Nachdem inzwischen nahezu alle Kameras und Telefone auf digitale Techniken umgestellt wurden und die TV-Branche diesen Wandel gerade vollzieht, folgt mit dem Internet der Dinge (IoT) der nächste richtig große Schritt der digitalen Revolution. Netzwerkausrüster wie Ericsson und Cisco erwarten daher mehr als 50 Mrd. vernetzte Mikrorechnersysteme (Devices beziehungsweise Things) bis 2020. Weitere Marktanalysen kommen zu ähnlichen Ergebnissen. Eine Ursache dafür ist, dass durch das IoT praktisch das ge-samte analoge Monitoring unserer lo-kalen, urbanen und globalen Umwelt auf digitale Konzepte umgestellt wird. Alles, was mit einem Sensor gemessen wird beziehungsweise gemessen werden kann, wird zukünftig aus unterschiedlichen Motiven digitalisiert und per Internet vernetzt. Dadurch entste-hen ungeahnte neue Möglichkeiten, aber auch erhebliche Gefahren für existierende Geschäftsmodelle.

Eine völlig offene Frage ist allerdings, wie diese Milliarden zusätzlicher Devices in das Internet integriert werden sollen? Falls hierfür 2G/3G- oder 4G-Mobilfunknetze genutzt werden sollen, müsste die Anzahl der neuen ­Basisstationen, die jedes Jahr neu in­stalliert werden, vermutlich um das Zwei- bis Dreifache gesteigert werden. Theoretisch ließe sich auch die Anzahl der WLAN-Hot-Spots dramatisch ­erhöhen, um den IoT-Devices den Internet-Zugang per WLAN zu ermög­lichen.

Da aber weder Mobilfunk noch WLAN als Low-Power-Tech­nologien einzustufen sind, taucht gleich die nächste Frage auf: Wie viele zusätzliche Kraftwerke wären eigentlich notwendig, um zig Milliarden 2G/3G/4G/WLAN-basierter IoT-Funker plus die dafür zusätzlich erforderliche Infrastruktur mit ausreichend Strom zu versorgen?

Die Funktechnik LoRa

Eine mögliche Alternative mit sehr guten Zukunftsaussichten wären sogenannte Low Power Wide Area Networks (LPWAN). Ein erster Vertreter dieser relativ neuen Kategorie IoT-geeigneter Long-Range-Funktechnik ist LoRa. Dahinter steht der relativ kleine US-Halbleiterhersteller Semtech, der Anfang des Jahres zusammen mit weiteren Firmen die LoRa Alliance gründete. LoRa ist ein speziell entwickeltes Modulationsverfahren, das mit Hilfe einer besonderen Spreiztechnik eine Empfindlichkeit von bis zu –137 dBm ermöglicht und eine sehr gute Immunität gegenüber Störsignalen aufweist. Gesendet wird mit +20 dBm und einer adaptiven Datenrate zwischen 0,3 und 37,5 kbps. Insgesamt ergibt sich ein Link Budget von 158 dB. Im 868-MHz-ISM-Frequenzband lassen sich mit LoRa-Transceivern Reichweiten von bis zu 15 km in ländlicher und 2 bis 5 km in urbaner Umgebung erreichen. ‚Low Power‘ bedeutet bei LoRa, dass zirka 10 mA als RX Current, 28 mA TX Current und rund 100 nA im Sleep-Mode benötigt werden (typische Werte für den Semtech SX1272-Chip). Damit reicht schon eine relativ kleine Batterie aus, um mehrere Jahre den Füllstand eines Mülleimers bei jeder Veränderung an eine Basisstation zu senden. Typische LoRa-Anwendungen nutzen eine Star-of-Stars-Topologie mit Sensor-Funkknoten (Sensor Nodes), Gateways und Netzwerk-Servern. Eine Gruppe LoRa-Funksensoren ist jeweils mit einem Gateway verbunden. Die Gateways sind über 3G/4G oder Ethernet per Internet mit Servern gekoppelt, die die Sensordaten für andere Anwendungen zur Verfügung stellen.

Was steckt hinter Sigfox?

Mit einem nahezu identischen Ansatz ist das französische Start-up Sigfox unterwegs. Da das Sigfox-Geschäftsmodell in direkter Konkurrenz zu den etablierten Telekom-Konzernen steht, wird dem Unternehmen im Moment sehr viel Aufmerksamkeit zuteil. Um möglichst schnell die Welt mit einer Sigfox-Infrastruktur auszustatten, hat Sigfox vor Kurzem von sieben neuen Investoren 100 Mio. Euro zur Verfügung gestellt bekommen. Unter den Investoren sind auch der Industriegaskonzern Air Liquide und der Energieversorger GDF Suez zu finden. Technologisch unterscheiden sich LoRa und Sigfox lediglich durch das zum Einsatz kommende Modulationsverfahren und die Datenrate. Ein Sigfox-LPWAN benutzt 100 bps fix.

Die White Space ­Communication

In Großbritannien machte sich schon vor Jahren die Erkenntnis breit, dass M2M-Kommunikation nur sehr bedingt über GSM-Mobilfunkverbindungen möglich ist – ein GSM-Funkmodem lässt sich nicht so ohne weiteres in einen Wasser- oder Gaszähler einbauen und zehn Jahre lang mit einer Batterie betreiben. Auf der Suche nach Alternativen kam die ‚White Space Communication‘ auf, also die M2M-Nutzung freier Frequenzen in den Fernsehbändern. Aus dieser Idee ist inzwischen die ‚Weightless SIG‘ hervorgegangen. Diese Initiative, hinter der in erster Linie der UK-Start-up Neul steht, ist mit dem klaren LPWAN-Versprechen „5 km Range, 10 Years Battery, $2 Chip“ unterwegs, um einen Standard mit dem Namen Weightless-N zu spezifizieren, mit Hilfe einer breiten internationalen Unterstützergemeinschaft entsprechende Produkte und Lösungen zu schaffen und im Markt zu verbreiten. Die Weightless SIG konzentriert sich bei Weightless-N auf die ISM-Frequenzen im Bereich zwischen 800 und 900 MHz (868 MHz in Europa, 915 MHz in den USA). Die SIG hatte zuvor schon Weightless-W (Nutzen von TV-White-Space-Frequenzen in den 900-MHz-Bändern für IoT- und M2M-Anwendungen) spezifiziert. Dafür gibt es weltweit aber keine einheitlichen Frequenz-Bänder. Da Weightless-N wohl durchaus ein ernstzunehmender LPWAN-Ansatz mit Zukunftsperspektive ist,  hat der chinesische Netzwerk-Ausrüster Huawei das dahinterstehende Unternehmen Neul Ende 2014 kurzerhand gekauft. Ob diese Übernahme den Weightless-N-Standardisierungsaktivitäten eher hilft oder schadet, wird sich zeigen.

Durch LPWAN-Technik werden Anwendungen möglich, die sich bisher aufgrund des hohen Stromverbrauchs und der Kosten mit 2G/3G/4G-Mobilfunktechnik nicht lösen lassen. Sehr viele Applikationen könnten sich im Smart-City-Umfeld ergeben. So lassen sich zum Beispiel die Parkplätze in einer Stadt mit LPWAN-Sensoren ausstatten, um Autofahrern freie Parkplätze nicht nur anzuzeigen, sondern sie per App auch direkt dorthin zu navigieren. Die Müllabfuhr lässt sich effizienter organisieren, wenn Mülltonnen per LPWAN melden, dass sie geleert werden müssen. Intelligente Straßenbeleuchtungen und andere Infrastruktur-Elemente überwachen sich selbst und können beim Ausfall einer Komponente selbstständig und zielgerichtet einen Wartungstechniker anfordern. Gedimmte LED-Straßenleuchten, die nur beim Vorbeigehen beziehungsweise -fahren leuchten, ermöglichen Energie-Einsparungen von bis zu 70 %. Verkehrsflüsse lassen sich intelligenter steuern und permanente Verkehrszählungen ermöglichen zielgerichtete Er­neuerungsinvestitionen. Und letztlich sind auch Gebäude durch die Vernetzung mit LPWAN-Sensoren intelligenter zu managen.

Die Frage nach dem möglichen LPWAN-Marktpotenzial lässt sich ­jedoch im Moment nur sehr unpräzise be­antworten. Es gibt einfach zu wenig  belastbares und differenzierendes ­Zahlenmaterial.

Autor: Klaus-Dieter Walter ist Mitglied der Geschäftsleitung bei SSV Software Systems und gehörte viele Jahre dem Vorstand der M2M Alliance an.