Für industrielle IoT-Anwendungen ist kostengünstige und energiesparende Konnektivität die Voraussetzung für eine wirtschaftlich vertretbare Realisierung. Das Wachstum von IoT-Bereitstellungen und die Realisierung zukünftiger IoT-Innovationen werden bestimmt durch das Angebot an LPWA-Netzwerk-Tech- nologien. Die LPWA-Nutzung in der Praxis ist derzeit aber noch stark begrenzt. Es gibt zwar praktikable Lösungen, diese konzentrieren sich jedoch auf spezifische Versorgungsgebiete größtenteils in Ballungsgebieten. Neben der Netzabdeckung gibt es Unterschiede hinsichtlich der Übertragungsrate und dem Stromverbrauch, aber auch was Sicherheit, ­Skalierbarkeit und Interoperabilität betrifft. Die IoT-Strategien von Unternehmen werden derzeit vor allem ausgebremst durch teils erhebliche Einschränkungen bei der Abdeckung und Mobilität. Das Netzwerk-Management kann zudem komplex sein und die Kosten schwer zu kontrollieren. 

Bestehende LPWA-Technologien

Die nichtlizenzierten Technologien von Sigfox, Ingenu, LoRa und ähnlichen Alternativen erfordern einen großangelegten Netzwerk-Rollout auf nationaler und internationaler Ebene. Dies braucht Zeit – daher müssen vorerst Einschränkungen einkalkuliert werden. Lizenzierte LPWA-Varianten wie die zwei derzeit konkurrierenden Standards NB-IoT (Narrowband-IoT) und Cat-M1 nutzen das LTE-Mobilfunknetz, die grenzüberschreitende Interoperabilität ist jedoch noch nicht geklärt. 

Sigfox: Der Markt für das Sigfox-Netzwerk ist auf bestimmte geografische Gebiete in etwa 50 Ländern beschränkt, in denen Sigfox tätig ist. Mit nur einem Euro pro Monat oder sogar pro Jahr für jedes IoT-Gerät –  abhängig vom Gerätevolumen – sind die Kosten niedrig. Jedes Gerät kann eine 12-Byte-Uplink-Nachricht bis zu 140 Mal pro Tag übertragen. Demgegenüber steht eine begrenzte bidirektionale Kommunikation von vier 8-Byte-Nachrichten pro Tag. Das Roaming ist beschränkt auf die Versorgungsgebiete und die Verfügbarkeit in ländlichen Regionen ist begrenzt.

Lora: Die LoRa-Technologie wurde entwickelt, um Fernkommunikation mit einer niedrigen Bitrate zwischen ‚Dingen‘, wie etwa batteriebetriebenen Sensoren, zu ermöglichen. Die Technologie eignet sich für die lokale Abdeckung in urbanen Bereichen, zur Kommunikation an festen Standorten. LoRa wird weltweit eingesetzt, aber begrenzt auf die Länder, in denen die Mitglieder der LoRa Alliance aktiv sind. Zudem ist LoRa keine eigenständige End-to-End-Konnektivitätslösung und erfordert Kapitalinvestitionen. 

In den meisten Bereitstellungen muss LoRa mit einem Mobilfunknetz verbunden sein, um sich tatsächlich mit dem Internet zu verbinden, um seine Daten zu laden.  Die Frequenz ist auf einen einzigen Anbieter beschränkt, was bedeutet, dass das Spektrum nicht exklusiv für ein einzelnes Netzwerk reserviert ist. Somit gibt es keine Kontrolle über die Kapazitätsverfügbarkeit. Dies wäre, wie wenn das WLAN zu  Hause von allen Nachbarn genutzt werden könnte.

LTE: NB-IoT oder LTE-Cat1M: Es gibt bereits viele Chipsatz- und Hardware-Anbieter, die in die zwei Lager NB-IoT oder LTE-Cat1M aufgeteilt sind, was für mehr Komplexität im Herstellermarkt sorgt. Roaming zwischen Cat-M1- und NB-IoT-Netzwerken ist nicht möglich. NB-IoT und Cat1-M sind in den meisten Ländern derzeit erst in der Testphase. Bei einigen US-Carriern – Vodafone Spain und Telstra – ist der Start des kommerziellen Betriebs bereits erfolgt. Die weltweite Einführung und die interoperable Roaming-Abdeckung über Carrier hinweg, die noch verhandelt werden muss, wird viele Jahre dauern. Bis dahin ist es nicht möglich, Lösungen zu entwickeln, die weltweit einfach zu implementieren sind. Da Roaming derzeit nicht verfügbar ist, beschränken sich die Angebote auf Inlandsmärkte. Ein Vorteil beider Optionen wäre der geringe Strombedarf. Auch für diese beiden lizenzierten Standards steht jedoch noch keine eigenständige End-to-End-Konnektivitätslösung zur Verfügung.

Alternative mit weltweiter Abdeckung

Thingstream positioniert sich als Konnekitvitäts-Schicht zwischen den Geräten und den IoT-Plattformen.

© Thingstream

Bei der Auswahl einer IoT-Konnekti-vitätslösung muss berücksichtigt werden: Wieviel Aufwand ist erforderlich, um die Daten von den ‚Dingen‘ in ein sinnvolles Format zu bringen, damit sie von einer IoT-Plattform erfasst werden können? Und: Wie lässt sich sicherstellen, dass Nachrichten von den ‚Dingen‘ auch zuverlässig die IoT-Plattform erreichen? 

Hierfür eignet sich das häufig für IoT-Netzwerk-Verkehr genutzte Protokoll ‚Message Queue Telemetry Transport for Sensor Networks‘ (MQTT-SN). Dabei handelt es sich um ein schlankes Publish-/Subscribe-Messaging-Protokoll für M2M-Telemetrie, das speziell für Umgebungen mit geringer Bandbreite entwickelt wurde. MQTT-SN verfügt über integrierte Servicequalität (QoS), die für IoT-Anwendungen wichtig ist. So kann QoS 2 etwa in einer kritischen Anwendung wie zur Überwachung von HLK-Anwendungen (Heizung, Lüftung, Klimatechnik) dienen. Der Dienst stellt sicher, dass der Sensor die Über­mittlung einer Alarmmeldung garantiert, indem das Protokoll die erneute Übertragung abwickelt. QoS – 1 ist einzigartig für MQTT-SN und primär im Einsatz für regelmäßige Warnungen von nichtkritischen Systemen wie etwa einem Cargo-Tracker, der jede Stunde ein Ping absetzen kann. Wenn einige Nachrichten nicht durchkommen, fällt dies nicht ins Gewicht. MQTT-SN ermöglicht es einem Anwender, den QoS-Level zu wählen, abhängig von seiner Netzwerk-Sicherheit und Anwendungslogik. 

Die Kombination aus kommuni­zierendem MQTT-SN und einem ­globalen, nahezu flächendeckend verfügbaren GSM-Netz (in über 190 ­Ländern verfügbar) ist für gängige IoT-Anforderungen ein zukunftsweisendes Konzept. Mit diesem Konzept ist Thingstream in den LPWA-Markt eingetreten. Das Unternehmen bietet kostengünstige IoT-Konnek­tivität mit internationaler Abdeckung und Mobilitätsunterstützung – als End-to-End-Konnektivitätslösung. Die Technologie basiert auf GSM-Konnektivität, ohne dabei auf SMS oder eine Mobilfunk-Datenverbindung angewiesen zu sein. Dieser Ansatz ermöglicht es Endgeräten, sich mit praktisch jedem GSM-Netz weltweit zu verbinden. Über MQTT-Messaging können kleine Datenmengen schnell und zuverlässig zu ge­ringen Kosten versendet werden – die für niedrige Volumen mit 1 US-Dollar starten. 

Thingstream unterstützt zudem uneingeschränkte bidirektionale Kommunikation. Die Technologie wurde für den Einsatz in vielen vertikalen Sektoren entwickelt, einschließlich Asset-Tracking, Logistik, Supply Chain, Facility Management, Energie und Umweltüberwachung.

Potenzial zum künftigen Standard

Das SIM-basierte Modell verspricht den Netzbetreibern darüber hinaus neue Umsätze in ihren Mobilfunknetzen. Thing­stream umgeht das Problem, das lizenzierte LPWA-Technologien wie LoRa und Sigfox haben: die Notwendigkeit, ein dediziertes Netzwerk, das einen bestimmten geografischen Bereich abdeckt, bereitzustellen. Im Falle von LoRa benötigen Anwender zudem technisches Personal, um das Netzwerk zu betreiben. Lizenzierte LTE-basierte LPWA-Angebote wie NB-IoT oder LTE-Cat1M gibt es ebenfalls bereits, jedoch nur auf nationaler Ebene, da Roaming-Fragen noch un-geklärt sind.

Auch wenn IoT-Strategien vielerorts propagiert und erste Projekte voran­getrieben werden, steht und fällt alles mit der Konnektivität. Unter den LPWA-Technologien, die sich in den letzten Jahren herauskristallisiert haben, stand bislang keine ­grenz­überschreitend nutzbare und ­dennoch kostengünstige End-to-End-Konnek­tivitätslösung zur Verfügung. Thingstream stellt hier eine Alternative dar. 

Autor: 
Neil Hamilton ist  Vice President für Business Development bei Thingstream.