Auf Empfang

von Tam Hanna

Wer ein Firmennetzwerk errichtet, setzt normalerweise auf WLAN und Bluetooth. Geht es ins Internet der Dinge, so ist der Technologiezoo breiter gefächert. In diesem Beitrag möchten wir einen Überblick über verbreitete Funkverfahren geben. Dabei zeigen wir die Stärken und Schwächen der Verfahren auf und beleuchten, wie sich die jeweilige Technologie auf das IoT-System und dessen Kosten auswirkt.

Sowohl im Smart-Home- als auch im Automatisierungsbereich genießen die aus dem Bereich der Rechnervernetzung bekannten Technologien Beliebtheit. Bluetooth LE hat ob seines geringen Energieverbrauchs erhebliche Verbreitung erreicht. Für Bluetooth LE spricht außerdem, dass das System von allen Handcomputer-Betriebssystemen unterstützt wird.

Geht es um das Realisieren eines Systems, in dem eine Handyapplikation ein IoT-System steuert, ist die Nutzung von Bluetooth LE fast immer die beste Lösung. Spielt Energieverbrauch derweil keine Rolle, setzen Entwickler gerne auf WLAN. Der Vorteil dabei ist, dass sich die Geräte direkt in die vorhandene Infrastruktur einbinden lassen. Nachteil ist der erhebliche Stromverbrauch der Funktechnologie – geht es um Batteriebetrieb, so ist ein WLAN-basiertes System klar im Nachteil.

Der Thinktank IOT-Analytics hat kürzlich das in Bild 1 gezeigte Diagramm veröffentlicht. Es informiert über den Verbreitungsgrad verschiedener IoT-Vernetzungssysteme. Unter [1] sehen Sie einen detaillierten Zeitverlauf, der Abschätzungen zur Zukunft enthält.

Technische Grundlagen

Obwohl dieser Artikel kein Tutorium in Sachen Elektrotechnik sein soll, ist es hilfreich, ein wenig Hintergrundwissen mitzubringen. Diese Informationen helfen dabei, die Auswirkung verschiedener Parameter des Funksystems auf sein Verhalten zu ermöglichen. Als Erstes ein Allgemeinplatz: Niederfrequente Signale erreichen eine höhere Reichweite, übertragen aber weniger Information. Im alltäglichen Leben ist diese Eselsbrücke gut brauchbar – unter [2] finden sich Ausnahmen hierzu.

In diesem Zusammenhang ist ein als Band-Allokationsplan bezeichnetes Dokument wichtig. Das Spektrum wird zwischen allen Usern geteilt, weshalb Regierungsbehörden wie die Bundesnetzagentur die Nutzung reglementieren. Unautorisierte Aussendungen ziehen nicht nur Störungen, sondern auch Geldstrafen nach sich. Im Bereich der Vernetzung des Internets der Dinge spielen ISM-Bänder eine besondere Rolle: Hinter der Abkürzung verbergen sich die Begriffe Industrial, Scientific und Medical. Diese Bänder lassen sich unter Einhaltung von Einschränkungen im Bereich Funkleistung und Sendeintervall lizenz- und kostenfrei benutzen. Weiterhin soll die Abkürzung LPWAN nicht unerwähnt bleiben. Sie steht für "Low Power Wide Area Network" und umfasst verschiedenste Technologien der Vernetzung für das Internet der Dinge.

4G und 5G für das Internet der Dinge

Obwohl es nach der Vorstellung des Akronyms LPWAN nicht zu erwarten wäre, spielen von Netzbetreibern getriebene Funkstandards eine große Rolle. Der Vorteil von GSM und Co. ist, dass Sie sich um den Betrieb des Netzes keine Gedanken machen müssen. Sofern Sie die monatlichen Beiträge zahlen, kümmert sich der Provider um den Rest. Klassische 4G- und/oder 5G-Systeme lassen sich einfach implementieren, da per USB anschließbare Modems für wenig Geld erhältlich sind. Eigenentwicklungen wie das in Bild 2 gezeigte Modul sind möglich, aber – Stichwort Zertifizierung – nicht ratsam.

Ein Ärgernis ist die Auswahl des korrekten Netzbetreibers: Klassische Carrier für Endanwender sind in diesem Bereich nicht konkurrenzfähig. IoT-spezialisierte Anbieter wie die Pod Group bieten hingegen sehr kleine Pakete an (Stichwort 1 MByte für einen Euro), die in Deployments mit geringem Übertragungsvolumen kostengünstiger ausfallen. Der hohe Stromverbrauch sorgt ebenfalls für Probleme. Insbesondere 5G-Module ziehen Spitzenströme im Bereich mehrerer Ampere, was an das Design der Spannungsregler hohe Ansprüche stellt. Derartige Systeme weisen einen hohen Leckstrom auf und sind langen Stand-by-Zeiten nicht zuträglich.

Netzbetreiber und die GSMA begegnen dieser Situation durch die Entwicklung von Protokoll-Abarten für das Internet der Dinge. Optimierter Standard Nummer eins ist das Narrow Band Internet of Things (NBIoT). Dieses ist ein auf das Übertragen von Datenpaketen reduziertes Funksystem, das in 180 kHz breiten Kanälen arbeitet und eine Untermenge des LTE-Standards einsetzt. Zu beachten ist die Latenz: Modulhersteller sprechen von Latenzen im Bereich von 1,6 bis sage und schreibe zehn Sekunden, Up- und Downstream-Geschwindigkeiten liegen im Bereich weniger KBit/s. Ab Release 2 des Standards steht außerdem ein grundlegendes Positionierungsverfahren zur Verfügung, das eine an GPS erinnernde Ortsbestimmung erlaubt.

Daneben ist das als LTE Cat-M1, LTE-M oder ETC bezeichnete LTE-Derivat am Start. Dabei handelt es sich um klassisches LTE, das weniger Bandbreite verwendet und bei geringerer Maximalgeschwindigkeit mit weniger Energieverbrauch auskommt. Beim Ausrollen von Cat-M1 und/oder NB-IoT ist die unter [3] bereitstehende Abdeckungskarte der GSMA zu beachten. Das Standardisierungsgremium informiert dort über die geographische Verfügbarkeit der beiden Funksysteme. Im Fall von NB-IoT ist ein dedizierter Vertrag mit einem Netzbetreiber erforderlich. T-Mobile USA schreibt in seinen Kontrakten eine Einschränkung der täglichen Nachrichtenmenge fest (zehn Single-Packet-Transactions pro Stunde). Anderen Betreibern wie Hutchison ist diese Vorgehensweise fremd.

LPWAN dank SigFox

Wer die Einschränkungen von T-Mobile USA bereits als Zumutung empfindet, wird mit SigFox keine Freude haben. Der Dienst ist auf 140 Uplink- und lediglich vier Downlink-Nachrichten pro Gerät und Tag beschränkt. Unter Uplink ist eine an den Server gesendete Nachricht zu verstehen, die bis zu 12 Nutzbyte überträgt. Der Server ans Endgerät gerichtete Downlink ist auf 8 Byte beschränkt. Die SigFox-Standardisierungsorganisation informiert unter [4] über Wege, um durch effizientes Packen mehr Informationen in den Payloads unterzubringen.

Während die bisher besprochenen Systeme beliebige TCP/IP-Endstellen ansprechbar machten, setzt SigFox ein Umdenken voraus. Die Netzwerkstruktur, die dabei zum Einsatz kommt, hat mit der von klassischen Netzbetreibern aufgebauten Technologie wenig gemein. SigFox-Endgeräte kommunizieren über die Luftschnittstelle mit einem vom Netzbetreiber zur Verfügung gestellten Server. Die Applikationslogik muss mit diesem interagieren: Interfaces wie das Aufrufen von REST-URLs ermöglichen die Verbindung zwischen der hauseigenen und der zur Verfügung gestellten Infrastruktur.

Der Vorteil ist, dass auf Seiten der hauseigenen Applikationen nur wenig SigFox-Spezifisches erforderlich ist. Es reicht aus, auf aus dem Big-Data-Bereich bekannte Interfaces zurückzugreifen und die von Netzbetreiber bereitgestellten Server einzubinden. Diese kümmern sich dann um die Weiterleitung der Informationen über die Luftschnittstelle. Ein weiterer Vorteil der zentralisierten Architektur ist, dass der Erwerb des Diensts über die URL "https://buy.sigfox.com/buy/" erfolgt. Das SigFox-Standardisierungsgremium stellt dabei indes nur eine "Kopf-Organisation" dar, der Betrieb der Netze erfolgt durch Subunternehmen. Die in verschiedenen Ländern anfallenden Kosten sind deshalb unterschiedlich hoch.

Die einfache Verwaltung erkauft sich der Nutzer mit einem systemischen Risiko. Im Jahr 2022 sorgten finanzielle Probleme der SigFox-Mutterorganisation dafür, dass das Unternehmen vor dem Bankrott stand. Obwohl eine Rettung gelang, gehen hochzentralisierte Systeme mit wirtschaftlichen Risiken einher. Im Fall von NB-IoT, LTE-CAT M1 und Co. wäre die Situation einfach: Stirbt Netzbetreiber A, so ist Netzbetreiber B glücklich, gestrandete Kunden aufzunehmen.

LoRa und LoRaWAN ohne Netzbetreiber

Semtech entschied sich bei LoRA für eine andere Vorgehensweise: Nach der Patentierung der Luftschnittstelle erhielten die Entwickler freie Hand. Die einfachste LoRa-Übertragung entsteht aus der Koppelung zweier Platinen – wer zwei der Platinen besitzt, kann eine Funkstrecke errichten. Analog zu SigFox arbeitet LoRa in den lizenzfreien ISM-Bändern.

Die maximale Übertragungsgeschwindigkeit variiert zwischen wenigen Bit bis zu einigen KBit/s. Die praktische Geschwindigkeit hängt von mehreren Faktoren ab und lässt sich mit dem unter [5] bereitstehenden Rechner ermitteln. Die Reichweite beträgt im Freien mehr als zehn Kilometer – Gebäude und Co. bewirken eine Abschwächung des Signals.

Verwirrend ist, dass mit LoRa und LoRaWAN zwei ähnlich klingende, aber dennoch verschiedene Technologien existieren. Am einfachsten lässt sich der Unterschied visualisieren, wenn Sie sich LoRA als "LoRA PHYsical" merken. Dieser Standard spezifiziert die Hardwareschnittstelle, die im OSI-Schichtenmodell unten anzutreffen ist. LoRaWAN beschreibt darüber liegende Protokolle, die vollwertige Netze realisieren.

Auf Basis der LoraWAN-Technologie spezifiziert die LoRa Alliance unter [6] unterschiedliche Betriebsarten. LoRaWAN Private Networks sind private, von Firmen oder Organisationen betriebene Netzwerke. Wichtiges Kriterium ist, dass derartige Netze keine Gebühren von Drittnutzern erheben. Auf der anderen Seite stehen Provider, die die Nutzung ihrer Netzwerke gegen ein Entgelt anbieten. Derartige Anbieter, die auch Mitglied des Standardisierungsgremiums sind, werden als LoraWAN Public Network Operator bezeichnet.

Mit der "Net ID" bietet LoRaWAN dabei eine Möglichkeit zum Roaming zwischen unterschiedlichen Netzen. Das Netz A kann bei korrekter Konfiguration die Pakete in Richtung Netz B weiterleiten, wenn dieses geographisch nicht erreichbar ist. Angemerkt sei, dass sich im LoRA-Bereich eigenständige Netzbetreiber etabliert haben. Ein populäres Beispiel dafür ist "The Things Network" – dieser Anbieter ist erfolgreich genug, um regelmäßig gut besuchte Entwicklerevents abzuhalten.

Energielose Vernetzung mit EnOcean

Obwohl SigFox, LoRa und Co. mit wenig Energie auskommen, geht jede Batterie irgendwann zur Neige. Der von Siemens entwickelte Standard EnOcean begegnet diesem Problem durch Energy Harvesting. Die Systeme beziehen die für den Betrieb der Funkschnittstelle benötigte Energie aus der Umgebung. Die einfachste Implementierung ist ein Schalter, der eine Alarmklingel aktiviert. Im Fall der Klingel gilt, dass das Aussenden der Warngeräusche über eine separate Einheit erfolgt. Der Tastendruck liefert nicht ausreichend Energie für den Betrieb eines Lautsprechers – die fehlende Energie holt sich der in Bild 3 gezeigte Empfänger aus dem Netz.

Beim Deployment von EnOcean ist zu beachten, dass es aufgrund geographischer Unterschiede im Bereich der ISM-Bänder Varianten der Technologie gibt. Spezifischerweise gibt es derer drei, die für Europa, Nordamerika oder Japan zugelassen sind. Dies ist von Relevanz, wenn Sie auf Preissuchmaschinen wie OEMSecrets zurückgreifen. Erwischen Sie das falsche EnOcean-Peripheriegerät, gibt es Kompatibilitätsprobleme.

Ärgernis Nummero zwei ist das Einsammeln der Informationen. Wer nicht auf eine geschlossene Signalkette setzt, benötigt einen Receiver, der die übertragenen Informationen entgegennimmt. Werkzeug der Wahl sind hier USB-Sticks wie der von EnOcean angebotene "USB 300". Er verbindet sich mit einer Workstation und exponiert eine bidirektionale Funkschnittstelle. Sofern Sie zum Entgegennehmen von Nachrichten befähigte Systeme haben, lassen sich diese ebenfalls ansprechen. Drittens sei angemerkt, dass Eigenentwicklungen auf EnOcean-Basis nicht empfehlenswert sind – EnOcean bietet unter [7] eine Übersicht schlüsselfertiger EnOcean-Produkte an.

802.11-Derivate abseits von klassischem WLAN

Die hinter dem WLAN-Standard stehende Wi-Fi Alliance reagiert auf das Aufkommen des Internets der Dinge mit geringem Erfolg. Bisher erfuhren die diesbezüglichen Spezifikationen von Modulherstellern nur wenig Aufmerksamkeit. Die erfolgreichste Variante ist das als IEEE 802.11ah bezeichnete Wifi HaLow. Es handelt sich um eine WLAN-Variante, die im lizenzfreien 900-MHz-Band arbeitet und ob ihres geringen Energieverbrauchs mit anderen IoT-Protokollen zu konkurrieren sucht. Der Standard wird von Funkmodulherstellern seit einiger Zeit unterstützt.

Mit dem Modell AP-100AH [8] steht ein entsprechender Access Point zur Verfügung. Der Hersteller verspricht eine Reichweite von bis zu drei Kilometern und eine Unterstützung von bis zu 675 Clients. Zu beachten ist, dass Wifi HaLow ob der unterschiedlichen Frequenzbänder das Deployment neuer Hardware erforderlich macht.

Der IEEE-802.11af-Standard – in der Literatur finden sich für ihn auch die Bezeichnungen White-Fi und Super Wi-Fi – wurde von Herstellern bisher fast komplett ignoriert. Er ist eine WLAN-Variante, die ungenutztes Spektrum, beispielsweise im TV-Bereich, nutzen will. Ob des Fehlens von Funkmodulen ist die Bedeutung des Systems jedoch gering.

ZigBee mit Fokus auf Mesh-Netzwerke

ZigBee ist ebenfalls in den zuvor besprochenen ISM-Bändern zuhause. Der wichtigste Unterschied zu Bluetooth ist, dass das System von Anfang an als Mesh-Netzwerk vorgesehen war. Dies sind Funksysteme, in denen Knoten zur Übertragung von Informationen über lange Strecken zusammenarbeiten. Zu beachten ist, dass das mit einer geringen Maximaldatenrate arbeitende Protokoll geographische Stabilität voraussetzt. Ändern die Teilnehmer ihre Position schnell beziehungsweise häufig, ist die Effizienz des Meshing-Verfahrens nicht gegeben.

Für ZigBee spricht das sehr einfache Analog-Frontend, das eine Reduktion der Kosten der Hardware ermöglicht. Hervorzuheben ist außerdem, dass das System zwei Arten der Datenrepräsentation zur Verfügung stellt. Verfahren Nummer eins ist der Key-Value Service – er realisiert einen an Bluetooth LE erinnernden Eigenschaftenspeicher. Methode Nummer zwei wird als Message Service bezeichnet – ein an TCP-Sockets erinnerndes Kommunikationsprotokoll, das das direkte Austauschen von Nachrichten zwischen Endstellen ermöglicht.

Thread bietet IPv6 auf der Luftschnittstelle

Das Übertragen von Informationen verursacht per Definition Energieverbrauch. Viele für das Internet der Dinge vorgesehene Funkstandards nutzen deshalb kompaktere Adressen. Doch was Funkzeit spart, erweist sich bei der Integration von IPv6 als Problem. Mit Thread steht ein neuer Standard am Start, der bis zum Endgerät auf IPv6 setzt. Im Bereich der Funkschnittstelle kommt dabei das unter anderem von ZigBee bekannte und im 2,4-GHz-Band funkende IEEE 802.15.4 zum Einsatz; die eigentliche Adressierung erfolgt schon auf Protokollebene unter Nutzung von IPv6.

Thread ist quasi quelloffen, doch wer die Spezifikation herunterladen möchte, wird mit einer EULA konfrontiert, die das Ausliefern von Thread-Geräten ohne kostenpflichtige Mitgliedschaft in der Thread-Spezifikationsgruppe untersagt. Angemerkt sei, dass sich Thread aufgrund der Unterstützung von Google und Apple im Markt sehr gut implementiert hat. Unter [9] findet sich eine quelloffene Implementierung des Protokolls. Dort findet sich auch eine Auflistung von Thread-zertifizierten Produkten, die mittlerweile Dutzende von Geräten aller Herren Hersteller umfasst.

Z-Wave – IPv6 für das Internet der Dinge

Das vor allem von Silicon Labs vorangetriebene Z-Wave verdient Aufmerksamkeit, weil mit dem 2016 gestarteten "Z-Wave Certified Installer Training"-Programm ein Projekt zur Verfügung steht, das Anbieten von Hausautomatisierungssystemen eine "Zertifizierung ihrer Kompetenzen" ermöglicht. Aus diesem Grund hat sich das System im Smart-Home-Bereich mittlerweile erheblichen Marktanteil gesichert.

Außerdem gilt, dass es sich aufgrund der Verfügbarkeit von IP auf Protokollebene zur Integration in das nachfolgend besprochene Matter eignet. Ansonsten handelt es sich bei Z-Wave um ein gewöhnliches Protokoll, das wie die meisten anderen in diesem Artikel besprochenen Kandidaten im ISM-Band arbeitet. Interessant ist dabei die Entscheidung für das 900-MHz-Band, um Kollisionen mit Bluetooth-Geräten zu vermeiden.

Matter als IoT-Kommunikationsstandard

Besteht in einem Markt Diversität, tritt über kurz oder lang eine gewisse Vereinheitlichung auf. Ein Beispiel wäre das Framework QT, das das Ansprechen verschiedener Benutzeroberflächen aus einer Codebasis heraus ermöglicht. Mit Matter ist ein ähnliches System am Start: Es ist eine auf den oberen Schichten des OSI-Modells implementierte Technologie zum Vernetzen von Geräten verschiedener Anbieter. Matter hält sich komplett aus der physikalischen Luftschnittstelle heraus.

Am wichtigsten ist für die Arbeit mit Matter ein als "Border Router" bezeichnetes Gerät: Ein System, das Luftschnittstellen wie Thread oder ZWave auf der einen Seite und TCP/IP auf der anderen Seite anbietet. Diese Brücke hebt die individuellen Geräte dann in das Matter-Netz. Auf den Endgeräten ist die Datenstruktur realisiert: Der Hintergedanke ist, dass Hersteller die Spezifikationen implementieren, was die Zusammenarbeit von Geräten aus verschiedenen Häusern erleichtert.

Ein weiterer Punkt bei der Arbeit mit Matter betrifft die Zertifikation: Die Standardisierungsdokumente selbst stehen unter der Apache-Lizenz. Wer ein Matter-Produkt auf den Markt bringen möchte, muss dieses von der CSA zertifizieren lassen: Dabei fallen, ganz analog zu Bluetooth SIG und Co., erhebliche Kosten an, denn die Zertifizierung kann einige Tausend Euro kosten. Wer rechtlich gut aufgestellt ist und einen Kampf nicht scheut, mag auf eigene Verantwortung versuchen, die Zertifizierung zu umgehen [10].

Fazit

Abschätzungen zu Aufwand und Kosten verschiedener Funkschnittstellen lassen sich anhand der hier besprochenen Methoden auch ohne große Kenntnisse im Bereich Elektronik anstellen. Anzumerken ist allerdings, dass die Stärken und Schwächen einer bestimmten Luftschnittstelle nur einen Teil der Entscheidungsmatrix darstellen. Weitere Faktoren wie die vor Ort verfügbare Kompetenz und die Eignung der vom Ökosystem angebotenen Sensoren und Aktoren für den spezifischen Anwendungszweck spielen eine ebenso gewichtige Rolle.

IoT-Funk abseits von WiFi und Bluetooth LE