstrecken sind ebenfalls mit erheblichen Investitionen verbunden.
Die Provider streben eine großflächige Verfügbarkeit des 5G Netzes ab 2020 an.

Einsatzmöglichkeiten:
Neue Broadcasttechnologien, Highspeed Breitbandinternet, M2M Kommunikation, Smart Home, Einbruchschutz durch Fernvideoüberwachung, autonome Fahrzeugsteuerung.

Zusammenfassung:

Welche Technik die richtige ist, kann man nicht pauschal sagen. WiFi und Bluetooth können nur dort eingesetzt werden, wo die Geräte mit Strom versorgt werden können. WiFi darf aus Sicherheitsgründen nicht in jedem Unternehmen eingesetzt werden. 5G wird spannend werden, bis der Standard definiert ist, dürfte es aber noch eine Weile dauern. Auch Sigfox, LoRaWAN und NB-IoT haben ein Riesenpotential. Die Telekom rollt die Netze zurzeit in Deutschland, Niederlanden, Griechenland, Polen, Ungarn, Österreich, Slowakei und Kroatien aus. Narrowband hat bei Kosten- und Energieeffizienz die Nase vorn und der bevorstehende flächendeckende Ausbau ebnet den Weg für viele IoT Anwendungen, die bisher nicht realisiert werden konnten.