Daher ist eine effektive Vernetzung zwischen den Sensoren und Aktoren unerlässlich (Bild 1). Die Zahl dieser Komponenten wächst kontinuierlich aufgrund der zunehmenden Digitalisierung und der Vielzahl von Anwendungsgebieten. Dazu zählen unter anderem:
- Produktion
- Transport
- Logistik
- Öffentliche Verwaltung
- Gesundheitswesen
- Allgemeine Sicherheit
- Verkehrswesen
Für IoT gilt folgende Zielsetzung: Es sollen automatisch Informationen aus der realen Welt erfasst, verknüpft und im Internet verfügbar gemacht werden. Dieser Bedarf ist gegeben, weil in der realen Welt alle »Dinge« bestimmte Zustände aufweisen, die im Internet nur verarbeitet werden können, wenn deren Zuführung vom jeweiligen Sensor und nach der Verarbeitung die weitergehende Verbindung zum jeweiligen Aktor erfolgt.
Der Aufwand für die erforderliche Kommunikation zwischen den Sensoren und Aktoren hängt von der jeweiligen Aufgabenstellung ab und ist durch entsprechende Leistungsmerkmale (Datenrate, Latenz, Störabstand, Nutzungsdauer, …) gekennzeichnet. Die Verbindung zum und vom Internet kann dabei leitungsgebunden oder funkgestützt erfolgen. Leitungsgebundene Konzepte sind durch Feldbussysteme, Ethernet-Infrastrukturen und Powerline (PLC) realisierbar, die allerdings nur stationären Einsatz ermöglichen. Außerdem erfordert jede Erweiterung der Übertragungskapazität einen technischen und zeitlichen Aufwand. Funkgestützte Konzepte haben dagegen den Vorteil, dass sie auch für mobile Objekte verwendbar sind und sich einfacher, schneller und kostengünstiger implementieren lassen. Daraus resultieren flexiblere Nutzungsmöglichkeiten, weshalb nachfolgend nur die »drahtlose« Kommunikationsvariante behandelt wird.
Klassifizierung der IoT-Funknetze
Funknetze lassen sich nach unterschiedlichen Kriterien bewerten. Dazu gehören unter anderem:
- Verfügbare Bandbreite
- Maximale Datenrate
- Frequenznutzung (frei oder lizensiert)
- Dämpfungsverhalten
- Reichweite
- Echtzeitfähigkeit
- Energiebedarf
- Betriebsform (öffentlich oder privat)
- Netzstruktur (Punkt-zu-Punkt oder Mesh)
Eine leicht nachvollziehbare Klassifizierung der Funknetze für das IoT ergibt sich, wenn jeweils die Kombination der Leistungsmerkmale Datenrate und Reichweite betrachtet wird. Grundsätzlich lassen sich dann die im Bild 2 dargestellten Netzklassen unterscheiden.
WLAN (wireless local area network): In diese Klasse gehören alle auf IEEE 802.11 basierenden Wi-Fi-Netze in den lizenzfreien Frequenzbereichen 2,4 GHz, 5 GHz und 6 GHz. Die Datenraten liegen dabei typischerweise zwischen 1 Mbit/s und 10 Gbit/s. Die Reichweiten betragen je nach baulichen Gegebenheiten bis zu 200 m.
WPAN (wireless personal area network): Hierzu gehören alle Funknetze mit Reichweiten ab 1 cm bis etwa 100 m. Die Datenraten liegen dabei typisch zwischen 2 kbit/s und 2 Mbit/s. Solche Netze sind durch geringen Energiebedarf gekennzeichnet und eignen sich deshalb auch für batteriebetriebene Endgeräte.
Mobilfunk (4G (LTE), 5G, 6G): Diese Klasse umfasst die zellularen Mobilfunknetze der Generationen 2G bis 6G. Dabei wird in lizenzierten Frequenzbereichen gearbeitet. Entwicklungsbedingt sind jedoch nur noch 4G (LTE), 5G und 6G für die Übertragung relevant. Die Übertragungsreichweiten zwischen Basisstation und Endgerät liegen in städtischen Gebieten bei etwa 1 km, während es in ländlichen Gebieten bis zu 20 km sein können. Für die Datenraten beträgt der kleinste Wert 54 kbit/s, während es für den Maximalwert derzeit etwa 10 Gbit/s sind.
LPWAN (low power wide area network): Netze in dieser Klasse decken Reichweiten bis 2 km ab. Die Datenraten liegen typisch zwischen 100 kbit/s und 1 Mbit/s. Diese Netze haben einen geringen Energiebedarf, weshalb sie auch für batteriebetriebene Endgeräte geeignet sind.
Besonders das 5G-Profil mMTC (massive machine type communications) bietet wichtige Eigenschaften für den Einsatz im IoT. So wird es beispielsweise im Konzept der Smart City, aber auch in industriellen Umgebungen wie Industrie 4.0 eine hohe Dichte vernetzter Sensoren und Aktoren geben. Mit mMTC ist es möglich, bis zu 1 Mio. vernetzter Objekte pro km2 einzubinden. Dabei sind folgende Leistungsmerkmale von Bedeutung:
- Präzise Zeitsynchronisierung
- Unterstützung des IEEE TSN [time sensitive networking]
- Hohe Verfügbarkeit
- Geringe Latenzen
Außerdem ermöglicht 5G auch den Betrieb von Campusnetzen, bei denen es sich um nicht-öffentliche Mobilfunknetze innerhalb definierter Bereiche (z. B. Fabriken, Gebäude, Betriebsgelände, …) handelt. Damit sind vielfältige Anwendungen in allen Bereichen realisierbar, bei denen individuelle Kommunikation von Bedeutung ist.
Die zuvor dargestellte Klassifizierung der Funkdienste bietet nur eine grobe Orientierung für IoT-relevante Funknetze, weil sich die Funkstandards und die IoT-Anwendungen ständig weiterentwickeln und die Grenzen zwischen den Klassen zunehmend verschwinden. Zum Beispiel ist WBAN (Wireless Body Area Network) eine interessante Ergänzung zu WPANs. Dabei wird die Reichweite auf eine einzelne Person als Träger von IoT-Geräten beschränkt. Das primäre Einsatzgebiet ist die Vernetzung medizinischer Sensoren und Aktoren im Gesundheitsbereich.
Werden im Rahmen der WPAN-Klasse auch die bekannten Nahfunksysteme RFID und NFC betrachtet, dann wird dafür die Bezeichnung Proximity Networks verwendet. In Tabelle 1 sind die unterschiedlichen IoT-Funknetze dargestellt.
Tabelle 1: Vielfalt der IoT-Funknetze
Störeffekte bei der Funkübertragung
Der prinzipiellen Flexibilität von Funknetzen stehen auch typische Anfälligkeiten für störende Effekte gegenüber. Idealerweise besteht bei einer Funkübertragung eine Sichtverbindung (Line of Sight, LoS) zwischen Sender und Empfänger, wodurch das Signal nur der Freiraumdämpfung unterliegt. In der Praxis gibt es jedoch zahlreiche Einflussgrößen, die eine Kommunikation im Outdoor- und / oder Indoor-Bereich beeinträchtigen oder sogar vollständig verhindern können.
In solchen Fällen ist es notwendig, spezifische Lösungsansätze zu prüfen. Dazu zählen unter anderem der Einsatz von Repeatern, der streckenweise Übergang auf leitungsgebundene Übertragung, die Optimierung der technischen Spezifikationen auf der Sende- und/oder Empfangsseite sowie die Änderung der Antennenpositionen auf einer oder beiden Seiten.
Die Nutzung lizenzfreier Frequenzbereiche ist aus Kostengründen attraktiv, weshalb diese Ressource auch stärker genutzt wird. Damit steigt allerdings die Wahrscheinlichkeit von Interferenzen, deren Störwirkung nur durch den Einsatz unterschiedlicher Übertragungsverfahren und / oder spezifischer Zugriffsverfahren teilweise oder vollständig kompensierbar ist.
Deshalb bietet sich die Nutzung lizenzpflichtiger Frequenzbereiche für IoT an. Ein wichtiger Aspekt jeder Übertragung ist die Frequenzwahl, weil der physikalische Effekt der Dämpfung nicht vernachlässigt werden darf. Das betrifft besonders die durch Wände bewirkten Werte. Es ist deshalb unbedingt zu berücksichtigen, dass Signale im MHz-Bereich weniger Dämpfung verursachen als solche im GHz-Bereich. Daraus resultiert stets der Bedarf eines zielgerichteten Frequenzmanagements.
Planung von IoT-Funknetzen
Um betriebliche Probleme zu vermeiden, sind vor Inbetriebnahme eines IoT-Funknetzes nachfolgende Aktivitäten erforderlich:
Anforderungen analysieren: Es werden die Anforderungen der IoT-Anwendungen analysiert, das umfasst die Zahl und Verteilung der Endgeräte, die Geschwindigkeit der mobilen Endgeräte, das Informationsaufkommen pro Endgerät und die Anzahl der gleichzeitig aktiven Endgeräte.
Zielumgebung analysieren: Die Untersuchung der Outdoor- und Indoor-Umgebung in einem IoT-System. Dazu gehört bei Outdoor-Umgebungen die Topografie (Geländestruktur) und die Morphographie (Bebauung und Bewuchs). Bei Indoor-Umgebungen die Gebäudepläne, die Baumaterialien und die Innenausstattung der Räume.
Auswahl der Funktechnik: Bei den technischen Details sind unter anderem die Reichweite, die Datenrate, der Energiebedarf, die Dämpfung und die Störfestigkeit maßgebend. Zu berücksichtigen sind auch die nicht-technischen Aspekte: Marktakzeptanz der Funktechnik und Verfügbarkeit entsprechender Endgeräte.
Koexistenz mit anderen Funknetzen planen: Es sind aktive oder geplante weitere Funknetze zu identifizieren. Sollte sich dabei eine Gleichfrequenznutzung mit dem geplanten IoT-Funknetz ergeben, dann sind mögliche Konflikte zu ermitteln und im Bedarfsfall Koexistenzmaßnahmen zu planen. Dazu gehören grundsätzlich folgende Möglichkeiten für die Netze:
- Räumliche Entkopplung durch Einsatz unterschiedlicher Funkfelder
- Zeitliche Entkopplung durch Einsatz unterschiedlicher Aktivitätszeiträume
- Frequenzmäßige Entkopplung durch Einsatz unterschiedlicher Frequenzen
- Es kann auch eine Kombination verschiedener Maßnahmen erfolgen.
Funkfeldplanung: Dabei handelt es sich primär um die Standorte der Basisstationen sowie die Spezifikationen und Ausrichtungen der Antennen. Wird eine hohe Ausfallsicherheit gefordert, dann ist der Aufbau einer redundanten Funkabdeckung erforderlich. Wenn die Zielumgebung bereits existiert, dann können dort durch Vorabmessungen Planungswerte ermittelt werden. Falls die Zielumgebung noch nicht existiert, dann können erforderliche Daten für die Funkfeldplanung mithilfe spezifischer Verfahren berechnet werden.
Für Schnellleser
Für alle aufgezeigten Aufgaben stehen umfangreiche Planungswerkzeuge im Markt zur Verfügung. Mit ihnen ist die professionelle Planung von IoT-Funknetzen möglich
Deren fachgerechte Realisierung gewährleistet dann einen hohen Wirkungsgrad für alle relevanten Anwendungen
Autor:
Ulrich Freyer, Analyst für Medientechnik und Fachjournalist