Folgende Aufgabenstellung wird in dem beschriebenen Praxisbeispiel vorausgesetzt: In einer Maschinensteuerung existiert ein Steckplatz für nachrüstbare Erweiterungskarten, um die jeweilige Maschine bei Bedarf mit dem ISDN-Telefon- oder GSM-Mobilfunknetz zu verbinden. Diese Anbindung soll bestimmte Fernwartungsaufgaben ermöglichen. Dazu gehört auch eine Füllstands-Fernabfrage hinsichtlich verschiedener Betriebsmittel. Alternativ kann automatisch eine individuelle Telefonnummer angerufen werden, um eine ISDN- beziehungsweise CSD-Datenverbindung aufzubauen und mit Hilfe einer konfigurierbaren Zeichenfolge die aktuellen Füllstände sowie weitere Betriebsdaten zu übermitteln. Die für den Betrieb erforderlichen ISDN- und CSD-Dienste wurden beziehungsweise werden inzwischen allerdings von praktisch allen Providern eingestellt. Insofern ist eine Alternative erforderlich, um bestehende Installationen um- und neue Maschinen mit einer weltweit einsatzfähigen IoT-Kommunikationsbaugruppe auszurüsten.

Die zu entwickelnde neue Retrofit-Lösung soll auf der einen Seite ohne technische Änderungen an der Maschine direkt in den vorhandenen Steckplatz passen und je nach Maschinenstandort ein Mobilfunknetzwerk oder IoT-Satellitennetzwerk zur bidirektionalen Kommunikation nutzen. Datentechnisch soll von jeder Maschine, die mit einer solchen Retrofit-Technik ausgestattet ist, täglich jeweils mindestens ein Datensatz an die IT eines Servicepartners übertragen werden. Weitere wichtige Anforderungen sind:

• Minimale Investitionskosten für Beschaffung und Nachrüstung der erforderlichen Kommunikationsbaugruppe im Kommunikationssteckplatz einer Maschine.
• Minimale Betriebskosten für die tägliche Datenübertragung über eine Funkverbindung.
• Funktechnische Anpassungsfähigkeit für den weltweiten Betrieb, die unterschiedlichen Standorte, Netzbetreiber sowie die damit verbundenen nationalen Zulassungen.
• Flexibilität hinsichtlich der datentechnischen Anpassung an die IT-Systeme verschiedener Servicepartner.

In diesem Beispiel kommuniziert die Maschinensteuerung über AT-Kommandos (erweiterter Hayes-Befehlssatz) mit der Modembaugruppe. Da diese Kommandos in der jeweiligen Steuerungssoftware hinterlegt sind und eine solche Software in der Regel nicht verändert werden darf, muss die IoT-Retrofit-Baugruppe die erforderlichen AT-Befehle nachbilden und in die individuellen Kommunikationsaktionen für die jeweiligen Mobilfunk- oder IoT-Satellitennetzwerke umsetzen, um Maschinendaten an eine IT-Infrastruktur zu übermitteln und eventuell weitere Aufgaben zu ermöglichen.

IoT-Funk-Alternativen

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Die große Herausforderung für diese Retrofit-Aufgabenstellung sind die völlig unterschiedlichen Maschinenstandorte, die damit verbundenen verschiedenartigen Mobilfunknetze und, falls überhaupt kein entsprechendes terrestrisches Netzwerk an einem bestimmten Standort existiert, die Verbindung zu IoT-Satelliten im Orbit mit einer LTE-ähnlichen Antennentechnik.

Ist eine 4G-Mobilkfunkabdeckung vorhanden, lässt sich beispielsweise ein LTE-A-Modem (LTE+) einsetzen. Damit sind Datenübertragungsraten von 500 Mbps und mehr möglich. Der LTE-A-Datendurchsatz eignet sich sowohl für den Livestream relativ hochauflösender Kamerabilder als auch für hochperformante Maschinenfernzugriffe, vergleichbar mit einem kabelgebundenen DSL-Zugang. An anderen Standorten gibt es aber vielleicht nur ein LTE-M-Funknetz mit einem Fall-back auf LTE Cat NB1 (NB-IoT). Das reicht zwar immer noch, um problemlos kleinere Datenmengen (z. B. Sensormessdaten) zu übertragen. Ein interaktiver Fernzugriff auf die Kommandozeilen- bzw. Remote-Desktop- (VNC-) oder webbasierte Benutzeroberfläche einer Maschinensteuerung ist allerdings nicht möglich.

Die anspruchsvollste Detailaufgabe wäre im Moment die Nutzung eines IoT-Satellitennetzwerks mit LEO-Satelliten (Low Earth Orbit; Schwärme von Miniatursatelliten in Orbitalhöhen zwischen 200 und 2.000 km). Die Schnittstellen und der Provider-spezifische Funktechnikeinsatz in diesem Marktsegment erfordern umfangreiches Expertenwissen (es existieren zurzeit keine Standards für die extraterrestrische IoT-Kommunikation).

Weitere Herausforderungen sind das mögliche Datenvolumen pro Monat, der standortabhängige Zeitversatz zwischen den Sende- und Empfangszeitpunkten sowie die Datenintegration in IT-Anwendungen. Auf der Kostenseite zeigt der zunehmende Wettbewerb aber bereits Wirkung. Im schnellwachsenden Marktumfeld der Provider von LEO-Satellitenkommunikation sind die meisten Geschäftsmodelle gegenwärtig in der Positionierungsphase. Das hat Auswirkungen auf die etablierten Preismodelle für Datenverbindungen mit geostationären Satelliten, die bisher in erster Linie die High-end-M2M-Anwendungen adressierten. Insofern ist es nicht einfach, aussagefähige Betriebskostenvergleiche anzustellen, zumal auch die Details und Anzahl der Satelliten im Orbit und die dadurch bedingten unterschiedlichen Nachrichtenübertragungszeiten eine erhebliche Rolle spielen. Man findet neue Anbieter, die für 5 US-Dollar pro Monat den Betrieb von IoT-Devices mit bis zu 750 Nachrichten bei maximal 192 Bytes Nutzdaten ermöglichen. Als weitere Einschränkungen sind allerdings vorgegebene Tageslimits für die Anzahl der Uplink- und Downlink-Pakete bzw. ein Limit von insgesamt maximal 60 Downlink-Nachrichten pro Monat zu beachten (Beispiel: SpaceX-Tochter Swarm). Ein etablierter Mitbewerber fordert eine monatliche „Line Rental“-Gebühr von 15 US-Dollar je IoT-Device sowie 0,15 US-Dollar pro Datenpaket mit 50 Bytes Nutzdaten. Größere Pakete kosten das doppelte (Iridium Short Burst Data, Provider: Ground Control Communications). Auf das Jahr gerechnet ergeben sich da schon gravierende Unterschiede in den Betriebskosten.