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Optionen für die IoT-Vernetzung: Das sollten Sie wissen

Unternehmen haben eine Vielzahl von Optionen für die Vernetzung im Internet of Things (IoT), von Ethernet über WLAN bis hin zum Satelliten. Ein Überblick zur Konnektivität.

Ethernet, WLAN, Low Power WAN, Narrowband IoT oder Satellit – die Art der eingesetzten IoT-Konnektivität ist zentral für den Erfolg oder Misserfolg eines neuen IoT-Projekts. Bei der Entscheidung für die passende Verbindungsoption sollten Firmen Kriterien wie die Dauer der Akkulaufzeit, die Netzwerkabdeckung und die Kosten einbeziehen.

Seit Kevin Ashton 1999 den Begriff des Internet of Things (IoT) erfunden hat, ist die Zahl der verfügbaren IoT-Geräte von null auf etwa 27 Milliarden gestiegen. Zu den Konnektivitäts-Optionen gehören heute drahtlose Transceiver, die Daten an IoT-Geräte senden, die nur wenige Meter oder ein paar Kilometer entfernt sind, sowie Satelliten, die Daten aus dem Weltall übertragen.

Unternehmen haben deutlich mehr Technologien zur Verfügung, um ein IoT-Gerät mit dem Internet oder der Cloud zu verbinden. Dazu gehören Ethernet, WLAN, Low Power WAN (LPWAN), verschiedene Mobilfunkoptionen und Satelliten. Jede Option hat Vor- und Nachteile, die Firmen kennen müssen, um ihre Anforderungen zu erfüllen.

Ethernet bietet eine fixe, kabelgebundene Verbindung

Ethernet-Verbindungen gehörten zu den ersten Methoden, mit denen Unternehmen ein IoT-Gerät vernetzten. Sie bleiben eine geeignete Wahl, wenn ein Gerät schwer ist und sich nicht von einem festen Standort aus bewegen muss. Power over Ethernet (PoE), das elektrischen Strom auch über das Datenkabel überträgt, minimiert zudem den Kabelsalat beim Aufbau einer kabelgebundenen Vernetzung von IoT-Geräten.

WLAN eignet sich am besten für Büros und Gebäude

IoT-Geräte wie Sensoren, Sicherheitskameras und IoT-Einheiten in Privathaushalten und Unternehmen werden meistens über WLAN miteinander oder mit der Cloud vernetzt.

WLAN ist eine der beliebtesten Optionen für die Verbindung per Funk weltweit. Das unlizenzierte Spektrum bei 2,4 GHz und 5 GHz bietet reale Reichweiten mit bis zu 125 Meter Entfernung von der Basisstation. Verbindungen mit 2,4 GHz unterstützen Datenraten von 150 MBit/s und können Wände und andere feste Objekte besser durchdringen.

Proprietäre und zellulare drahtlose Transceiver senden Daten an IoT-Geräte, die nur wenige Meter oder ein paar Kilometer entfernt sind.

Unternehmen sollten die Frequenz 2,4 GHz für IoT-Geräte in Büros oder anderen Gebäuden verwenden. Verbindungen mit 5 GHz können Datenraten von bis zu 9,6 GBit/s (Wi-Fi 6) erreichen. Nachteil: Wenn Firmen das Signal auf dem 5-GHz-Band nicht verstärken, sinkt die Reichweite des WLAN-Signals um etwa die Hälfte.

Die durchschnittliche WLAN-Akkulaufzeit für 2,4-GHz- oder 5-GHz-Bänder beträgt abhängig von der Akkukapazität beispielsweise acht oder neun Stunden. Diese Batterielebensdauer reicht für Notebooks und Smartphones aus, nicht aber für Sensoren und IoT-Geräte, die über Wochen, Monate oder sogar Jahre im Einsatz sind.

Der WLAN-Standard IEEE 802.11ax beinhaltet einige Funktionen, die IoT-Geräten zugutekommen, etwa die Stromsparoption TWT (Target Wake Time).

LPWAN unterstützt Tausende von Sensoren

Die Standards für Low Power WAN wurden speziell für den IoT-Einsatz entwickelt, um geringe Datenmengen per Funk von proprietären Basisstationen an Sensoren und Geräte zu übertragen.

Firmen nutzen am häufigsten die LPWAN-Technologien Sigfox und LoRa. LoRa steht für Long Range, das der Chiphersteller Semtech vorantreibt. Sowohl LoRa als auch Sigfox nutzen für die bidirektionale Kommunikation die nicht lizenzierten Frequenzbänder für Industrie, Wissenschaft und Medizin. Dazu gehören das 868-MHz-Band in Europa, das 915-MHz-Spektrum in Nordamerika und die 433-MHz-Frequenz in Asien.

Sowohl LoRa als auch Sigfox bieten eine realistische Reichweite von etwa 10 Kilometern in städtischen Umgebungen und mehr als das Doppelte in dünner besiedelten, offenen ländlichen Gebieten.

Sigfox und Semtech bieten jeweils Gateways an, um ihre separaten Technologien einfach und kostengünstig als private Netzwerke einzusetzen. In Firmengebäuden und auf Baustellen, die Tausende von Sensoren und andere IoT-Geräte unterstützen, haben sich diese LPWAN-Technologien bereits in IoT-Implementierungen bewährt.

LoRa führt das Feld der LPWAN-Technologien an. Das liegt auch an einem Start-up namens Helium, das in Nordamerika und Europa ein einfach zu errichtendes IoT-Netzwerk auf Basis der LoRaWAN-Technologie vertreibt.

Mobilfunktechnologie erhöht die Reichweite

Narrowband IoT (NB-IoT) ist als spezieller Funkstandard für das IoT eine gute zelluläre Alternative zu den LPWAN-Technologien. NB-IoT nutzt das lizenzierte 4G-LTE-Spektrum. Im Gegensatz zu WLAN oder LPWAN ist keine Ethernet-Verbindung zurück zum Internet erforderlich, und große Netzbetreiber weltweit unterstützen den Einsatz der Technologie.

NB-IoT bietet eine Reichweite von 10 km sowie eine gute Abdeckung, auch in Innenräumen oder unter der Erde etwa bei Parksensoren, die eine Tiefgarage überwachen.

Die Technologie ermöglich Datenraten von 20 bis 100 KBit/s und unterstützt eine Batterielebensdauer von bis zu 10 Jahren in Sensoren und anderen Geräten. Der Schwester-Funkstandard LTE-M bietet ähnliche Reichweiten, dafür aber höhere Datenraten von 1 Mbit/s und eine geringere Latenz.

Abbildung 1: Funktechnologien und ihre Datenraten
Abbildung 1: Funktechnologien und ihre Datenraten

Der Hauptunterschied zwischen NB-IoT und LTE-M: NB-IoT unterstützt keine Mobilität in einem Netzwerk. Damit eignet sich dieser Standard besser für statische Verbindungen und weniger für Geräte, die sich bewegen. Da LTE-M im Gegensatz zu NB-IoT auch Sprachbefehle unterstützt, eignet es sich besser für Anwendungen wie sprachgesteuerte Security Panels, Sensoren für das Flottenmanagement oder andere Applikationen, die datenintensive Downlink-Kanäle benötigen.

Der 5G-Mobilfunkstandard wird wahrscheinlich LTE-M und NB-IoT als IoT-Spezifikationen integrieren.

Satelliten erschließen netzferne Gebiete

Satelliten bieten eine wirklich breite Abdeckung für IoT-Geräte in der Fläche und sind in der Lage, Objekte zu erreichen, die nur begrenzten oder gar keinen Zugang zu bodengestützten Netzwerken haben. Wenn ein Unternehmen mitten auf dem Ozean eine IoT-Abdeckung benötigt, erfolgt die Verbindung via Satellit. Geostationäre Satelliten, die in rund 35.800 bis 41.700 Kilometern positioniert sind, können bereits IoT-Geräte auf der ganzen Welt verbinden. Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn kommen ebenfalls in Mode, da Unternehmen wie SpaceX beginnen, Mikrosatelliten zu starten, die auf den IoT-Markt abzielen.

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