Rund acht Milliarden Systeme sollen im Jahr 2021 im Internet der Dinge (IoT) Maschinen und Geräte miteinander vernetzen – schätzt das amerikanische Marktforschungsunternehmen ABI Research. Als Einsatzszenarien immer wieder genannt werden zum Beispiel das Monitoring von Industrieanlagen, die Füllstandserfassung im Gross- und Einzelhandel, die Ermittlung von Luft- und Bodenqualität oder die Fernabfrage von Zählerständen

Funktionieren kann der dafür nötige Informationsaustausch zwischen Maschinen (M2M) aber nur mit darauf abgestimmten Funktechniken.

Für M2M-Kommunikation werden zwar schon seit einigen Jahren die klassischen Mobilfunknetze verwendet, beispielsweise wenn Lastwagen über GSM-Module ihren Standort an die Unternehmenszentrale melden. Allerdings sind diese mobilfunkbasierten Systeme komplex, relativ stromhungrig und vor allem zu teuer, um damit einen Wasserzähler oder einen Sensor an einer Pumpe auszustatten. Sie eignen sich also nicht ohne Weiteres für das IoT.

Aus diesem Grund entwickeln und vermarkten Start-ups und etablierte Konzerne derzeit gerade mit Hochdruck Netzwerktechniken, die optimal an die besonderen Erfordernisse des Internets der Dinge angepasst sind. Zu den Kennzeichen dieser Low Power Wide Area Networks (LPWAN) gehört zuallererst die im Vergleich zu einem Wireless LAN (WLAN) oder Bluetooth erheblich grössere Reichweite von bis zu 30 Kilometern – je nach Standort der Systeme und der vorhandenen Bebauung.

Zum anderen verbrauchen LPWAN-Komponenten, wie ihr Name schon sagt, nur sehr wenig Strom. Mit einer handelsüblichen AA-Batterie soll ein Funkmodul nach Angaben der Hersteller etwa zehn Jahre lang auskommen. Das ist wichtig, weil solche Komponenten auch an schwer zugänglichen Orten verwendet werden, etwa in Kellerräumen, auf Ölfeldern oder in Windkraftanlagen.

Ein weiterer Vorteil von LPWAN-Systemen sind die relativ niedrigen Kosten. So muss ein Unternehmen heute für ein M2M-Modul laut ABI Research etwa 14 bis 15 Euro veranschlagen, während der Preis von LPWAN-Komponenten nur bei etwa 5 bis 10 Euro liegt. Hinzu kommen die Kosten für die Datendienste. Sie betragen nach Angaben des Beratungshauses Xona Partners etwa 1 bis 3 Dollar monatlich pro Komponente.

Damit bieten sich diese Module auch für den Einsatz im grossen Massstab an. Allerdings eignen sich Low-Power-WANs nicht für IoT-Applikationen, in denen hohe Datenraten und geringe Verzögerungszeiten bei der Übermittlung von Datenpaketen (Latenzen) benötigt werden, beispielsweise bei der Kommunikation von Fahrzeugen untereinander und mit Verkehrsleitsystemen.

Daher setzt man in solchen Bereichen auf 4G- und 5G-Mobilfunk: „LTE und 5G kommen wegen der kurzen Reaktionszeiten und des hohen Datendurchsatzes in Betracht, wenn zuverlässige Verbindungen nahezu in Echtzeit benötigt werden, also bei der Steuerung von Maschinen und beim autonomen Fahren“, erläutert Suyash Tiwari, Head Business Development Communication, Media & Information Services beim IT-Beratungshaus TCS.

Auf diesen Zusammenhang macht auch Hamid-Reza Naze­man aufmerksam, Managing Director Germany bei Qualcomm, einem der weltweit grössten Anbieter von Halbleitern und Software für die mobile Kommunikation: „Maschinen, Gegenstände und Geräte kommunizieren bei IoT meist stossweise und mit einer viel niedrigeren Daten­rate.“

Nazeman betont deshalb: „Der Schlüssel zur IoT-Konnektivität ist die Effizienz, das heisst, Geräte müssen vereinfacht und somit preiswerter hergestellt werden, ohne aufwendige Funktionen, die sie ohnehin nicht verwenden. So benötigt etwa ein Sensor, der die Feuchtigkeit des Bodens ermittelt, keine Sprach­erkennung.“

Die Angebote auf dem LPWAN-Markt lassen sich zwei Lagern zuordnen. Auf der einen Seite finden sich Technologien, die auf Mobilfunktechniken aufsetzen. Sie nutzen das lizenzierte Funkspektrum, das die Telekom, Vodafone und Telefónica von der Bundesnetzagentur für ihre Mobilfunkdienste ersteigert haben. Entsprechende LPWAN-Systeme sind daher mit einer SIM-Karte ausgestattet – so wie Smartphones und Tablets.

Auf der anderen Seite haben sich Anbieter etabliert, die für die Datenübermittlung lizenzfreie Funkfrequenzen unterhalb der 1-GHz-Grenze nutzen. In Europa kommt insbesondere das 868-MHz-Band zum Einsatz, das im Gegensatz zu anderen Mobilfunkfrequenzen Wände von Gebäuden besser durchdringen kann. Je nach Technik unterstützen LPWANs, die das freie Funkspektrum verwenden, zwischen 52 und über 2700 Endgeräte („Endpoints“) pro Basisstation.

Zu den wichtigsten Unternehmen, die solche Lösungen anbieten, zählen Sigfox, LoRa Alliance und die Mitglieder der Weightless Special Interest Group. Einen Sonderfall stellt
Ingenu dar. Dieses US-Unternehmen hat eine eigenständige Lösung entwickelt, die das lizenzfreie 2,4-GHz-Band für die Datenübermittlung nutzt.

Ein Nachteil der lizenzfreien Funkfrequenzen ist, dass sie jedermann offenstehen. Das kann dazu führen, dass in bestimmten Regionen viele Sender vorhanden sind, die sich gegenseitig stören. Dadurch ist es schwerer als in Mobilfunk­netzen, Anwendungen eine bestimmte Dienstgüte (Quality of Service) zu garantieren.

Zu den etablierten LPWAN-Anbietern, die in mehreren Ländern eine eigene Netzwerk-Infrastruktur aufgebaut haben, zählt das französische Unternehmen Sigfox. Diese basiert auf einer Ultra-Narrow-Band-Technik (UNB) mit einer Übertragungsfrequenz von 100 Hz.

Um nicht von störenden Funknachbarn „übertönt“ zu werden, sendet das System von Sigfox Datenmengen in kleinen Häppchen von nur 12 Byte, und dies mit einer niedrigen Übermittlungsrate. Das bedeutet de facto, dass pro Tag 140 Nachrichten mit je 12 Byte übertragen werden können. Für Statusmeldungen von Sensoren an entfernten Orten reicht das. Die Einsatzmöglichkeiten sind dennoch begrenzt.

Zu den Vorteilen von Sigfox zählen der einfache Aufbau der Lösung und der niedrige Preis für die Module. Er liegt bei weniger als 5 Euro. Weitere Pluspunkte sind nach Angaben von Anwendern sowie von Marktexperten wie ABI Research die hohe Reichweite von bis zu 30 Kilometern und der niedrige Strombedarf. Dem stehen Schwächen gegenüber wie das proprietäre Übertragungsprotokoll und die noch ausbaufähigen Sicherheitsfunktionen.

Wie Sigfox nutzt auch die LoRa Alliance (LoRa steht für Long­ Range) in Europa den Frequenzbereich 868 MHz. LoRA verwendet ein Protokoll auf Grundlage der Modulationstechnik Chirp Spread Spectrum (CSS) und übermittelt Daten über Entfernungen von bis zu 15 Kilometern. LoRa gilt als offene Architektur. Allerdings kommen dabei ausschliesslich Chips von Semtech zum Zuge. Das bedeutet zumindest indirekt die Abhängigkeit von einem Hersteller.

Eine der Besonderheiten eines LoRA-Netzes ist seine enorme Skalierbarkeit. Es lassen sich nämlich Millionen von Endgeräten darin einbinden – mit Datenraten von 0,3 KBit/s bis 50 KBit/s.Weitere Vorteile sind ausgeprägte Sicherheitsfunktionen, die Möglichkeit, Daten bidirektional zu versenden sowie die Unterstützung mobiler LoRa-Endgeräte.

Ein Vorzug von LoRa ist auch, dass drei Klassen von Funkmodulen zur Verfügung stehen. Ein Modul ist optimiert für die Datenübermittlung vom Funkmodul zum Gateway, die zwei anderen unterstützen die Kommunikation in beide Richtungen. Zu den Kunden von LoRa zählt unter anderem das britische Unternehmen Inmarsat, das Mobilfunknetze auf Basis von Satelliten betreibt.

Inmarsat setzt beispielsweise die LoRa-Systeme des Anbieters Actility in Australien ein, um den Viehbestand auf entlegenen Farmen zu erfassen. Auch der Wasserstand eines Reservoirs einer Palmöl-Plantage in Malaysia wird von Inmarsat mittels Satellit und Low-Power-WAN überwacht. Wie bei Sigfox stellen mehr als 100 Netzbetreiber LoRa-Infrastrukturen bereit.

Damit sind Sigfox und die LoRa Alliance derzeit die beiden führenden Anbieter von LPWAN-Lösungen für das lizenzfreie Funkspektrum.Darüber hinaus sind die beiden bereits erwähnten Ansätze Weightless und Ingenu zu beachten.

Weightless ist ein offener Standard, der das Sub-Gigahertz-Band nutzt. Zwei Varianten werden unterschieden: Weightless-N ist eine Schmalbandtechnik, die für die Einweg-Kommunikation zwischen Basisstation und Funkmodul ausgelegt ist, Weightless-P erlaubt die Datenübertragung in beide Richtungen – der Preis dafür ist ein höherer Stromverbrauch.

Die Weightless-Technik gilt als robust und weist eine gute Flächendeckung auf. Wegen der niedrigen Bandbreite von 100 Bit/s eignet sich Weightless vor allem zur Anbindung von Sensoren.

Das M2M-/IoT-Unternehmen Ingenu hat mit Random Phase Multiple Access (RPMA) eine spezielle Übertragungstechnik entwickelt, die das 2,4-GHz-Spektrum nutzt. Dieser Bereich wird von WLANs und anderen Funksystemen wie Fernbedienungen und Garagentoröffnern verwendet. Ende Februar 2017 waren in 29 Ländern RPMA-Netze vorhanden, allerdings nicht in Deutschland.

Für Ingenu sprechen die grosse Reichweite und die Robustheit. Schwachpunkte sind der höhere Stromverbrauch und die nicht so gute Durchdringung von Mauerwerk, was den Einsatz in Gebäuden begrenzt.

Sigfox, LoRa und Co. sehen sich der wachsenden Konkurrenz durch Mobilfunk-Provider gegenüber, die bei der Suche nach zusätzlichen Erlösquellen auf den Gedanken gekommen sind, dass sie ihre für viel Geld ersteigerten Lizenzen auch für Low-Power-Weitverkehrsverbindungen nutzen könnten. Vor allem Deutsche Telekom, Vodafone und Telefónica unternehmen in Deutschland und anderen Ländern grosse Anstrengungen, um im Geschäft mit dem Internet der Dinge mit­zumischen. Ein Vorteil der Mobilfunkfirmen ist, dass sie als milliardenschwere Unternehmen über ganz andere finanzielle und technologische Ressourcen verfügen als die Unternehmen, die LPWAN-Netze im offen verfügbaren Funkspek­trum betreiben.

„Technologien wie 4G und 5G sind teurer als Sigfox. Allerdings ermöglichen sie es, viel mehr Daten zu versenden, und haben eine höhere Bandbreite“, erläutert Vincent Ohana, Partner bei dem auf Lo­gistik-Lösungen spezialisierten Beratungs- und Software-Unternehmen Concept Reply mit Stammsitz in Turin. „Daher eignen sich die Mobilfunkverfahren eher für Anwendungen, bei denen viele Daten in einer hohen Taktrate verschickt werden sollen“, lautet Ohanas Schlussfolgerung.

Um die Standardisierung der mobilfunkbasierten Kommunikation mit „Dingen“ kümmert sich die 3GPP-Gruppe (3rd Generation Partnership Project), ein weltweiter Zusammenschluss mehrerer Standardisierungsgremien, darunter das European Telecommunications Standards Institute (ETSI). 3GPP hat gleich drei Standards spezifiziert, die unterschiedliche Netztechniken und Einsatzfelder abdecken: LTE Cat-M1, Narrowband-IoT (NB-IoT) und EC-GSM-IoT.

Letzterer ist nur noch in Ausnahmefällen relevant: EC-GSM nutzt 200 kHz pro Kanal in alten GSM-Netzen (2G). Die Datenraten liegen bei circa 70 bis zu 240 KBit/s. Um eine vorhandene GSM-Infrastruktur für EC-GSM fit zu machen, müssen die Netzwerkkomponenten ein Software-Upgrade erhalten. Schwerer wiegt ein anderer Faktor: 2G und selbst 3G (UMTS) werden in den kommenden Jahren durch 4G (LTE) und ab 2020 durch 5G ersetzt. Damit wird EC-GSM mittelfristig nur noch in Regionen relevant sein, in denen ältere 2G-Netze vorhanden sind. Die Zukunft gehört LTE Cat-M1 und NB-IoT.

Im Gegensatz zu EC-GSM setzt LTE Cat-M1 auf dem Mobilfunkstandard LTE (Long Term Evolution) auf. Das Verfahren nutzt das 1,4-GHz-Frequenzband und erzielt eine Datenrate von bis zu 1 MBit/s – sowohl beim Senden wie beim Empfangen. Laut ABI Research weisen Module für Cat-M1 einen um 20 bis 25 Prozent niedrigeren Komplexitätsgrad auf als Versionen für die weit verbreitete LTE-Variante Cat4. Das schlägt sich in weniger Kosten und einem geringeren Stromverbrauch nieder.

Zu den typischen Einsatzfeldern von LTE Cat-M1 zählen laut Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) das Tracking von Fahrzeugen, Transportbehältern und Geräten sowie die Überwachung von Systemen in der Strom- und Wasserversorgung. Mit etwa 10 Dollar, so das Beratungshaus ABI Research, liegen die Kosten eines Cat-M1-Moduls doppelt so hoch wie bei EC-GSM und Narrowband-IoT.

Narrowband-IoT (NB-IoT) ist eine Weiterentwicklung von LTE Cat-M1 und nutzt ebenfalls das LTE-Mobilfunknetz. Gemeinsam haben beide auch den Einsatz von Halbduplex-Übertragungsverfahren.

Im Unterschied zu LTE Cat-M1 greift NB-IoT auf ultra­schmale Übertragungskanäle von 180 kHz zurück. Die Datenrate liegt bei bis zu 250 KBit/s. Der Vorteil dieses verschlankten Designs sind ein einfacherer Aufbau der Funk­module und geringere Kosten. Nach Berechnungen des IEEE ist ein NB-IoT-System mit einer Batterieladung rund zehn Jahre funktionstüchtig, wenn es maximal 200 Byte Daten pro Tag übermittelt. Als Vorteile von Narrowband-IoT nennen Deutsche Telekom und Vodafone die niedrigeren Kosten und die gute Versorgung in Gebäuden. Dort erreicht NB-IoT 20 dB mehr als GSM. Hinzu kommt die relativ lange Laufzeit der AA-Batterien, mit denen ein Grossteil der Endgeräte ausgestattet ist.

„Interessant ist Narrowband, wenn bisherige Lösungen unrentabel oder nicht effektiv sind“, erläutert Suyash Tiwari von Tata Consultancy Services (TCS). „So sind etwa intelligente Strom- oder Wasserzähler in den meisten Fällen in Kellern angebracht und für den bisherigen Mobilfunk schlecht erreichbar. Narrowband-IoT hingegen bietet eine bessere Gebäudedurchdringung, grosse Reichweite sowie einen niedrigen Energieverbrauch.“

Sowohl die Telekom als auch Vodafone forcieren die Arbeiten an NB-IoT und haben Entwicklungszentren und Testlabore eingerichtet, meist in Zusammenarbeit mit Lieferanten von Netzwerkkomponenten wie Huawei.

„Von Düsseldorf aus bringen wir gemeinsam mit unseren Partnern innovative Lösungen ins ganze Land. Unser Testnetz im ersten Entwicklungszentrum Deutschlands hat so viel Power, dass wir hier problemlos sämtliche Aufzüge in ganz Deutschland vernetzen könnten“, so Hannes Amets­reiter, Geschäftsführer von Vodafone Deutschland, anlässlich der Eröffnung des IoT-Entwicklungszentrums im Februar 2017.

Neben Vodafone treibt hierzulande vor allem die Deutsche Telekom den Ausbau eines Narrowband-IoT-Netzes voran. Noch im zweiten  Quartal 2017 will der Service-Provider kommerzielle NB-IoT-Dienste anbieten. Derzeit rüstet das Unternehmen dafür die Mobilfunk-Infrastruktur in Deutschland und Europa auf, so Claudia Nemat, Vorstand Technologie & Innovation bei der Deutschen Telekom: „Wir setzen die Aufrüstung unserer Basisstationen in Europa fort, um Narrowband-IoT im 900-MHz- und 800-MHz-Bereich zu ermöglichen.“

Zuerst will die Telekom NB-IoT in acht Ländern verfügbar machen, ausser in Deutschland in den Niederlanden, Griechenland, Polen, Ungarn, Österreich, der Slowakei und Kroatien. Das Unternehmen setzt dabei auf nicht proprietäre Techniken: „Uns geht es um die Einführung von IoT-Lösungen, die (…) auf weltweiten Standards basieren“, sagt Bruno Jacobfeuerborn, Chief Technology Officer der Deutschen Telekom.

Bereits im Test hat die Telekom ein NB-IoT-basiertes Smart-Parking-System in Bonn. Die Lösung für die Parkplatz-Bewirtschaftung besteht aus Sensoren in den Parkplätzen. Sie teilen dem Autofahrer über das Mobilfunknetz und eine App mit, wo freie Parkplätze zu finden sind. Ausserdem testet die Telekom gemeinsam mit dem kroatischen Unternehmen EcoMobile den Einsatz von NB-IoT im Bereich Abfallwirtschaft: EcoMobile rüstet Mülltonnen mit Füllstandssensoren aus.

Vodafone wiederum hat mit DB Systel, dem Digital-Dienstleister der Deutschen Bahn, eine Lösung für das Abfall-Management in Bahnhöfen entwickelt. Getestet werden mit Narrowband-IoT-Sensoren ausgestattete Mülleimer, die ihren Füllstand selbstständig erkennen und melden.

Weitere NB-IoT-Pilotprojekte von Vodafone und Telekom sind unter anderem eine intelligente Steuerung von Strassenleuchten und Lösungen für die Analyse des Gesundheitszustands von Bienenvölkern. Hinzu kommen Systeme für die Vernetzung von Messgeräten, Rauchmeldern, Türen und Klimaanlagen in privaten und Gewerbe-Immobilien. Entwickler können ihrer Fantasie praktisch freien Lauf lassen.

Für Anbieter von IoT-Systemen wie für Anwender gleichermassen hat die Vielzahl unterschiedlicher technologischer Ansätze mehrere Konsequenzen. Einerseits sind sie nicht auf eine ein­zige LPWAN-Infrastruktur angewiesen, die wenige Netzbetreiber kontrollieren. Andererseits ist es schwer, diejenige Technik zu finden, die sich letztlich auf dem Markt durchsetzen wird. Daher verfolgen etliche Anbieter von Mess-Systemen und Verbrauchszählern eine Doppelstrategie. Ein Beispiel dafür ist Zenner International. Der Hersteller von Strom-, Wärme- und Wasserzählern, Rauchmeldern sowie Fernauslesesystemen aus Kirchheim bei München setzt auf zwei LPWAN-Techniken: Sigfox und LoRa.

Auch die Anbieter von Telekommunikationsdiensten verfahren nach diesem Muster. So schlossen Sigfox und der spanische TK-Konzern Telefónica im Februar 2017 ein Abkommen, um IoT-Services weltweit zu vermarkten. Telefónica integriert im Rahmen der Zusammenarbeit die Low-Power-Technik von Sigfox in seine IoT-Connected-Plattform.

Der Mobile World Congress (MWC) Ende Februar in Barcelona liess erkennen, in welche Richtung sich die Netzwerktechniken für das Internet der Dinge entwickeln könnten. Ein Schwerpunkt dürfte die verstärkte Nutzung der Mobilfunk-Infrastruktur sein. So arbeitet der 3GPP-Verbund an neuen Topologien wie Multi-Hop-Mesh. Diese Struktur erlaubt es Geräten, die sich ausserhalb der Reichweite des Netzes befinden, ein anderes System als Relais zu verwenden. Voraussetzung ist, dass der Relais-Knoten Zugang zu einer Narrowband-Infrastruktur hat.

„Ein weiterer Trend ist die Bereitstellung von privaten Internet-of-Things-Netzwerken, etwa auf Grundlage von Techniken wie MulteFire", sagt Hamed-Reza Nazeman von Qualcomm. Sie ermöglichen es beispielsweise Minen oder Bohrinseln, die keinen Zugang zu einem kommerziellen Mobilfunknetz haben, ihr eigenes privates Netzwerk aufzubauen. Multe­Fire nutzt das lizenzfreie 5-GHz-Spektrum für LTE-Services.

Die eine universelle Technologie, mit er sich alle Anwendungsfelder abdecken liessen, gibt es allerdings nicht, erklärt Nazeman. „Unterschiedliche IoT-Anwendungen erfordern individuelle Lösungen. LTE eignet sich hervorragend für Anwendungen, die eine starke Sicherheit, flächendeckende Abdeckung und hohe Quality of Service benötigen.“

Übertragungstechniken wie Bluetooth, WiFi und ZigBee wiederum seien eher für die nähere Umgebung und Lösungen mit kurzer Reichweite gedacht. „Wir sehen die Notwendigkeit dieser Verbindungslösungen auch bei der Verbindung mit IoT. Sie ergänzen die Funktionen, die zelluläre Technologien wie NB-IoT bereitstellen“, so Nazeman.