Netzwerke im IoT Auswahl des richtigen Übertragungs-Protokolls

Millionen von Geräten im IoT müssen miteinander kommunizieren. Zur Datenübertragung gibt es verschiedene LPWAN-Protokolle mit entsprechenden Vor- und Nachteilen. Aber welches Protokoll eignet sich für welche Anwendung?

Das Internet of Things (IoT) wächst stetig weiter und daraus hervorgehende Technologien versprechen eine vernetzte Welt. Eine vernetzte Verkehrsinfrastruktur (am Land, am Wasser und  in der Luft) sowie Telekommunikationsnetze (drahtlos oder drahtgebunden) bieten verschiedene Möglichkeiten, über die man sich bei Bedarf mit anderen Menschen an jedem Ort der Erde verbinden kann. All das wird zum Beispiel genutzt, um Kunden persönlich zu treffen, mit Kollegen in anderen Ländern über eine Festnetz- oder VoIP-Plattform zu sprechen oder eine Videokonferenz für Teilnehmer aus verschiedenen Zeitzonen zu veranstalten. Ebenso wird es eine Reihe von Netzwerktechnologien geben, die für das Vernetzen von Millionen von IoT-Geräten nach ihren individuellen Funktionskriterien nutzbar sind.

Obwohl der Einsatzzweck von IoT-Geräten sehr unterschiedlich sein kann, lassen sich ihre Vernetzungs-Anforderungen auf vier Elemente eingrenzen:

  1. Sie müssen (in den meisten Fällen) drahtlos sein.
  2. Sie sollten eine große Reichweite haben (bis zu 5 km in städtischen Gebieten und zwischen 10 km und 40 km in ländlichen Gebieten).
  3. Sie sollten eine niedrige Leistungsaufnahme haben (damit Batterien mehr als 5 Jahre, vielleicht sogar bis zu 10 Jahre halten).
  4. Einsatz und Wartung der Geräte müssen kostengünstig sein.

IoT Analytics prognostiziert, dass die weltweiten IoT-Verbindungen von 7 Mrd. im Jahr 2018 auf 15,8 Mrd. im Jahr 2023 anwachsen. Low Power Wide Area Networks (LPWANs) werden dabei 1,15 Mrd. angeschlossene Geräte umfassen. IDTechEx Research geht mittlerweile davon aus, dass im Jahr 2029 2,7 Mrd. LPWAN-IoT-Verbindungen in Betrieb sind.

LPWAN-Protokolle

Der Beitrag befasst sich mit LPWAN-Varianten, die bei der Datenübertragung die Lücke zwischen drahtlosen Verbindungen mit geringer Reichweite (Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee) und energieintensiven Mobilfunknetzen (2G, 3G und 4G) schließen. Zu den bekannteren Varianten gehören Sigfox, LoRa und Weightless. Außerdem geht der Beitrag auf Narrowband-IoT (NB-IoT) ein, das auf dem LTE-Protokoll basiert und sowohl in GSM- als auch in LTE-Netzen betrieben werden kann. Es unterstützt jedoch ebenso die bidirektionale Übertragung kleiner Datenmengen bei geringer Leistungsaufnahme.

Sigfox

Sigfox wurde 2009 von der gleichnamigen französischen Firma entwickelt und arbeitet auf dem nicht lizenzierten, industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen (ISM) Frequenzband mit 868 MHz in Europa, 915 MHz in Nordamerika und 433 MHz in Asien bei einer Bandbreite von 100 MHz. Es wurde als Lightweight Protocol auf das Verarbeiten von Nachrichten mit begrenzter Größe zugeschnitten. Sigfox überträgt kleine Datenmengen (je nach Region 100 bps oder 600 bps) mittels Binary Phase Shift Keying (BPSK)-Modulation. Es ist bidirektional, hat jedoch eine tägliche Upload-Beschränkung von 140 Nachrichten mit je 12 Byte und eine Download-Beschränkung von vier Nachrichten mit je 8 Byte. Im Jahr 2014 wurde es in Frankreich landesweit eingeführt – 60 Länder sind derzeit abgedeckt.

Beispielsweise unterstützen die ATA8520-Single-Chip-HF-Transceiver von Microchip Technology mit 868 MHz Sigfox – und sind mit jeder Host Mikrocontroller Unit (MCU) kombinierbar. Sie vereinen HF-Frontend und Controller-Technik in einem Chip (Bild 1) mit geringer Leistungsaufnahme von 32,7 mA bei 14,5 dBm Ausgangsleistung und 5 nA im Aus-Zustand.

LoRa

Low Range (LoRa) wurde in Frankreich entwickelt und 2009 von Cycleo SAS patentiert. 2012 wurde das Unternehmen von Semtech übernommen. LoRa nutzt das öffentliche ISM-Band mit den gleichen Frequenzen wie Sigfox, jedoch mit einer Bandbreite von 125 und 250 kHz und einer Datenübertragungsrate von bis zu 50 kbps (unterstützt 243-Byte-Nachrichten pro Richtung) mittels Chirp Spread Spectrum (CSS)-Modulation. Zudem unterstützt LoRa eine End-to-End-Verschlüsselung nach AES-128. Die LoRa Alliance hat im Jahr 2015 Low Range Wide Area Networks (LoRaWAN) als Standard-LORA-Protokoll etabliert, das bis heute in 100 Ländern zum Einsatz kommt.

Einziger Anbieter von in LoRa-Netzwerken eingesetzten ICs ist Semtech. Der digitale Basisband-Chip SX1301 wurde für intelligente Stromzähler, Sicherheitssensoren und Überwachungs-Schaltungen in der Landwirtschaft entwickelt und ermöglicht das Erstellen von LoRaWAN-Makro-Gateways für den Outdoor-Bereich (Bild 2). Er verfügt über eine integrierte LoRa-Konzentrator-IP. Hierbei handelt es sich um einen Mehrkanal-Hochleistungstransceiver, der so ausgelegt ist, dass er mehrere LoRa-Pakete gleichzeitig unter Verwenden zufälliger Spreizfaktoren auf zufälligen Kanälen empfängt. Er ermöglicht eine gute Verbindung zwischen einer zentralen Datenbank und vielen Endpunkten, die über sehr große Entfernungen verteilt sind. Er bietet außerdem Dual-Band-Betrieb, dynamische Datenratenanpassung (DDR) und zehn programmierbare, parallele Demodulationspfade.

Murata ist ein wichtiges Mitglied der LoRa-Allianz und hat kompakte, stromsparende »ABZ LoRa Wireless-Module« für intelligente Stromzähler, Wearables und Warenverfolgung auf den Markt gebracht. Die 12,5 x 11,6 x 1,76 mm großen Bauteile sind in metallgeschirmten Gehäusen untergebracht und enthalten jeweils einen SX1276 Ultra Long Range Spread Spectrum Wireless Transceiver von Semtech und einen Arm-Cortex M0+ 32-Bit-MCU der Baureihe STM32L0 von STMicroelectronics (mit 192 kB Flash-Speicher und 20 kB RAM).

Zum Aufbau eines LoRa-Netzwerks sind drei Dinge erforderlich: ein Gateway, mindestens ein Knoten sowie ein lokaler Server zum Überwachen aller angeschlossenen Geräte. Bei den LoRa/LoRaWAN 868 MHz- und 915 MHz-Gateways von Seeed Studio handelt es sich um Wireless-Anwendungen mit großer Reichweite. Die Kits enthalten alle grundlegenden Bausteine, einschließlich Raspberry Pi 3, Seeeduino LoRaWAN mit GPS sowie 10-Kanal-Gateway und lokalem Server zum Sammeln und Übertragen von Daten zwischen allen LoRa-Knoten. Ingenieure können Prototypen in wenigen Minuten bauen, indem sie das Gateway mit Seeeduino LoRaWAN- und Grove-Modulen verbinden.

Weightless

Der offene Weightless-Standard wurde von der in Cambridge ansässigen gemeinnützigen Weightless Special Interest Group (SIG) entwickelt, arbeitet im unlizenzierten Sub-1-GHz-Spektrum und bietet drei verschiedene Versionen: Weightless-W, Weightless-N und Weightless-P. Weightless-W nutzt den »weißen Raum« oder ungenutzte lokale Frequenzen im lizensierten TV-Band. Weightless-N verwendet das unlizenzierte Ultraschmalband-Protokoll, das auf der unidirektionalen Technik von NWave basiert. Weightless-P arbeitet im gesamten unlizenzierten Sub-1-GHz-ISM/SRD-Band, verwendet FDMA- und TDMA-Modulation im 12,5 kHz Schmalband und bietet eine adaptive Datenrate (von 200 bps bis 100 kbps). Weightless unterstützt AES-128/256-Verschlüsselung und -Authentifizierung sowohl des Endgerätes als auch des Netzes.

Narrowband IoT

Narrowband IoT (NB-IoT) wurde vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) im Jahr 2016 (Release 13) standardisiert, kann über lizenzierte GSM- und LTE-Mobilfunknetze betrieben werden und bietet eine niedrige Leistungsaufnahme. Es arbeitet mit einer Bandbreite von 180 kHz und einer Datenrate von 50 kbps (Upload/Download) mit 1,6 kB Nachrichten. Die NB-IoT-Technik ist noch immer in der Implementierungsphase.

Im Juli 2018 startete T-Mobile in den USA den ersten landesweiten NB-IoT-Netzdienst, während AT&T den Ausbau seines NB-IoT-Netzes in ganz Nordamerika noch in diesem Jahr plant. Das europäische NB-IoT-Netz von Vodafone umfasst 10 verschiedene Länder (Niederlande, Großbritannien, Tschechische Republik, Irland, Deutschland, Griechenland, Italien, Spanien, Ungarn und Rumänien), die Türkei kommt gerade hinzu.

Das richtige Protokoll

Die Auswahl der geeigneten LPWAN-Technik hängt von mehreren Faktoren ab:

  • Netzreichweite- und -abdeckung
  • Energieeffizienz
  • Latenzzeit
  • Quality-of-Service (QoS)
  • Skalierbarkeit
  • Kosten

Anwendungen in der Landwirtschaft erfordern eine lange Batterielaufzeit bei sehr geringen Datenübertragungsraten. Da jedoch die Standorte in der Regel außerhalb der aktuellen LTE-Abdeckungsgebiete liegen, sind Sigfox und LoRa wahrscheinlich die geeigneteren Optionen. Für das Überwachen von Maschinen in Fabriken in Echtzeit sind verschiedene Sensoren mit unterschiedlichen Kommunikationsanforderungen nötig. Wo WLAN oder Ethernet nicht verfügbar sind, ist NB-IoT in der Lage, die Anforderungen an Kommunikationshäufigkeit und hohe QoS zu erfüllen.

Für die Warenverfolgung oder die Zustandsüberwachung sind kostengünstige Sensoren mit langer Batterielaufzeit erforderlich. Hier sind LoRa und Sigfox am besten geeignet. Für Objekte, die sich bewegen (zum Beispiel Lastwägen, Tankwägen oder Paletten), ist LoRa jedoch zuverlässiger. LoRa und Sigfox eignen sich (je nach Abdeckung und Durchdringung der Innenräume) ebenso beim Überwachen von intelligenten Gebäuden, die keine hohe QoS oder häufige Kommunikation erfordern.

Angesichts verschiedener Dynamiken müssen Designer für viele IoT-Anwendungen eine hybride LPWAN-Anwendung entwickeln. Das STEVAL-FKI001V1 von STMicroelectronics ist ein Entwicklungs- und Prototyping-Werkzeug, das Systemdesigns auf Basis von Sigfox, Bluetooth Low Energy (BLE) und Sub-1-GHz ermöglicht. Das Entwicklungs-Kit enthält ein voll programmierbares WS2118-Modul von Jorjin, in das das System-on-Chip (SoC) BlueNRG-1 für die BLE-Funktion und der S2-LP-Transceiver für die Sub-1-GHz-Funktionen eingebettet sind. Sein niedriger aktiver HF- und MCU-Strom sowie die geringe Leistungsaufnahme im Low-Power-Modus gewähren eine verbesserte Batterielaufzeit und ermöglichen den Betrieb mit Knopfzellenbatterien oder über Energy Harvesting. Kompatibel ist das Kit mit Arduino Shield Boards mit MEMS-Bewegungssensoren, Umgebungssensoren und Time-of-Flight (ToF)-Abstandssensoren.

Ingenieure können ebenfalls das B-L072Z-LRWAN1 STM32 LoRaWAN-Discovery-Board des Unternehmens zum Aufbau von IoT-Hardware auf Basis von LoRa- und/oder FSK/OOK-Techniken verwenden. Es enthält das offene All-in-One-Modul von Murata zur Unterstützung von LoRaWAN sowie die zertifizierte I-CUBE-LRWAN-Embedded-Software zum Aufbau eines kompletten LoRaWAN-Knotens. Die Software ist für LoRaWAN Klasse A zertifiziert und unterstützt ebenso Klasse C. Das Board verfügt über Arduino-Anschlüsse für ein Sensor-Erweiterungsboard, einen integrierten ST-Link V3-Debugger, einen USB-2.0-FS-Geräteanschluss, einen Batteriesteckplatz, einen SMA-Anschluss und eine 50-Ω-Antenne.

 

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