Bis vor Kurzem war die Welt der drahtlosen Kommunikationslösungen, die für ‚Wide Area‘-Verbindungen (Long Range Wireless) in der industriellen Automatisierungswelt in Frage kommen, noch recht übersichtlich. Man konnte sich eine Mobilfunk- oder M2M-SIM-Karte für das Netz des gewünschten Mobilfunkbetreibers beschaffen, in ein 2G- (GSM/GPRS), 3G- (UMTS/HSPA) oder LTE-Mobilfunkmodem stecken und loslegen. Die Entscheidungskriterien waren überschaubar. Neben den Aspekten zu den Betriebskosten durch die monatlichen Subscriber-Gebühren pro Modem waren sicher noch die Frage „Fange ich noch mit GSM/GPRS an oder setze ich gleich auf LTE?“ und die immer noch unzureichende Netzabdeckung beziehungsweise die damit verbundene Antennenproblematik von Bedeutung.

Inzwischen ist alles anders. Durch die disruptiven Entwicklungen in den lizenzfreien Bändern – zum Beispiel LoRa und Sigfox für 868 MHz in ­Europa beziehungsweise 915 MHz in den USA – wurde deutlich, dass man auch ohne Mobilfunkbetreiber relativ einfach und vor allem hinsichtlich der Betriebskosten sehr viel günstiger ‚Long Range Wire­less‘ für das (I)IoT realisieren kann. Neben der unzureichenden 2G/3G/4G-Netzabdeckung haben LoRa und Co. gleich noch ein weiteres Problem gelöst: Die meisten IIoT-Anwendungen übertragen nur sehr kleine Datenmengen, beispielsweise einmal pro Tag den Füllstand eines Behälters an ein ERP-System. ­Dafür benötigt man kein superschnelles LTE, aber vielfach die Möglichkeit, einen Low-Power-Sender über viele Jahre hinweg mit einer einzigen Batterie zu betreiben. Insofern konzentrierte man sich auf ‚Kbps‘ (Kilobit per Second) statt ‚Gbps‘ (Gigabit per ­Second), also ‚Low Data Rate‘ statt ‚High Speed‘. Betitelt wurde das Ganze als ‚Low Power Wide Area‘ (LPWA). Eckpunkte sind Long Range (Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über 10 km), Low Power (Batterie-Lebensdauer maximal zehn Jahre) und Low Data Rate.

Die LPWA-Funkschnittstellen lassen sich in zwei Gruppen untergliedern: Die einen (zum Beispiel LoRa und Sigfox) nutzen lizenzfreie ISM-Frequenzen. Die anderen (NB-IoT) werden in die bereits vorhandene Mobilfunk-Infrastruktur eingebunden.

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LoRa, Sigfox und andere lizenzfreie LPWA-Ansätze sind nun aber eine echte Bedrohung für die gesamte Mobilfunk-Wertschöpfungskette in den lizenzbehafteten Frequenzbändern. Zumal sie dafür sorgen könnten, dass die etablierten ­Mobilfunker vom Device-/Subscriber-Wachstum durch IIoT-Anwendungen ausgeschlossen werden. Das wäre mittelfristig existenzbedrohend, zumal in den Industrienationen mit klassischem Mobilfunk praktisch kein Zuwachs mehr zu erzielen ist. Also hat man bemerkenswert schnell gehandelt. Das 3GPP (3rd Generation Partnership Project, eine weltweite Kooperation verschiedener Standardisierungsgremien für den Mobilfunk) hat über den Spezifikations-Release 13 mit LTE-M beziehungsweise LTE-MTC (Sammelbegriff für ‚Machine Type Communication‘) Standards für das IIoT verabschiedet, die inzwischen zur Verfügung stehen und in der Praxis erprobt werden.

Wenn sich auf einem größeren Betriebsgelände mehrere Automatisierungstechnik-Elemente wie Sensoren, Aktoren oder Steuerungen befinden (die sogenannte OT-Domain – siehe Artikel “'Edge-Computing' im Internet of Things”), die hin und wieder per Funk ein paar Zustandsdaten an eine Cloud übermitteln müssen, lassen sich über die lizenzfreie LPWA-Funktechnologie deutlich Kosteneinsparungen für SIM-­Kartengebühren erzielen. Ein einziges LoRa-Gateway mit einer SIM-Karte reicht aus, um beispielsweise vielen hunderten Sensoren die Datenweitergabe an die Cloud zu ermöglichen. Die Devices lassen sich aufgrund der geringen Stromaufnahme mehrere Jahre mit einer einzigen Batterie betreiben.

Neue M2M und IoT-Standards

In Zukunft werden immer mehr Systeme eine ab Werk eingebaute und vollständig vorkonfigurierte LPWA-Funkschnittstelle mitbringen und bereits bei der Inbetriebnahme den ersten Funkkontakt mit der Cloud beziehungsweise dem ERP-System des jeweiligen Herstellers aufnehmen. Dafür spielen unter anderem die folgenden Standards eine Rolle:

LoRa: Hier handelt es sich um eine Low-Power-Wireless-Netzwerk-Technologie für lizenzfreie ISM-Frequenzen – etwa 868 MHz in Europa. Es wird mit kleinen (adaptiven) Datenraten gearbeitet. LoRa ermöglicht Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen 2 km (im Stadtgebiet) über 15 km (Vororte) bis zu 40 km (in sehr ländlichen Gebieten). Die erforderliche Infrastruktur mit der Verbindung zum Internet kann der Anwender über eigene Gateways (zum Beispiel LoRa-to-LTE) selber aufbauen. Es wird aber auch LoRa-Serviceprovider geben, die diese Aufgabe übernehmen. In einigen Ländern sind das sogar die etablierten Mobilfunk-Unternehmen, die über LoRa-Technologie eigene IoT-Netzwerk-Zugänge anbieten. Hinter LoRa steht die LoRa Alliance, die einen sehr großen Mitgliederzuwachs aus unterschiedlichen Bereichen zu verzeichnen hat.

Sigfox: Nutzt auch lizenzfreie ISM-Frequenzen und ist technologisch sehr ähnlich zu LoRa. Die gesamte Sigfox-Technologie treibt ein einziges Unternehmen voran, das 2009 gegründet und von Investoren mit umfangreichen Finanzmitteln ausgestattet wurde. Dieses Unternehmen will zusammen mit Partnern auch die für Sigfox erforderliche Infrastruktur aufbauen. Bei lediglich 5 Mio. Euro Umsatz im Jahr 2015 und 190 Mitarbeitern dürfte das aber sehr schwierig werden.

NB-IoT (LTE Cat-NB1) – Narrowband IoT oder auch LTE Cat-NB1: Basiert auf dem 3GPP-Release 13. Hierbei handelt es sich um eine besonders stromsparende LTE-MTC-Technologie mit geringer Übertragungsbandbreite (180 kHz) in lizenzpflichtigen LTE-Frequenzen. Wird wohl in Europa die wichtigste LPWA-Technologie der etablierten Mobilfunk-Netzbetreiber. NB-IoT erfordert keine neue Infrastruktur, sondern nur Software-Updates der bestehenden Netzzugangspunkte.

eMTC (LTE Cat-M1): Ebenfalls ein Machine Type LTE-Standard für lizenzpflichtige LTE-Frequenzen auf Grundla- ge des 3GPP-Release 13. Besitzt eine höhere Übertragungsbandbreite (1,4 MHz) als NB-IoT und eignet sich grundsätzlich auch zur Sprachübertragung. Für eMTC ist innerhalb Europas ebenfalls mit einer breiten Unterstützung durch alle namhaften Netz-Provider zu rechnen. Um diese MTC-Technik zu nutzen, reicht es in der Regel aus, die bestehenden Mobilfunkstationen mit Software-Updates auszustatten.
EC-GSM (EC-GPRS): Machine Type Communication in lizenzpflichtigen GSM-Frequenzen. Auch diese Technik basiert auf dem 3GPP-Release 13. Funktional und von der Bandbreite (200 kHz) in etwa vergleichbar mit NB-IoT. Für den Roll-out dieser IoT-Funktechnik dürfte es ebenfalls aus­reichen, Software-Updates in die bestehenden Mobilfunk-Stationen einzuspielen.

oneM2M Rel. 2 Specification: Das oneM2M Partnership Project, ein weltweiter Verbund für globale M2M- und IoT-Standards mit über 200 Mitgliedern aus der gesamten Mobilfunk-Wertschöpfungskette, hat erst vor wenigen Monaten eine neue Spezifikation mit den relevanten LPWA-Kommunikationsprotokollen verabschiedet. Demnach funken zahlreiche OT-Systeme in Zukunft wohl per HTTP, MQTT, LWM2M und Websocket.

Autor:
Klaus-Dieter Walter ist Mitglied der Geschäftsführung bei SSV Software Systems.