Wireless: Funken im Internet of Things

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Im Internet of Things sollen künftig alle Gegenstände und Geräte mit dem Nutzer und vor allem auch untereinander kommunizieren. Weltweit kämpfen etablierte Funkstandards wie Wifi und Bluetooth, aber auch neuere Verfahren wie ZigBee, Z-Wave, Enocean und Sigfox um Marktanteile.

Ob Gebäudeautomation, Connected Car oder Wearable: Im Internet of Things (IoT) werden immer kleinere und leistungsfähigere Computerchips und Sensoren in die Geräte eingebettet. Damit sie kommunizieren können, sind Funkverfahren erforderlich, die niedrige Leistungsaufnahmen haben, hohe Datenraten erreichen, geringere Latenzen aufweisen und in kritischen Infrastrukturen Informationen sicher und zuverlässig übertragen.

WiFi, Low-Power WiFi und Passive WiFi

Zu den am weitesten verbreiteten Funkstandards für lokale Netzwerke gehört WiFi bzw. WLAN (Wireless Local Area Network). Hohe Übertragungsraten bis zu nominell 600 MBit/s mit 802.11n und hohe Sicherheit sind die Vorteile. Der Funkstandard empfiehlt sich für Breitband-Anwendungen, die schnelle Datenübertragung benötigen. WLAN ist jedoch sehr energieintensiv, eignet sich für batteriegetriebene Geräte damit weniger. Für Embedded-Anwendungen wurde die stromsparende Variante Low-Power WiFi (IEEE 802.11ah) entwickelt. Wie Sensoren, Aktoren und Kleingeräte ganz ohne eigene Stromversorgung per WLAN funken können, fanden unlängst Forscher der University of Washington heraus: Das Verfahren Passive WiFi macht sich die Tatsache zunutze, dass Antennen Funkwellen in Energie umwandeln und einen Teil der Wellen auch reflektieren können (Backscatter Communication). Bauteile mit Passive WiFi sind in der Lage, auf den reflektierten Wellen Daten zu senden. In Tests wurden Daten mit bis zu 11 MBit/s über eine Distanz von 30 Metern verschickt. Der Energiebedarf dafür betrug um die 60 Mikrowatt – ein Tausendstel dessen, was ZigBee oder Bluetooth LE benötigen würden, und 10.000-mal weniger als beim herkömmlichen aktiven WiFi. Wann Passive WiFi marktreif sein wird, ist offen.

Ad-Hoc-WLANs für Car2Car und Car2X

Der WLAN-Standard IEEE 802.11p (ETSI ITS-G5 oder IEEE 1609 WAVE) lässt sich für die Kommunikation von Fahrzeugen untereinander (Car2Car) und mit der Verkehrsinfrastruktur (Car2X) nutzen. Sobald ein Auto den WLAN-Funkraum eines anderen Fahrzeugs erreicht, kann es automatisch ein lokales Funknetz mit ihm aufbauen und bei einem Unfall, Glatteis oder Stau Warnhinweise an andere Verkehrsteilnehmer funken. Es formieren sich dynamische Ad-Hoc-Netzwerke, in denen die Fahrzeuge als Sender, Empfänger und WLAN-Router fungieren. Je mehr Autos sich dem Ad-Hoc-WLAN anschließen, desto größer sind Reichweite und IP-Datendurchsatz. Mit Multi-Hopping sind selbst bei hohem Fahrtempo Datenübertragungen mit bis zu 6 MBit/s möglich. Um flächendeckende Verkehrsinformationen zu realisieren, brauchen lediglich zehn Prozent der Fahrzeuge per WLAN zu kommunizieren, schätzen Experten. Alternativ kann die Datenübertragung per Mobilfunk erfolgen – heute per LTE und künftig mit 5G mit 10 GBit/s.

ZigBee 3.0, ZigBee Green Power und ZigBee RF4CE

EnOcean nutzt für Energy-Harvesting-Anwendungen in Gebäuden ein eigenes Funkverfahren mit extrem niedrigen Energieverbrauch.
EnOcean nutzt für Energy-Harvesting-Anwendungen in Gebäuden ein eigenes Funkverfahren mit extrem niedrigen Energieverbrauch.

Im Bereich Gebäudeautomation konkurrieren Funkstandards wie ZigBee, Z-Wave und Enocean. ZigBee wurde für kleine Embedded-Geräte entwickelt, die kleine Datenmengen langsam und auf kurze Distanzen übertragen. Aufgrund des sehr niedrigen Strombedarfs werden die Akkus geschont und Batterien müssen nicht ständig ausgetauscht werden. ZigBee kommt hauptsächlich in Funksensor-Controller-Netzwerken zum Einsatz, etwa bei Beleuchtung, Heizung und Sicherheitstechnik. Mesh-Networking (vermaschte Netze) sorgt für eine größere Reichweite, denn jeder Knoten im Netzwerk kann als Repeater fungieren und das Signal auffrischen – die strengen Sicherheitsprotokolle von ZigBee sind dabei von Vorteil. Ein weiteres Plus: die kurzen Latenzzeiten. Die Niedrigenergievariante ZigBee Green Power wurde für Geräte konzipiert, die die Energie für ihren Betrieb aus der Umwelt ernten (Energy-Harvesting). Green Power eignet sich für Geräte, die nur gelegentlich mit dem Netzwerk verbunden sind wie Lichtschalter, und ermöglicht sicheres Ein- und Ausschalten über das Netzwerk. Der ZigBee-Ableger RF4CE hat einen geringen Stromverbrauch und bietet eine geringe Latenz von 30 Millisekunden.

Industrietauglich Funken mit Jupiter Mesh

Speziell für das Industrielle Internet der Dinge (IIoT) hat die ZigBee Alliance einen Standard entwickelt, der auf 868 MHz (Europa), 915 MHz (Amerika) und 2,4 GHz funkt: Jupiter Mesh – auch Neighborhood Area Network (NAN) genannt. Das energieeffiziente Funkverfahren soll Batteriebetrieb über viele Jahre ermöglichen, hat höhere Datenraten, eine geringere Latenz und erfüllt die hohen Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit in Industrie-Infrastrukturen. Jupiter Mesh adressiert Energieversorger (Smart Grid) und Smart Cities.

Z-Wave und Enocean

Z-Wave zielt wie ZigBee auf die Vernetzung im Bereich Hausautomatisierung ab. Der Funkstandard ist stabil und hat ein hohes Sicherheitsniveau. Vermaschte Netzwerke erhalten die Kommunikation zwischen Geräten und Steuerungszentrale auch dann aufrecht, wenn ein Endgerät ausfällt. In Europa funkt Z-Wave im 868MHz-ISM-Band. Der Oberhachinger Hersteller EnOcean nutzt für Energy-Harvesting-Anwendungen in der Gebäude- und Industrieautomation den eigenen Funkstandard Enocean. Batterielose Schalter und Sensoren funken damit auf 868 MHz in Europa, 902 MHz in Nordamerika und 928 MHz in Japan. Das Verfahren zeichnet sich durch extrem niedrigen Energieverbrauch aus. Ein Funklichtschalter mit Piezo-Harvester bezieht aus der Bewegungsenergie des drückenden Fingers genug Energie, um den Befehl „Ein“ oder „Aus“ zur Lampe zu funken. IBM und EnOcean bieten ein IoT-Kit für intelligente Gebäude mit EnOcean-Technologie und IBM Watson IoT-Plattform an.

Kurzstreckenkommunikation per Bluetooth

Bluetooth ist wie WLAN ein Funkstandard mit sehr hohem Verbreitungsgrad. Nahezu jedes halbwegs aktuelle Mobilgerät verfügt über eine Bluetooth-Schnittstelle. Im kommenden Jahr sollen es mehr 6,3 Milliarden Geräte sein. Bluetooth etablierte sich als Punkt-zu-Punkt-Kabelersatz-Verbindung. Die Funktechnik ist auf die Datenübertragung zwischen Geräten auf kurze Distanz ausgelegt und hat sich als Standard für Personal Area Networks rund um das Smartphone etabliert. Buetooth ist für kleinvolumige Anwendungen mit niedrigem Bandbreitenbedarf wie Telefonate oder die Übertragung von Sound-Files und Wearable-Daten gedacht. Die großen Schwächen von Bluetooth: die sehr kurze Reichweite und niedrige Datenraten. Für die Interoperabilität verschiedener Funkstandards auf auf Basis von IPv6 sorgt die Software-basierte Lösung Thread. Sie ermöglicht es, Bluetooth, WLAN oder WPAN und 6LoWPAN parallel innerhalb eines Steuerungssystems zu nutzen.

Bluetooth Low Energy

Die Niedrigenergie-Variante Bluetooth Low Energy (BLE) – auch Bluetooth Smart genannt – soll Bluetooth fit für das Internet der Dinge machen. Wegen seines äußerst niedrigen Stromverbrauchs und kürzerer Latenzzeiten eignet sich BLE für Industrieanwendungen. Im Smart-Home-Bereich ist BLE durch iBeacons für die Indoor-Navigation populärgeworden. Mit einem Datendurchsatz von 100 KBit/s ist es allerdings erheblich langsamer als das klassische Bluetooth mit 2,1 MBit/s. Da Sensoren aber ohnehin nur kleine Datenmengen produzieren, reicht die Geschwindigkeit. Ein weiteres Plus ist die höhere Datensicherheit mit AES-128-Verschlüsselung. Zudem soll die Geschwindigkeit verdoppelt und Reichweite vervierfacht werden – ohne dass der Energieverbrauch ansteigt. Über Bluetooth Mesh-Networking sollen sich Bluetooth-Geräte zu Netzwerken verbinden, die ganze Gebäude abdecken.

LoRa und Sigfox für Low-Power-WANs

Im Jahr 2020 sollen Low Power Wide Aera Networks (LPWANs) über ein Viertel des gesamten IoT-Connectivity-Markts abdecken, prognostieren die Marktforscher von Beecham. In LPWANs werden kleine Datenvolumen über weite Distanzen übertragen. Eine strom- und kostenintensive Breitbandverbindung ist dafür nicht erforderlich. Gefragt sind vielmehr Funktechniken mit hoher Reichweite und niedrigem Energiebedarf. Zu den bekanntesten LPWAN-Techniken gehören LoRa und SigFox. Während LoRa von Semtech auf der Chirp-Spread-Spektrum-Technik basiert, ist Sigfox eine Narrowband-Technik mit dem Modulationsverfahren BPSK. Beide haben eine niedrige Leistungsaufnahme, überbrücken großen Distanzen, erreichen eine hohe Durchdringung in Gebäuden, unterstützen bidirektionale Kommunikation und sind kostengünstig. Sigfox lizensiert seine Technik an große Netzwerkbetreiber. Chip und Funkmodul sollen zudem über Elektromärkte wie Conrad angeboten werden. Semtech lizenziert LoRa an Chiphersteller wie Microchip. Halbleiter-Distributor Avnet Silica bietet für eigene IoT-Lösungen Module für Sigfox und LoRa an.

NB-LTE für Narrow Band IoT

Für schmalbandige LPWAN-Funktechnologien, die auf große Reichweite, hohe Gebäudedurchdringung, niedrige Datenraten und geringen Energieverbrauch ausgelegt sind wie sie etwa beim Smart Metering oder Güter-Tracking erforderlich sind, hat das weltweite Mobilfunk-Standardisierungsgremium 3rd Generation Partnership Project (3GPP) den Begriff Narrow Band IoT (NB-IoT) geprägt. Als Standard für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation über das LTE-Netz etablierte sich Narrow Band LTE (NB-LTE), eine optimierte Variante der 4G-Mobilfunk-Technik LTE. Der Standard lässt sich in bestehende LTE-Netze integrieren und arbeitet mit aktuellen LTE-Bändern. Zu den Treibern der neuen Technologie gehören Branchengrößen wie die Deutsche Telekom, die mit ihrer Netzinfrastruktur bereits über die wesentlichen Voraussetzungen für die Inbetriebnahme von NB-IoT verfügt, sowie Chiphersteller Intel, der Funkchips für NB-LTE entwickelt. Nokia und Ericsson stellen Netzwerk-Upgrades zur Verfügung, die bestehenden LTE-Netze um NB-LTE erweitern.

Was kommt nach WLAN, Bluetooth und Co?

Bestehende Funktechnologien stoßen im Industriellen Internet of Things an ihre Grenzen. Ob WiFi, Bluetooth oder ZigBee: Keine der bestehenden Lösungen erreicht die in Industrieanlagen erforderlichen Übertragungsraten und Reaktionszeiten und erfüllt gleichzeitig die hohen Sicherheitsanforderungen. Zudem kann sich die Vielzahl der Funksysteme gegenseitig behindern. „Im schlimmsten Fall führt das zu kostspieligen Produktionsausfällen“, sagt Uwe Meier, Hochfrequenztechnik-Experte am Institut für industrielle Informationstechnik (inIT) in Lemgo. Benötigt werde „ein Funksystem mit einem aufeinander abgestimmtem, durchgängigen Design der Kommunikationsschichten.“ Das inIT hat daher die Entwicklung eines komplett neuen industriellen Funkstandards in Angriff genommen, der bisherige Funktechnologien ersetzen soll: Das Projekt HiFlecs steht für „hochperformante, sichere Funktechnologien und deren Systemintegration in zukünftige industrielle Closed-Loop-Automatisierungstechniken“. Kognitive Funksysteme erkennen die Präsenz anderer Systeme und regulieren sich selbst. „In einer Gruppe mit vielen Gesprächspartnern setzt man am besten einen Moderator ein, der das Gespräch führt, also die Reihenfolge der Redebeiträge festlegt und eingreift wenn jemand zu fordernd ist. Im Grunde machen wir das auch mit unseren Funksystemen“, erklärt Meier.

IoT-Funkstandards im Vergleich

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1) Der Buchstabe bezeichnet die Geschwindigkeit und die Frequenz des Netzwerks.

2) 2,5-GHz-Wi-Fi reicht weiter als 5-GHz-Wifi. Die Reichweite lässt sich zudem mit Antennen erhöhen.

 

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