Drahtlose IoT-Konnektivität: Protokolle sinnvoll eingesetzt

13th June 2016
Posted By : Barney Scott
Drahtlose IoT-Konnektivität: Protokolle sinnvoll eingesetzt

Unternehmen, die Geräte und Systeme für das IoT entwickeln, steht heutzutage eine Vielfalt von WLAN-Protokollen für eine leichtere Kommunikation mit der Cloud zur Verfügung. Und die Auswahlmöglichkeiten nehmen weiter zu, da sowohl Mobiltelefon- als auch WLAN-basierte Technologien an die Anforderungen des IoT angepasst werden.

Doch inmitten der Vielzahl an Optionen bestimmen letztlich die jeweiligen Funktionen wie z. B. Abdeckung, Reichweite und Datenrate die richtige Wahl für eine bestimmte Anwendung und Situation.

Geschrieben von Simon Duggleby, Product Marketing Manager, Electronics, RS Components.

Die wichtigste Rolle bei der Auswahl spielt die erforderliche Reichweite. Viele Geräte nutzen zur Übertragung von Daten zu und von der Cloud ein Gateway mit Breitbandverbindung. Steht ein Gateway zur Verfügung, können Short-Range-Protokolle mit relativ geringer Sendeleistung verwendet werden. In vielen Fällen wird der Einsatz von Gateways zu kompliziert oder unwirtschaftlich sein. So sind beispielsweise Sensoren, die um einen großen offenen Wasserbehälter oder entlang von Zuggleisen eingesetzt werden, generell zu weit verteilt, um den Zugriff über ein Gateway zu ermöglichen.

Heutzutage dürften solche stark verteilten Sensoren und Messgeräte entweder Mobilfunkverbindungen oder proprietäre Protokolle in unlizenzierten Sub-Gigahertz-Bändern wie z. B. 868 MHz nutzen. Aufgrund des verstärkten Normungsbedarfs für eine erfolgreiche Navigation des IoT und durch strategische Änderungen der Mobilfunkbetreiber finden in diesem Bereich erhebliche Veränderungen statt. Da die Betreiber ihre lizenzierte Frequenzzuweisung maximieren möchten, wird damit gerechnet, dass sie vorhandene Sub-Gigahertz-GSM-Netzwerke auf LTE umstellen, da LTE das Frequenzspektrum effizienter nutzt.

Zur Unterstützung des zunehmenden Bedarfs an Machine-to-Machine- (M2M) und IoT-Kommunikation wurden mehrere LTE-basierte Mobilfunkprotokolle vorgeschlagen. Kurzfristig bietet Cat-M für IoT-Geräte eine weniger komplexe Form von LTEmit Datenraten von bis zu 1 Mbit/s sowie Zugriff auf das bereits breit etablierte Mobilfunknetz. Allerdings dürfte das 3GPP-basierte Narrow Band IoT bereits innerhalb von zwei bis drei Jahren IoT-Netzwerke unterstützen, die mit niedrigeren Datenraten von 200 Kbit/s sowohl Geräte- als auch Betriebskosten senken und den Zugriff auf schwierige Standorte, z. B. unterirdische Messgeräte, verbessern.

LoRa und SIGFOX bieten überwiegend im unlizenzierten Frequenzspektrum Alternativen zu Mobilfunkverbindungen an – nicht nur in Bezug auf das Transceiver-Design, sondern auch hinsichtlich der Preismodelle. Die Gebühren der Mobilfunkbetreiber basieren heutzutage auf einem Datennutzungsmodell, wohingegen kommerzielle Betreiber Modelle mit Pauschalgebühren für unlizenzierte Frequenzen bis zu 1 $ pro Jahr und Gerät anbieten.

LoRa wurde von Semtech entwickelt und ermöglicht IoT-Benutzern den Internetzugang entweder über ihr eigenes Netz aus Basisstationen, um mehr Kontrolle zu bieten und die Betriebskosten zu senken, oder über eine riesige Auswahl an kommerziellen Betreibern. Dazu zählt u.a. das LoRa-Netzwerk The Things Network, das in nur sechs Wochen in Amsterdam eingerichtet wurde und ähnliches nun mittels Crowdsourcing in anderen Städten auf der ganzen Welt wiederholen will.

Unterstützt durch Geräte von Microchip, STMicroelectronics und Semtech hat LoRa im Vergleich zu herkömmlichen Funksystemen den Vorteil, den Zugriff auf unterirdische Geräte wie Parkautomaten und Wasserzähler in einer Reichweite von 10 km zu ermöglichen. Die Ausfallsicherheit für Störungen durch andere Benutzer unlizenzierter Bänder wird durch die Verwendung eines SSFM-Verfahrens (Spread Spectrum Modulation Scheme) mit Datenbereichen von300 bit/s bis 50 Kbit/s, ähnlich der etablierter GPRS-Verbindungen, sichergestellt.

SIGFOX hingegen setzt eine Datenübertragungstechnik mit extrem geringer Bandbreite (Ultra Narrow Band) ein, um den Stromverbrauch einzugrenzen und in städtischen Umgebungen Reichweiten bis zu 50 km sowie Datenraten zwischen 10 bit/s und 1 Kbit/s zu ermöglichen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Protokollen handelt es sich bei SIGFOX um eine unidirektionale Verbindung. Dies kann zur Minimierung des Stromverbrauchs des IoT-Node dienen, da der RF-Transceiver nicht aktiviert werden und über lange Zeiträume hinweg für eingehende Kommunikationen empfangsbereit sein muss,sondern so eingeschränkt ist, dass die Software im Node nicht per Fernzugriff über einen herkömmlichen SIGFOX-Transceiver aktualisiert werden kann. Stattdessen ist ein anderes Funknetz erforderlich. Allerdings sind diverse RF-Transceiver für das unlizenzierte ISM-Band in der Lage, die relativ einfachen Anforderungen der SIGFOX-Übertragungen zu erfüllen. Zu den Anbietern, die den Einsatz von SIGFOX für IoT-Konnektivität angekündigt haben, gehören ON Semiconductor mit seiner Single-Chip-Lösung AX-SIGFOX und Arrow Electronics. Letztere führten kürzlich ihr Entwicklungsboard SmartEverything ein, eine Prototyp-Plattform für IoT-und M2M-Anwendungen, die auf dem Arduino-Formfaktor basiert.

Für Gateway-gestützte Kommunikationen mit kürzerer Reichweite ist das unlizenzierte 2,4GHz-Band mittlerweile die erste Wahl für Drahtlosnetzwerke. 2,4GHz wird von Bluetooth und WLAN genutzt und bietet auch das Spektrum für die Protokolle wie z. B. 6LoWPAN und Thread, die speziell für das Internet der Dinge entwickelt wurden. Der zugrundeliegende Schlüsselstandard sowohl für 6LowPAN und Thread als auch für ZigBee und Wireless HART ist IEEE 802.15.4.

IEEE 802.15.4 unterstützt eine Übertragungsraten von bis zu 10m mit einer Übertragungsrate von 250 Kbit/s und kann auf unlizenzierten Sub-Gigahertz-Bändern und auf dem 2,4GHz-Band betrieben werden. 6LowPAN ergänzt den Kernstandard IEEE 802.15.4 um eine Reihe von Protokollen der obersten Ebene, welche die Zusammenarbeit mit dem Internet Protocol (IP) unterstützen und ermöglichen, dass IP-basierte Standardkommunikationen aus der Cloud die IoT-Edge-Geräte unter Verwendung von Standards wie TCP, HTTP, COAP und MQTT erreichen. Zur Minimierung des Protokoll-Overhead auf IoT-Datenübertragungen nutzt 6LowPAN Header-Komprimierung und andere Techniken zur Datenkapselung.

Um die maximale Entfernung zwischen Nodes und einem Gateway zu erhöhen, unterstützt 6LowPAN Mesh-Netzwerke. Mit einer Mesh-Netzwerk-Topologie können Nodes, die zu weit vom Gateway entfernt sind, um es zu erreichen, Pakete über physisch nähere Geräte weiterleiten, bis ein Node das Gateway direkt erreichen kann. Da sie die Routingfähigkeit des Netzwerks dynamisch analysieren, können Mesh-Netzwerke neue Geräte automatisch konfigurieren, sodass sie die Nutzungsmuster verwenden, die das System bereits gelernt hat.

Thread wurde im Jahr 2014 eingeführt und baut auf 6LowPAN auf. Zur Verbesserung der allgemeinen Sicherheit bietet es weitere Funktionen für das IoT, wie beispielsweise Authentifizierung und Verschlüsselung. In den meisten Fällen jedoch kann Thread über eine einfache Software-Aktualisierung auf Geräten ausgeführt werden, die IEEE 802.15.4 unterstützen. Dazu gehören auch beispielsweise Geräte von Silicon Labs, einem Gründungsmitglied der Thread Group.

Obwohl sich IEEE 802.15.4 mittlerweile als Kerninfrastruktur für eine Vielzahl von IoT-orientierten Netzwerkprotokollen etabliert hat, muss auch Bluetooth als ein Schlüsselstandard berücksichtigt werden. Durch seine allgegenwärtige Unterstützung in Smartphones, Tablets und Laptops bietet Bluetooth bereits einen wichtigen Mechanismus zur Steuerung und Konfiguration von IoT-Geräten mittels Apps. Zudem entwickelt sich der Bluetooth-Standard dank Verbesserungen zu einem wichtigen Protokoll für IoT-Anwendungen, die nicht von der Smartphone-Konnektivität abhängen. Seit der Einführung von Bluetooth Smart kann das SR-Netzwerkprotokoll besser für IoT-Anwendungen genutzt werden, da es Modi mit deutlich reduziertem Stromverbrauch für die Übertragung kleiner Datenmengen unterstützt.

Eine weitere in diesem Jahr [2016] erwartete Änderung der Spezifikation wird eine Erhöhung der normalen Übertragungsrate um den Faktor 4 ermöglichen – verbesserte Reichweite im Tausch gegen Bitrate. Das Adaptive Protocol erlaubt näher zusammenliegenden Nodes die Nutzung höherer Bitraten, und zwar doppelt so viel wie die Standardbandbreite von Bluetooth Smart mit 1 Mbit/s.

Auch Mesh-Netzwerke werden die Kommunikationsfähigkeit von Bluetooth Geräten über größere Entfernungen verbessern. Die für Bluetooth geplanten Mesh-Netzwerke erweitern das 2013 mit Version 4.1 eingeführte Scatternet-Konzept. Mit Scatternet kann jeder Node zwischen Master- und Slave-Modi wechseln und so ein Paket an andere Slaves oder Master weiterleiten, um den Ziel-Transceiver zu erreichen. Die jüngsten Änderungen am Bluetooth-Protokoll tragen zudem zur Erweiterung der Reichweite eines Netzwerks bei, indem sie die Interaktion mit Geräten unterstützen, die das Drahtlosprotokoll 6LowPAN verwenden.

Auch WLAN ist eine weitere Option für IoT-Anwendungen. Die vorhandenen WLAN-Versionen unterstützen höhere Datenübertragungsraten als die meisten anderen IoT-Protokolle, doch diese können für die Übertragung von Videodaten in Anwendungen wie z. B. die Sicherheit der Anlage genutzt werden. Die für WLAN zuständige IEEE-Arbeitsgruppe arbeitet derzeit an Version IEEE 802.11Ah. Diese wird den Stromverbrauch deutlich senken und den Übertragungsbereich im Tausch gegen niedrigere Datenraten, um 100 Kbit/s pro Kanal über eine Distanz von 1 km, erweitern.

Die Aktivitäten im Bereich der drahtlosen IoT-Netzwerke schufen eine umfassende Auswahl von Protokollen für unterschiedliche Zielmärkte. Auch für Ihre Anwendung ist das passende Protokoll dabei.





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