IoT-Konnektivitätslösungen für kleine Datenmengen Bestens angebunden

Die Einführung von IoT-Anwendungen, die über das cloud-basierte Internet der Dinge bereitgestellt werden, schreitet weiterhin schnell voran. Der Unternehmensberatung McKinsey zufolge werden weltweit jede Sekunde 127 IoT-Geräte miteinander verbunden. Marktexperten rechnen bis zum Jahr 2020 mit 20 bis 50 Milliarden vernetzten Geräten im Internet der Dinge. Neben Consumer-Gadgets wie Tablets und Wearables fürs Handgelenk gibt es auch in der Industrie vielversprechende Einsatzgebiete, zum Beispiel bei der Fertigungsautomatisierung und der Anlagensteuerung basierend auf M2M-Kommunikation (Machine-to-Machine). Auch in der Verkehrssteuerung, der Logistik, dem Umweltschutz und beim autonomen Fahren kommen zunehmend IoT-Anwendungen zum Einsatz. Die Fortsetzung der IoT-Erfolgstory wird allerdings stark davon abhängen, ob tatsächlich eine globale, grenzüberschreitende IoT-Konnektivität zu vertretbaren Kosten verfügbar sein wird. Angesichts des aktuell extrem fragmentierten Konnektivitätsangebots und der sich größtenteils noch in der Entwicklung befindlichen Infrastruktur ist das jedoch noch nicht absehbar.

Lizenzierte Dienste

Die Entwicklung von neuen IoT-Geräten erfordert eine energie- und kosteneffiziente Konnektivitätstechnologie, die sowohl Interoperabilität als auch Sicherheit und Skalierbarkeit gewährleistet. Dafür existieren zurzeit verschiedene Ansätze. Entweder basieren diese auf den Mobilfunknetzen der großen Netzbetreiber oder auf den eigenen Netzen der Anbieter. Diese sogenannten LPWA-Netzwerke (Low Power Wide Area) werden in lizenzierte und nicht-lizenzierte Dienste unterteilt:

• Lizenzierte IoT-Konnektivitätsdienste werden über die nationalen Mobilfunknetze angeboten, beispielsweise durch die Deutsche Telekom. Die erforderlichen lizenzpflichtigen Frequenzen werden vom Staat versteigert.

• Für nicht-lizenzierte IoT-Konnektivitätsdienste müssen die Anbieter keine Frequenzen vom Staat erwerben, müssen aber eigene Netze aufbauen oder auf die Infrastruktur der großen Netzbetreiber zurückgreifen, um ihre Dienste bereitzustellen.

Zu den führenden lizenzierten LPWA-Technologien zählen die beiden konkurrierenden Standards NB-IoT (Narrowband-IoT) und Cat-M1, die auf dem LTE/4G-Mobilfunkstandard basieren. LTE/4G ist jedoch noch nicht flächendeckend vorhanden. Zudem ist die grenzüberschreitende Interoperabilität eingeschränkt, da sich LTE/NB-IoT-Funkmodule nicht europaweit einsetzen lassen. Mittlerweile wird bereits der Ausbau des 5G-Netzes vorangetrieben, mit Verweis auf dessen Potenzial für das Internet der Dinge. Vor 2020 bis 2022 ist jedoch nicht mit einer Verfügbarkeit in Deutschland zu rechnen.

Ausbau proprietärer Netze

Nicht-lizenzierte Technologien wie Sigfox, LoRa, Weightless oder nWave arbeiten in Europa überwiegend im lizenzfreien 868-MHz-Band. Ingenu nutzt die 2,4-GHz-WLAN-Frequenz. Nicht-lizensiert ist aber nicht gleichbedeutend mit kostenfrei für die Betreiber, und für die Nutzer ohnehin nicht. Der kostenaufwändige Ausbau proprietärer Netze beschränkt sich derzeit überwiegend auf Ballungsgebiete. Nur in einigen kleineren europäischen Ländern, wie beispielsweise den Niederlanden und der Schweiz, gibt es ein nahezu flächendeckend verfügbares LoRaWAN. In größeren Ländern wie Deutschland ist derzeit kein nicht-lizenzierter IoT-Konnektivitätsdienst, der eine flächendeckende Versorgung bieten kann, verfügbar. Immerhin: Im Zuge seines globalen Netzausbaus verspricht der französische LPWA-Netzbetreiber Sigfox, große Teile von Deutschland bis Ende des Jahres 2018 abzudecken.

Aber zunächst muss man sich klarmachen, welche Datenmengen bei uneingeschränkt mobilen IoT-Anwendungen überhaupt transferiert werden müssen. Die meisten Menschen erliegen dabei dem Missverständnis, dass es bei IoT-Konnektivität stets um große Informationsmengen geht. In Wirklichkeit müssen jedoch meist nur kleine Datenpakete kommuniziert werden, sodass eine mobile Internetverbindung gar nicht unbedingt erforderlich ist. Beispielsweise tauschen die Geräte bei herkömmlichen industriellen IoT-Anwendungen Datenmengen aus, die in einem einzigen 802.15.4-Datenpaket mit 127 Byte Platz finden – und das in zeitlichen Abständen von etwa 15 Minuten.

Weltweit genutzte Protokollfamilie

Daher stellt sich die Frage, wie viel Aufwand überhaupt nötig ist, um kompakte Nachrichten von stationären und mobilen Geräten in möglichst stabiler Servicequalität an die IoT-Plattform zu senden? Der IoT-Konnektivitätsanbieter Thingstream verfolgt hier einen alternativen Ansatz, der auf dem Messaging-Protokoll USSD (Unstructured Supplementary Service Data) basiert. USSD ist ein in jedem GSM-Netz enthaltenes Signalisierungsprotokoll und kann winzige Datenpakete mit maximal 160 Byte
übertragen. Die Übertragung erfolgt über SS7-Signalisierungskanäle, eine weltweit in der Telekommunikation genutzte Protokollfamilie.

Ein weiteres Protokoll, das häufig im IoT-Netzwerkverkehr zum Einsatz kommt, ist MQTT-SN (Message Queue Telemetry Transport for Sensor Networks), ein schlankes Publish/Subscribe-Messaging-Protokoll für M2M-Telemetrie in Umgebungen mit geringer Bandbreite. MQTT-SN verfügt über eine integrierte Servicequalität, was die Kommunikation bei mobilen IoT-Anwendungen einfacher und zuverlässiger macht. Beispielsweise wickelt das Protokoll im Fall eines kurzzeitigen Funklochs die erneute Übertragung ab und garantiert die Zustellung der Nachricht. Abhängig von der gewünschten Netzwerksicherheit und Anwendungslogik kann der Client ein entsprechendes QoS-Level auswählen.

End-to-End-Konnektivitätslösung

Der schlanke Thingstream-Ansatz basiert auf einer MQTT-SN-Kommunikation über USSD im globalen, nahezu flächendeckend verfügbaren GSM-Netz. Diese Kombination der Technologien ermöglicht es, industriell genutzte Hardware zuverlässig mit IoT-Plattformen zu verbinden, ohne dabei auf die klassischen Mobildatennetze oder WLAN zurückgreifen zu müssen. So entsteht für gängige IoT-Anforderungen erstmals eine kostengünstige Konnektivität mit internationaler Abdeckung und Mobilitätsunterstützung. Mit Hilfe der End-to-End-Konnektivitätslösung, die aus einem IoT-Modul, einem Companion-Baseboard und einer SIM-Karte besteht, können Entwickler innerhalb kurzer Zeit ihre eigenen IoT-Anwendungen aufbauen und testen.

Konnektivität über das GSM-Netz

Die Konnektivität des Thingstream-Ansatzes basiert auf dem GSM-Netz, das in über 190 Ländern verfügbar ist, ohne auf SMS oder eine Mobilfunk-Datenverbindung angewiesen zu sein. Die in der Lösung enthaltene SIM-Karte ermöglicht es Endgeräten, sich mit praktisch jedem GSM-Netz weltweit zu verbinden. So können über MQTT-Messaging kleine Datenmengen schnell, zuverlässig und kostengünstig versendet werden. Dabei wird auch bidirektionale Kommunikation unterstützt. Die IoT-Geräte verbinden sich automatisch mit einer IoT-Plattform, sobald GSM-Konnektivität vorhanden ist – wobei das stärkste verfügbare Netzwerk genutzt wird.

Höhere Sicherheit

Die Anwendungsbereiche der IoT-Konnektivitätslösung von Thingstream reichen von Asset-Tracking und Supply Chain & Facility Management über die Energieversorgung bis zur Umweltüberwachung. Da IoT-Sensoren so programmierbar sind, dass sie alle relevanten Informationen wie Feuchtigkeit, Temperatur oder Druck als Signal mit geringer Bandbreite übermitteln, lassen sich kleine und kostengünstige sensorbasierte IoT-Geräte entwickeln, mit deren Hilfe man Anlagen fernüberwachen und dadurch Wartungspläne besser vorhersagbar machen kann. Mobile batteriebetriebene IoT-Sensoren können mittels Ein/Aus-Setup besonders energieeffizient betrieben werden, indem sie nur bei Bedarf kleine Datenmengen senden. Da die Geräte nicht ständig verbunden sein müssen, hat das traditionelle Carrier-Modell der Always-on-Konnektivität ausgedient: Bei Thingstream bezahlt man nur für die Daten, die tatsächlich übertragen werden.

Ein weiterer großer Vorteil der GSM-basierten IoT-Konnektivität ist zweifellos deren Sicherheit. Bei den meisten IoT-Implementierungen – von der vorausschauenden Wartung bis hin zur Prozessautomatisierung – werden Maschinen mit der Cloud verbunden, was grundsätzlich ein Sicherheitsrisiko darstellt. Da die IoT-Konnektivität bei Thingstream aber ohne TCP/IP und somit außerhalb des Internets erfolgt, lassen sich gängige Angriffsvektoren von vornherein ausschließen. Neben der verbesserten Sicherheit bietet GSM-basierte IoT-Konnektivität aber auch hinsichtlich der Skalierbarkeit, der Interoperabilität und der Kosten entscheidende Vorteile im Vergleich zu bisherigen Mobilfunk- und Wireless-Optionen.