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Industrial IoT - der Stand der Dinge

Neue Technik für den Massenmarkt

von - 29.05.2019
Das LoRaWAN wurde für eher unkritische IoT-Anwendungen im Massenmarkt entwickelt, sogenannte "Massive IoT"-Lösungen. Aufgrund der entsprechend einfachen Auslegung eignet es sich weder zur Sprachübertragung noch zum Transport großer Datenpakete oder für Echtzeit­anwendungen. Zeitpunkt und Zuverlässigkeit werden in der Regel nicht garantiert. Primäres Ziel ist ein möglichst tiefer Energieverbrauch (für lange Akkulaufzeiten) bei kleinen Datenpaketen. Weil öffentliche Mobilfunknetze für möglichst hohe Bitraten ausgelegt sind, sind hohe Sendeleistungen und Endgeräte mit starken Akkus erforderlich. Daher eignen sich ältere Mobilfunkgenerationen wie GSM/2G und UMTS/3G im Grunde nur bedingt für IoT-Systeme. Sie nutzen die verhältnismäßig teuren Frequenzen zudem ineffizient und werden aus diesem Grund auf Ende 2020 (2G) respektive auf Ende 2024 (3G) abgeschaltet.
Seit 2012 werden LTE/4G-Netze gebaut, betrieben und laufend erweitert. LTE hat durchaus Vorteile, die man auch für IoT nutzen kann. Allerdings sind LTE-Endgeräte meist komplex, entsprechend teuer und benötigen dazu viel Energie. Um auch weniger übertragungskritische IoT-Anwendungen abdecken zu können, wurde die vierte Mobilfunkgeneration LTE/4G in den vergangenen Jahren um neue Funktionen erweitert. Dazu wurden zwei Servicekategorien definiert: "Narrowband IoT" (NB-IoT) und Cat-M1 auch LTE-M genannt.
Beide sind abgespeckte LTE-Varianten, die Daten mit lediglich 20 - 30 Kbit/s (NB-IoT) oder bis zu 100 Kbit/s (LTE-M) übertragen. Auch die mögliche Reichweite wurde begrenzt, denn neben der Datenrate ist auch die zu überbrückende Funkdistanz entscheidend für die Batterielebensdauer. Sie beträgt höchstens zehn Jahre bei NB-IoT sowie fünf Jahre bei LTE-M und sinkt mit steigender Datenrate und erhöhter Reichweite, da beides mehr Sendeleistung bedingt. Also wurde der Übertragungsmodus geändert: Statt Vollduplex-Übertragung wie bei normalen LTE-Endgeräten können NB-IoT-Geräte nur entweder senden oder empfangen (halb­duplex), was für unkritische Anwendungen im Bereich Massive IoT ausreicht. Auf LTE-M läuft der Vollduplex-Modus nur optional, etwa für Notrufsysteme.
NB-IoT und LTE-M benötigen SIM-Karten zur Identifikation im LTE-Netz, die auch als energiesparende eSIM ausgeführt sein kann. Schließlich können beide dank extended Discontinuous Reception (eDRX) den Signalisierungsverkehr reduzieren, der in der Regel nur aus einem kurzen Paging besteht, etwa als OK-Meldung oder zur Positionsbestimmung. Dank dieses Maßnahmenpakets kann man einfachere und entsprechend günstigere Endgeräte mit tieferem Energieverbrauch anbieten.

Critical IoT (CIoT) als nächster Schritt

Dank leicht höherer Datenrate und optionaler Vollduplex-Übertragung eignet sich LTE-M für kritische IoT-Anwendungen (CIoT). Dazu gehören mobile Telemetriesysteme, die eine hohe Zuverlässigkeit seitens des Netzes voraussetzen, etwa Notruf-Armbanduhren mit Voice-Funktion zur Personenüberwachung via Voice over IP (VoIP).LTE-M kann dabei die Übermittlung kleinerer Datenmengen im kritischen Zeitrahmen und mit akzeptabler Latenz von maximal 200 Millisekunden garantieren.
Doch die Anforderungen an das IoT steigen weiter, insbesondere in Sachen Bandbreite, Zuverlässigkeit, Latenz und Echtzeitübertragung. Denn insbesondere sich bewegende Objekte wie Autos oder Busse sowie künftig Züge und Fernlastwagen bedürfen einer präzisen Steuerung in Echtzeit. Hier kommt die jüngste Mobilfunkgeneration 5G ins Spiel, die praktisch allen möglichen Anwendungen gerecht wird. Da diese im Bereich Massive IoT bereits durch andere Netze abgedeckt sind, wird sich 5G primär auf CIoT konzentrieren und kann seine Stärken hier voll ausspielen. Bis 5G aber flächendeckend vorhanden sein wird, werden noch einige Jahre vergehen. Eines steht jedoch heute schon fest: IoT wird zunehmend zu einer Alltagserscheinung.

Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, lokal, indoor

Netzwerk lokal, indoor (outdoor nur auf Campus)

Netzwerk landesweit/global, outdoor

Typische Entfernung

< 10 Meter

< 100 Meter

Mehrere Kilometer

Netztechnologien

• Bluetooth
• WLAN

• WLAN

• ZigBee
• LoRa
• LTE/4G (indoor, seit 2017)
• 5G (indoor, seit 2018)

• GSM/2G (bis Ende 2020)
• LTE Cat-M1 (outdoor, ab 2019)
• NB-IoT/LTE (outdoor, ab 2019)
• 5G (outdoor frühestens ab Mitte/Ende 2019)

• LoRa

Kommunikationsart

Periphere Konnektivität

Drahtlose Heim- und Büronetze

Verbindungen zu Weitverkehrsnetzen

Endgeräte

Headsets, Smartphones, Smartwatches, Hi-Fi-Anlagen, Fernsehgeräte, Fitness-Devices, Tastaturen und Mäuse, Fernbedienungen, Babyphones etc.

PCs und Mobile Devices (Smartphones, Tablets, Notebooks), IT-Peripheriegeräte wie Drucker, Scanner, Datenspeicher; Sensoren aller Art

PCs und Mobile Devices (Smartphones, Tablets, Notebooks); Sensoren mit permanenter Netzverbindung via 4G/5G/LoRa

Anwendungen

Verbindungen für mulitmediale Wiedergaben, Unterhaltung, Sport, Büro-IT, Sicherheit, Überwachung, Gesundheitswesen

Internetnutzung, Entertainment, Anwendungen für Sicherheit, Überwachung, Gesundheitswesen, Indoor-Navigation, Smart Energy Management, Smart Home etc.

Messdatenerfassung und -übermittlung, Transport und Lagerung empfindlicher Waren, Informationen zu/von bewegten Fahrzeugen, Sicherheit, Überwachung, Umweltschutz, Verkehrsmanagement, Landwirtschaft,

Smart Cities etc.

Eine Übersicht über mögliche Netztechnologien für IoT-Architekturen mit ihren Eigenschaften, typischen Nutzern und Anwendungen.
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