Überblick Internet der Dinge: Welche Funktechnik zu welcher Anwendung passt

Autor / Redakteur: Laurenz Kirchner / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wer Anwendungen für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt und plant, muss sich mit den verschiedenen Funktechniken beschäftigen. Bandbreite, Übertragungsrate und Latenz sind dabei entscheidend.

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Internet der Dinge: Welche Funktechnik eignet sich für welche Anwendung?
Internet der Dinge: Welche Funktechnik eignet sich für welche Anwendung?
(Bild: Manfred Antranias Zimmer)

Die Funktechniken NB-IoT, LTE und 5G sind im Kontext Industry of Things (IoT) derzeit gefragt. Mit diesen Übertragungsverfahren lassen sich Sensoren, Aktuatoren und in Summe ganze Assets wie beispielsweise Fertigungsmaschinen, Windparks oder auch Parkplätze über der Internet verbinden. Die gewonnenen Daten lassen sich über die drahtlosen Kommunikationswege weiterleiten und anschließend zentral verarbeiten. Sie sind wiederum Grundlage neuer Geschäftsmodelle, Produkte oder Dienstleistungen. Dazu gehören zum Beispiel Pay-per-Use-Modelle oder Dienstleistungen auf Basis des Condition Monitorings oder Predictive Maintenance (Maschinenwartung).

So vielfältig die Funktechniken sind, noch vielfältiger sind die Einsatzmöglichkeiten in der Praxis. Eine Funktechnik erfüllt niemals einen Selbstzweck. Bei der Auswahl kommt es immer auf den individuellen Einsatz (Use Case) an. An dieser Stelle sei angemerkt, dass sich mobilfunkbasierte Funktechniken insbesondere für Szenarien mit beweglichen oder schwer zu verkabelnden Anlagen und Geräten eignen. Beispiele hierfür sind vernetzte Werkzeuge oder große Kräne und Hebezeuge.

Für die Auswahl der geeigneten Funktechnik sind jeweils abhängig vom Use Case verschiedene Kriterien heranzuziehen. Die Tabelle zeigt die wichtigsten Kriterien, wie Datenrate, Reichweite und Standardisierung:

Vernetzte Parkplätze und smarte Stromzähler

Narrowband-IoT (NB-IoT) gehört zu den Low-Power-Wide-Area-Netzwerken. Es eignet sich für Anwendungen, die eine große Reichweite, lange Batterielaufzeiten der Module und eine geringe Nachrichtenfrequenz erfordern. Die Datenrate liegt bei bis 250 kBit/s. Damit ist die Funktechnik NB-IoT nicht nur energie-, sondern auch kosteneffizient. NB-IoT basiert auf dem LTE-Standard. Eine zusätzliche lokale Infrastruktur muss nicht aufgebaut werden. Die Abdeckung mit Mobilfunk am Einsatzort genügt. Über den globalen Mobilfunk-Standard LTE ist das Netz zukunftssicher und unabhängig von anderen Funktechniken. Darüber hinaus ist NT-IoT skalierbar. Viele Endgeräte lassen sich gleichzeitig miteinander vernetzen.

NB-IoT vernetzt Sensoren und statische Geräte im Feld, wenn es auf Energieeffizienz und lange Batterielebensdauer ankommt, als auf eine hohe Datenrate. Gute Beispiele sind Sensoriken für das smarte Parken oder Smart Metering. So hat das Hamburger Unternehmen „Park & Joy“ eine smartes Parking-Angebot, das auf NB-IoT-Sensoren basiert. Es hilft Autofahrern, schnell einen Parkplatz zu finden.

Funktechnik für mobile IoT-Anwendungen

Tabelle: Eigenschaften verschiedener Funktechniken im Vergleich.
Tabelle: Eigenschaften verschiedener Funktechniken im Vergleich.
(Bild: mm1)

Long Term Evolution for Machines (LTE-M) bietet ebenfalls eine hohe Reichweite, einen geringen Energieverbrauch sowie eine niedrige Bandbreite. Ähnlich wie NT-IoT basiert LTE-M auf dem LTE-Standard. Die Unterschiede der beiden Techniken finden sich im Detail. LTE-M ermöglicht eine höhere Datenübertragungsrate mit bis zu 1 MBit/s und eine geringere Latenzzeit.

Im Gegensatz zu NB-IoT ist LTE-M für mobile IoT-Anwendungen konzipiert. Geräte mit LTE-M halten die Verbindung kontinuierlich aufrecht. Ähnlich wie Smartphones verschiedene Mobilfunkzellen durchqueren. Aus diesem Grund eignet sich LTE-M für Anwendungen im Transportwesen oder in der Lieferkettenverfolgung. So können Spediteure beispielsweise ihre Fracht in Containern überwachen und bekommen Informationen über den Zustand, die Temperatur und Position der Fracht in Echtzeit. Außerdem überträgt LTE-M Sprache. Diese Funktion wird beispielsweise bei Sicherheitssystemen in Aufzügen eingesetzt, um einen Notruf abzusetzen.

Autonome Traktoren und sprechende Fahrzeuge

Anders als die beiden LPWA-Techniken, die für hohe Reichweite und geringen Energieverbrauch optimiert sind, ist das 4G LTE nicht entscheidend. Wie bei den vorhergehenden Generationen wird 4G über die Mobilfunkmasten der Telekommunikationsanbieter bereitgestellt. Damit bietet 4G LTE eine maximale Verfügbarkeit bei gleichzeitig hoher Sicherheit. Die Technik ermöglicht deutlich höhere Datenraten als die LPWA-Varianten mit theoretisch bis zu 1 GBit/s bei einer Latenz von 60 bis 98 ms und bis zu 400 Endpunkten je Mobilfunkzelle. Allerdings ist 4G LTE dafür auch weniger kosten- und energieffizient.

Höhere Datenraten eignen sich überall dort, wo große Datenmengen mit geringer Verzögerung bei mobilen Endpunkten versendet werden müssen oder eine besonders hohe Verfügbarkeit und Verlässlichkeit notwendig ist. Das sind Use Cases wie smarte Landwirtschaft, Connected Mobility, kritische Machine-to-Machine-Kommunikation oder Autonomous Guided Vehicles in der Intralogistik. Für solche Anwendungsfälle stellen deutsche Mobilfunkunternehmen teilweise dedizierte Campusnetze für Unternehmen bereit, damit eine hohe Dienstgüte sichergestellt werden kann.

Industrie 4.0 und 5G: Hohe Datenrate bei niedriger Latenz

Sind in der Industrie sehr hohe Datenraten zusammen mit einer kurzen Latenzzeit notwendig und gleichzeitig eine hohe Dichte an Endgeräten vorliegt, kommt 5G ins Spiel. Die sogenannte fünfte Generation des Mobilfunkstandards vernetzt bis zu eine Million Endgeräten auf einem Quadratkilometer. Alle verbundenen Endgeräte können über eine hohe Bandbreite mit sehr niedriger Latenzzeit von rund drei Millisekunden kommunizieren. Unter idealen Bedingungen soll die Datenrate bis zu 10 GBit/s betragen. Für den Einsatz in der Industrie werden solche Anwendungen oft als Smart Factory oder Smart Manufacturing bezeichnet.

Bekannte Anwendungen für 5G in der Industrie sind Mensch-Maschine-Schnittstellen in Form von Augmented oder Virtual-Reality-Anwendungen, die hohe Datenraten voraussetzen. Die niedrigen Latenzen bei 5G eignen sich für M2M-Kommunikation, bei der eine schnelle Reaktionsfähigkeit durch geringe Latenzen grundlegend ist. Ebenso wie für 4G LTE besteht seit 2019 für Unternehmen die Möglichkeit, Netzbetreiber eines eigenen 5G-Campus-Netzes zu werden. So können Netzbetreiber die Datensicherheit und -qualität noch einmal steigern. Bislang zählt die Bundesnetzagentur 74 solcher Campus-Netze in Deutschland, darunter befinden sich Campus-Netze von Unternehmen wie der BASF und Lufthansa.

Exkurs: 5G in China

Neben Südkorea und den Vereinigten Arabischen Emiraten ist China im internationalen Vergleich ein Vorreiter im flächendeckenden Ausbau von 5G. Die Anwender nutzen mehr Daten und der Netzausbau ging in den letzten Jahren schnell voran. Zurückzuführen sind diese Entwicklungen unter anderem auf politische Initiativen wie „Made in China 2025“ . China will bis 2025 unabhängiger Technologieführer werden. Deshalb wird 5G priorisiert. Auch die Netzinfrastruktur ist im Vergleich zu Deutschland dichter ausgebaut. Genehmigungen und Errichtungsprozesse laufen in China deutlich schneller als in Deutschland. Zudem werden in China Synergien genutzt: Mobilfunkstandorte werden zwischen den Telekommunikationsanbietern gemeinsam genutzt.
Selbst kulturelle Aspekte fließen mit ein. Dank der höheren Technikakzeptanz durch die chinesische Bürger bekommt 5G einen zusätzlichen Aufwind. Insbesondere 5G-Anwendungen wie VR und Gaming kommen in China gut an.

Weitere Funktechniken für das Internet der Dinge

Neben den vorgestellten Funktechniken wie 5G, LTE-M oder NB-IoT gibt es weitere Alternativen für IoT-Anwendungen. Dazu gehören WLAN, ZigBee, Sigfox, Z-Wave oder LoRaWAN. Die Auswahl der richtigen Funktechnik für den entsprechenden Anwendungsfall ist eine der zentralen Fragestellungen bei Planung und Umsetzung von IoT-Projekten. Dabei sind nicht nur die Kosten ausschlaggebend: Netzverfügbarkeit, Datenrate, Latenzzeit, Reichweite und Energieverbrauch müssen bei der Wahl der Funktechnik ebenfalls berücksichtigt werden.

Mit den Service „Lines IoT & Connectivity sowie Industry“ begleiten die Experten von mm1 die Unternehmen. Das beginnt damit, gemeinsam unternehmensspezifische Use Cases zu identifizieren, über die Definition von Anforderungen bis hin zur Umsetzung inklusive kontinuierlicher Evaluation. So möchte man sicherstellen, dass die passende Funktechnik für den jeweiligen Use Case ausgewählt wird. Nur so lässt sich eine nachhaltige Digitalisierung umsetzen.

5G Conference am 30. September

Die 5G Conference will informieren und Lösungen aufzeigen. Dabei geht die Gemeinschaftsveranstaltung der ELEKTRONIKPRAXIS und 5G Haus von atlantik elektronik auf die technologische Entwicklung, rechtliche Rahmenbedingungen, die Daten- und Systemsicherheit, Interoperabilität von Netzen und Systemen sowie Geschäftsmodellen ein. Details zum Programm und zur Anmeldung erhalten Sie über den Link.

Details zur 5G Conference

* Geschäftsführender Partner mm1 Consulting & Management Partnerschaftsgesellschaft.

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