TechnikLoRa und Sigfox

Drahtlose Kommunikation für das Internet of Things

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Christoph Hammerschmidt

Christoph Hammerschmidt

freier Journalist

Nicht immer sind die bekannten Mobilfunknetze die ideale Lösung für die Kommunikation zwischen Maschinen im Internet der Dinge. Bei vielen Anwendungen kommt es auf einen extrem niedrigen Energieverbrauch oder geringste Kosten an. Dafür entstehen gerade speziell optimierte Funknetze.

18. März 2016

Nach der Vernetzung von Computern und Telefonen stellt die Vernetzung von Sensoren und Aktoren die nächste Stufe der Evolution dar. Maschinen, Anlagen, ganze Produktionsstraßen werden mit Rechnern, mit Datenspeichern, mit der Cloud verbunden. Das ist es, was man gemeinhin unter dem Internet of Things (IoT) versteht.

Nicht alle Datenquellen sind gleich: Da gibt es welche, die sekündlich Datenmengen von vielen Megabytes ausspeien, andere husten nur alle paar Tage einige Bytes hervor. Das Spektrum der Möglichkeiten ist riesig, es reicht von der Webcam, die immerhin alle paar Sekunden ein Bild überträgt, das einige hundert Kilobyte bis Megabyte umfasst, bis hin zu dem Sensor in der Autobahnbrücke, der nur dann einen Mucks macht, wenn der Riss in der tragenden Konstruktion nach vielen Jahren zur Tatsache geworden ist.

Unendlich viele Möglichkeiten

Dazwischen liegen unendlich viele verschiedene Sensoren, die mehr oder weniger viele Daten absondern: Sensoren, die im Parkhaus melden, welche Stellplätze gerade frei sind, im gepflegten Rasen des Golfplatzes nach Bewässerung rufen oder in den Gärtanks von Weingütern den Reifeprozess der Spätlese überwachen; Gaszähler, die einmal im Monat ihren aktuellen Stand bekanntgeben, Hundehalsbänder mit eingebautem GPS-Empfänger, die alle paar Minuten die Position des vierbeinigen Lieblings an Frauchens Smartphone senden ... Die Aufzählung ließe sich schier endlos fortsetzen.

So vielfältig und unterschiedlich wie die Aufgabenstellungen dieser Sensoren sind die Übertragungsverfahren, mit denen sie ihre Daten der Zentrale mitteilen. Nicht überall ist es möglich, die Anbindung ans Netz über ein Kabel vorzunehmen. Für alle diese Fälle, in denen drahtlose Kommunikation angesagt ist, haben findige Ingenieure eine unüberschaubare Anzahl von Funktechniken entwickelt. Je nach den Gegebenheiten der Anwendung sind unterschiedliche Techniken erforderlich, die auf bestimmte Eigenschaften wie Preis, Reichweite oder Stromverbrauch optimiert sein können. Drahtlose Lichtschalter beispielsweise funken häufig per EnOcean-Technik, die ihre Sendeenergie aus der mechanischen Betätigung des Schalters bezieht und daher ohne Batterien auskommt. Andere verbreitete Kurzstrecken-Funktechniken für die Machine-to-Machine-Kommunikation sind etwa Zigbee oder Z-Wave. Auch Techniken aus der Consumer-Industrie wie Bluetooth oder WiFi kommen im Internet der Dinge häufig zum Einsatz.

Energiesparende Technik

Bei vielen Anwendungen, etwa im Themenkreis „Smart City“, müssen die Funksignale größere Entfernungen überbrücken. Hierfür bieten sich zunächst die gängigen zellulären Techniken an – doch auch sie können nicht alle Anwendungen optimal bedienen. Im Weitverkehrsbereich machen aktuell zwei Alternativen zu den herkömmlichen Mobilfunknetzen von sich reden: LP LoRa WAN (kurz: LoRa) und Sigfox. LP LoRa WAN steht für Low Power Long Range Wide Area Network. Entwickelt wurde die Technik von der LoRa Alliance, der unter anderem Cisco, IBM, der Chiphersteller STMicroelectronics und der niederländische Telekommunikationskonzern KPN angehören. Ziel der LoRa-Entwicklung ist eine energiesparende Technik für die Zweiwege-Kommunikation batteriebetriebener Netzknoten. Die Reichweiten liegen bei zehn Kilometern und mehr; damit übersteigen sie die Reichweite eines normalen Mobilfunkmodems.

LoRa funkt auf dem lizenzfreien ISM-Band, in der EU also im Bereich zwischen 867 bis 869 MHz. In der LoRa-Welt gibt es verschiedene Datenraten zwischen 0,3 und 50 Kilobit je Sekunde. Die Sensorknoten kommen mit wenig Energie aus; eine Batterie soll mindestens ein Jahr lang ihren Dienst tun, bevor sie ausgewechselt werden muss. Die Knoten senden ihre Daten über eine mehrstufige Gateway-Kette an dahinterliegende Netzwerkserver, von wo aus sie auf ihre Anwendungsserver verteilt werden. Ein weiteres Entwicklungsziel sind niedrige Hardwarekosten, so bauen die Datenkonzentratoren/Gateways typischerweise auf preiswerten Arduino-Boards auf. Die Verbreitung der LoRa-Technik stützt sich weitgehend auf offene Initiativen, die ihre Projekte teils über Crowdsourcing finanzieren.

Große Reichweite

Den kommerziellen Kontrapunkt hierzu stellt die Sigfox-Technik des gleichnamigen französischen Konzerns dar. Wie LoRa bedient sie Anwendungswelten, bei denen es auf extrem niedrigen Stromverbrauch bei großer Reichweite der sendenden Knoten ankommt. Wie LoRa nutzt Sigfox das ISM-Band für den Datenverkehr. Und wie bei LoRa beruht die Kombination aus großer Reichweite und hoher Energieeffizienz der Sendetechnik auf einer extrem schmalbandigen Modulation des Signals – eine Technik, die die übertragbare Datenmenge jedoch in einem sehr engen Rahmen hält. Maximal 100 Bit pro Sekunde lassen sich per Sigfox übertragen. Oberhalb der physikalischen Ebene gibt es weitere Einschränkungen: Jedes Sigfox-Gerät darf pro Tag maximal 140 Nachrichten mit je 12 Bytes „Payload“ versenden.

Zum Ausgleich erhält der Anwender eine recht große Reichweite. Deren genaue Höhe hängt von verschiedenen Faktoren wie Geländebeschaffenheit oder der Frage ab, ob die Funkwellen Wände durchdringen müssen und aus welchen Materialien diese gefertigt sind. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass Sigfox-Funkzellen wesentlich größer sein können als „normale“ Handy-Funkzellen. Beispielsweise soll eine einzige Sigfox-Basisstation ausreichen, um das gesamte Stadtgebiet von San Francisco zu versorgen. Zu vergleichsweise geringen Kosten hat Sigfox bereits eine landesweite Abdeckung in Großbritannien, Spanien und den Niederlanden aufgebaut. In Frankreich und Portugal wird das Netz gerade ausgebaut. Ein weißer Fleck auf der Sigfox-Weltkarte ist Deutschland – weitgehend jedenfalls. Laut Sigfox ging kürzlich in München immerhin eine Basisstation online.

Kommunikationsnetz in deutschen Metropolen

Da ist LoRa schon weiter. Das Hamburger Startup-Unternehmen digimondo will in vielen deutschen Metropolen ein Niedrigenergie-Kommunikationsnetz mit großer Reichweite für das Internet der Dinge aufbauen. Eine der ersten Anwendungen: Ein Bootsverleiher will seine Sportboote auf der Außenalster mit Sensoren ausstatten, welche deren Position regelmäßig per LoRa an die Zentrale funken. Damit sich kein Boot mehr auf die große Reise macht.