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TechnikLoRa und Sigfox

Draht­lose Kommu­ni­ka­tion für das Internet of Things

Lesezeit ca.: 5 Minuten
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.