Für die Vernetzung im Industrial Internet of Things (IIoT) gibt es verwirrend viele Technologien. Eine Entscheidung ist nicht einfach und hängt in erster Linie vom Anwendungsfall ab. Der Artikel von Roland Becker, Geschäftsführer der Becker-IoT Beratung für Digitalisierung und Vermittlung von IoT-Mobilfunk, stellt Optionen und Auswahlkriterien am Beispiel von Geotracking in der Baubranche vor.
Die Autoren: Roland Becker, Mobilfunkexperte und Gründer von Becker IoT und Ing. Madeleine Mickeleit, Gründerin von IIoT Use Case.
Die Vernetzung von Maschinen und Anlagen gibt den Unternehmen viele Vorteile. Sie erhalten wertvolle Daten, können Maschinen automatisieren und vergrößern die Transparenz des Geschäfts. Doch es gibt zahlreiche Möglichkeiten der Vernetzung, sodass die optimale Lösung immer vom Anwendungsfall abhängt.
Zum Beispiel die Baubranche: Sie verliert durch Diebstahl viele Millionen Euro. Beliebtes Ziel der Kriminellen sind teure Baumaschinen und Fahrzeuge. Doch manchmal vergisst ein Mitarbeiter auch nur die Meldung an die Disposition, dass die Maschine auf einer anderen Baustelle steht. Beides stört den Ablauf der Bauprojekte. Eine Lösung bietet das Industrial IoT (IIoT): Geotracking ermittelt die Position der Maschinen und Fahrzeuge. Das ist auch bei gestohlenen Fahrzeugen hilfreich, Diebe haben keine Chance.
Dieser Anwendungsfall aus dem Netzwerk von IIoT Use Case sieht grundsätzlich so aus: An jeder Maschine ist ein vernetzter GPS-Tracker angebracht. Er ermittelt regelmäßig die Position der Maschine und sendet sie an eine zentrale Anwendung. Dadurch weiß das Unternehmen jederzeit, wo sich die Maschine befindet. Diese Lösung ist vor allem bei Diebstahl interessant, da die Geräte nun nicht mehr spurlos verschwinden können.
Bei diesem Anwendungsbeispiel gibt es für die Vernetzung zwei wichtige Anforderungen. Die gewählte Technologie für die Anbindung an das IoT muss erstens an jedem beliebigen Ort eine Verbindung aufbauen können und zweitens so energiesparend arbeiten, dass Batteriewechsel nur selten nötig sind.
Funktechnologien für das Industrial Internet of Things
Auf dem Markt gibt es inzwischen eine Vielzahl an unterschiedlichen Funktechnologien, von denen sich auf den ersten Blick viele für das Tracking eignen. Ein erster Blick auf den Markt zeigt, dass es zwei relativ klar getrennte Segmente gibt: Erstens den Nahbereich, der von ZigBee über Bluetooth und vielen anderen bis zu WLAN reicht und zweitens die „Wide Area Networks“ inklusive der öffentlichen Mobilfunknetze (2G-5G, Narrowband-IoT, LT-M, LoRa WAN, Sigfox). Genau auf diese Standards soll nun im Hinblick auf die Nutzung bei IoT Use Cases und der Maschinenkommunikation eingegangen werden.
Funktechnologien nach Reichweite und Standard. Grafik: Becker IoTAuf der einen Seite stehen die standardisierten Mobilfunktechnologien 3G (UMTS) und 4G (LTE). Sie sind eine Fortentwicklung des ersten weltweiten Standards „GSM“ (2G). Mit jeder Generation wurden vor allem die übertragenen Datenmengen erhöht, aber auch neue Frequenzen eingesetzt. Diese entwickelten sich seit 1992 sehr dynamisch von 45 Mhz Bandbreite zum Start von GSM bis hin zu 420 MHz, die seit der 5G-Auktion im Jahre 2019 verfügbar sind.
Im Gegensatz zu diesen lizenzierten, also kostenpflichtigen und regulierten Frequenzen wurden in den letzten Jahren Möglichkeiten geschaffen, unlizenzierte Frequenzbänder für die Datenübertragung zu Nutzen. Daraus gingen LoRa WAN und Sigfox hervor – eine Alternative zu den klassischen Mobilfunktechniken.
Um auf den steigenden Bedarf von IoT Use Cases zu reagieren, definierte das Mobilfunkgremium 3GPP modifizierte Standards. Diese werden als CAT-NB1 und CAT-M bezeichnet und fungieren unter den Marketing-Bezeichnungen „Narrowband-IoT (NB-IoT)“ und „LTE-M“. Beide basieren auf LTE und zeichnen sich durch eine robustere Modulation bei reduzierter Datenrate aus.
Narrowband-IoT verzichtet dabei ganz auf Telefonie und ist kompromisslos für kleinste Datenmengen optimiert. LTE-M ist auf der Dienstebene kompatibel zu LTE und bietet günstige, stromsparende Hardware. So ist dieser Standard der Nachfolger für alle Machine-to-Machine Anwendungen, die auf dem auslaufenden 2G basieren.
Die optimale Technologie für Geotracking
Die Vernetzungstechnologie für das Fallbeispiel lässt sich anhand von sieben wichtigen Kriterien eingrenzen. Es geht im Einzelnen um die Datenrate, den Energieverbrauch, die Netzabdeckung und weltweite Verfügbarkeit, die Kosten für Hardware und Netzanbindung sowie um die Integration in eine vorhandene IT-Infrastruktur.
Datenrate
Für die Anwendung sind sehr wenige Daten zu erwarten. Eine Standortüberwachung lässt sich je nach Häufigkeit der Positionsbestimmung mit wenigen Megabyte im Monat realisieren. Für die Technologie bedeutet dies keinerlei Einschränkungen „nach unten“, der Einsatz von Schmalbandtechnologien wie NB-IoT, LTE-M, Sigfox und LoRa ist ebenfalls möglich.
Energieverbrauch
Wirklich mobile Anwendungen arbeiten oft dort, wo keine Stromversorgung existiert: Beim Tracking von Gegenständen, Einsatz von kleinen Sensoren oder einfach, weil eine Stromversorgung den Aufwand für den Einbau erheblich steigert. Hier schlägt die Stunde der Schmalbandtechnologien, denn diese sind für Stromsparen optimiert.
Im Fall des Tracking und Diebstahlschutzes lassen sich Geräte bauen, die mit Batterien mehrere Jahre Laufzeit erreichen. Die klassischen Standards von 2G bis 4G lassen das nicht zu, bei LTE-M fehlen aktuell noch ausreichende Praxiserfahrungen für die Batterietauglichkeit. Folglich ist der Energieverbrauch hier das wichtigste Argument für die Schmalbandstandards NB-IoT, Sigfox und LoRa.
Netzabdeckung
Bei der Frage, welche der drei verbleibenden Technologien sich am besten eignet, ist die Netzabdeckung ein wichtiges Kriterium. Beim Diebstahlschutz scheiden LoRa-Lösungen aus, da sie nicht flächendeckend verfügbar sind. LoRa entfaltet sein Potential auf definierten Einsatzgebieten wie zum Beispiel einem Stadtgebiet oder eigenen Betriebsflächen.
Also bleiben NB-IoT und Sigfox als Mittel der Wahl. NB-IoT wird auf Randfrequenzen der LTE-Sender ausgestrahlt und ist aktuell bei Vodafone und der Telekom nahezu im gesamten Netz verfügbar. Besonderer Pluspunkt ist dabei die größere Reichweite von NB-IoT gegenüber „normalem“ LTE. Das NB-IoT Modem besitzt eine höhere Empfindlichkeit und übertragt auch dort noch Daten wo ein Smartphone keine Balken mehr anzeigt. Andererseits wird bei NB-IoT gewöhnlich nur ein Netz genutzt und nicht wie bei 2G-4G Multi-Netz-Karten, die sich in mehrere Netze einbuchen.
Sigfox, der Betreiber der gleichnamigen Technologie bietet ebenfalls eine deutschlandweite Versorgung an und ist an dieser Stelle eine weitere mögliche Lösung.
Internationale Verfügbarkeit
Eng verbunden mit der Funkabdeckung ist die Frage, ob eine internationale Verfügbarkeit erforderlich ist. Beim Diebstahl von Maschinen sollte auch ein Transport ins Ausland erkannt werden. Hier bietet LTE die mit Abstand beste weltweite Verfügbarkeit, da die 2G/3G-Netze in der nächsten Zeit abgeschaltet werden, mit unterschiedlichen, länderspezifischen Terminen.
Für Narrowband-IoT gibt es seit Mitte 2020 erste Roaming-Abkommen, aber nur für einzelne Länder in Europa. Hier ist also je nach gewünschtem Land ein Kompromiss notwendig: Viele NB-IoT-Module erlauben auch die Nutzung von 2G. Damit verbessert sich die Verfügbarkeit, aber der Stromverbrauch steigt enorm an. Sigfox dagegen versorgt nahezu alle Länder in Europa, bietet aber leider keinen Fallback auf einen anderen Standard.
Hardwarekosten
Modemchips für 2G, LoRa, Sigfox, Narrowband-IoT und LTE-M sind zwischen knapp zehn Euro und etwa 20 Euro pro Stück erhältlich. LTE-Module kosten im günstigsten Fall rund 40 Euro. Im Falle der schnellen LTE-Advanced-Technik werden aber auch 200 Euro überschreiten. Daraus ergeben sich Router-Preise für LTE von 100 bis 800 Euro. Vereinfacht gesagt gilt die Faustregel: Je geringer die Geschwindigkeit, desto günstiger die Hardware.
Laufende Mobilfunkgebühren
In der Vergangenheit entstanden hier immer hohe Kosten. Heute sind kleine Datenmengen über alle Standards und die Schmalbandnetze für weniger als einen Euro im Monat übertragbar. Sogar hohe Volumina wie Gigabytes sind in vielen Anwendungsfällen wirtschaftlich zu senden.
Die Konsequenz: Beim Geotracking sind wegen der vergleichsweise geringen Datenrate die Übertragungskosten nicht ausschlaggebend für die Entscheidung der favorisierten Technologie.
Integration und Management
Klassische Mobilfunktechnologien lassen sich relativ einfach in vorhandene Infrastrukturen integrieren, da sie die gleichen Protokolle wie bei WLAN oder im Firmennetz nutzen können. Anders dagegen bei den schmalbandigen Technologien: Hier sind schlankere Protokolle erforderlich, die von einer zusätzlichen Anwendungsschicht übersetzt werden.
Im vorliegenden Fall bringt der Lösungsanbieter die erforderliche Integration mit. Der Anwender muss diesen Punkt nicht weiter beachten. Hinzu kommt bei allen Technologien das Management der SIM-Karten, die in den hochentwickelten Managementportalen der jeweiligen Anbieter verwaltet werden. Sie besitzen meist auch Schnittstellen, mit denen Anwendungen ohne Rückgriff auf die Benutzeroberfläche des Portals Verwaltungsfunktion umsetzen können.
Fazit: Die Schmalbandtechnologie punktet
Für die Ortung von Baumaschinen bietet sich eine Schmalbandtechnologie an. Sie ermöglicht eine wartungsfreie Batterieversorgung über einen langen Zeitraum hinweg. Außerdem ist in diesem Anwendungsfall eine maximale Funkversorgung Ausland wichtig.
Damit bleiben NB-IoT und Sigfox in der engeren Auswahl. Die letztendliche Entscheidung hat in diesem Fall der Lösungsanbieter getroffen. Er setzt bei seiner Hardware auf NB-IoT und betont dabei den Aspekt, dass diese Technologie ein Vorläufer des zukünftigen 5G-Standards ist.
Weitere Details zum Use Case und viele andere Anwendungsbeispiele für Lösungen im Industrial IoT finden Sie in der Sammlung des Blogs IIoT Use Case. (ag)
Becker IoT
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