Internet der Dinge richtig vernetzen

Vernetzungstechniken im Überblick

Das Internet der Dinge erfordert Vernetzungstechnologien, die auf die Anforderungen der speziellen Anwendung abgestimmt sind. Hier finden Sie einen Überblick über die wichtigsten Vernetzungstechniken.

Industrie 4.0, Smart Home, Smart City – das Internet der Dinge erfasst alle Wirtschafts- und Lebensbereiche. Bis in die hinterste Ecke im Keller, bis an die entfernt gelegene Windkraftanlage, in die abgeschirmte Produktion und unter den Straßenbelag müssen Vernetzungstechnologien reichen, wenn überall Sensoren, Motoren, ganze Maschinen und Anlagen zum Internet der Dinge verbunden werden sollen. Eine ganze Reihe sehr unterschiedlicher Technologien stehen dafür zur Verfügung: kabelgebundene und kabellose, zum Überbrücken von kurzen oder auch großen Distanzen, für kleine Datenpakete und große Datenströme in Echtzeit. Sie haben alle ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Die eine, für alle Anwendungen passende Vernetzungstechnologie gibt es nicht. Hier finden Sie einen Überblick über die wichtigsten Technologien und deren Eigenschaften, Vor- und Nachteile sowie Anwendungsbeispiele.

Festnetzverbindung

Deutschland ist zumindest in den besiedelten Gebieten flächendeckend per Festnetz versorgt. Fast alle Haushalte sind über ihr Festnetz an das Internet angeschlossen, die meisten per DSL. Das funktioniert selbstverständlich auch für einzelne Anlagen und smarte Geräte. Grundsätzlich lässt sich diese Verbindung für die Datenkommunikation mit Elementen im Internet der Dinge nutzen. Der Haken: Die Kommunikation läuft immer über einen Router, der als zusätzliches, stationäres Gerät die eigentliche Verbindung zum Internet herstellt. Das erhöht den technischen Aufwand, weil ein weiteres Gerät administriert und gewartet werden muss. Außerdem ist ein zusätzlicher Stromverbraucher in Betrieb. Der Nachteil „Router“ kann aber auch ein Vorteil sein: Als Gateway kann er die Kommunikation von vielen Sensoren und intelligenten Maschinen bündeln und ins Internet weitergeben – und umgekehrt.

Ein Konzept, das sich für viele IoT-Anwendungen anbietet. Die meisten Smart-Home-Anwendungen funktionieren so. Viele von ihnen funken in einem lizenzfreien Band die meist geringen Datenmengen zur Steuerung etwa der Heizung an eine zentrale Einheit, die an den heimischen Router angeschlossen ist.

Mobilfunk

Mit dem Mobilfunk lässt sich jedes Gerät direkt ins Internet der Dinge einbinden. Entsprechende Kommunikationsmodule sind längst so sehr verkleinert worden, dass sie sich in nahezu jedem Gehäuse unterbringen lassen. Der offensichtliche Vorteil des Mobilfunks: Er ist quasi überall verfügbar, erfordert keine eigene Leitung zum IoT-Gerät und ermöglicht auch mobile Anwendungen. Im Wesentlichen stehen in Deutschland vier Funknetze zur Verfügung: das seit langem etablierte GSM-Netz, das UMTS-Netz, das Bündelfunknetz und das moderne LTE-Netz.

Einen nicht zu vernachlässigenden Vorteil bringt der Mobilfunk außerdem mit sich: Mobilfunknetze gelten als sicher, weil sie von den großen Providern entsprechend zuverlässig geschützt werden.

Der Einsatz von Technologien wie Virtual Private Networks (VPN) auf der Basis von Multiprotocol Label Switching (MPLS) sorgt zusätzlich nicht nur für eine zuverlässige Verschlüsselung, sondern auch für festgelegte Pfade, eine definierte Bandbreite und Geschwindigkeit sowie Zuverlässigkeit des Datenverkehrs.

Mögliche Funktechnologie für Smart Grids und ihre Eigenschaften

Quelle: VDE

Wichtigstes Kriterium für die Wahl der passenden Mobilfunktechnik ist selbstverständlich die Netzverfügbarkeit. Zwar erreichen alle Techniken von allen Anbietern in Deutschland im Wesentlichen eine flächendeckende Versorgung, doch im Einzelfall gilt es immer zu prüfen, ob die gewünschte Technik auch genau am geplanten Standort verfügbar ist. Hinzu kommt die unterschiedliche Durchdringung der Funkwellen etwa von Gebäuden. Mauerwerk, Beton und Stahlarmierung senken die Reichweite der Mobilfunknetze deutlich.

Nach einer Studie von Telefónica Deutschland sind deshalb beispielsweise rund 25 Prozent der Stromzähler, meist im gut abgeschirmten Keller installiert, in Deutschland nicht per Mobilfunk erreichbar – und zwar unabhängig vom Netzbetreiber.

Funknetze im niedrigeren Frequenzbereich bieten hier Vorteile, weil sie mit ihrer größeren Wellenlänge Bauwerke besser durchdringen. In einer Fallstudie hat die Universität Dortmund beispielsweise festgestellt, dass in einem städtischen Umfeld per UMTS im 2,1-GHz-Netz beispielsweise nur knapp 36 Prozent der Haushalte entsprechend angebunden werden können, im GSM-Netz von 900 MHz immerhin knapp 79 Prozent.

Für optimale Konnektivität per Mobilfunk bieten sich Kommunikationslösungen an, die Roaming ermöglichen. So erlaubt die Global SIM von Telefónica technisch die Verbindung mit jedem verfügbaren Mobilfunknetz; in der neuesten Generation gilt das auch für LTE. Roaming ist damit nicht nur möglich, wie es viele im internationalen Reiseverkehr kennen, sondern auch national: Selbst innerhalb von Deutschland lassen sich mit der Global SIM standardmäßig die Mobilfunknetze aller Wettbewerber nutzen – ohne zusätzliche Technik und Rechnung.

Doch auch so lassen sich nicht alle möglichen Geräte an allen Standorten vernetzen. Vorhandene Lücken müssen über weitere Kommunikationstechnologien geschlossen werden. Dafür bieten sich zum Beispiel selbstorganisierende Netzwerke an, sogenannte Mesh-Netzwerke, die zwischen verschiedenen Geräten oder zwischen Gateways aufgebaut werden. So überbrücken sie die fehlende direkte Anbindung ans Internet.

Neues Potenzial dank Narrow-Band

Neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet die Narrow-Band-LTE-Technik. Sie nutzt die LTE-Mobilfunknetze, ist aber auf geringen Energieverbrauch hin optimiert. Dafür beschneidet sie die sonst mögliche Datenbandbreite per LTE. Sie ermöglicht Geräte, die zum Beispiel per einfacher Batterie mit Strom versorgt werden und zehn Jahre lang ohne Batteriewechsel Daten ins Internet der Dinge funken können.

Diese Technologie lenkt den Blick auf essenzielle Größen für die Wahl der richtigen Vernetzungstechnik im Internet der Dinge – neben der eigentlichen Netzanbindung: Welche Datenmengen müssen in welcher Zeit übertragen werden? In einer groben Näherung gilt die einfache Faustformel: Je weniger Daten mit geringerer Bandbreite versendet werden, desto niedriger ist der Stromverbrauch. Diesen Zusammenhang macht sich Narrow-Band-LTE zunutze. Diese Technik bietet sich deshalb vor allem bei Anwendungen an, die nur wenige Daten senden. Zum Beispiel Sensoren, Zähler oder Steuerungen, die eher selten oder nur im Kilobytebereich senden und empfangen. Telefónica hat mit dieser Technologie in Chile bereits ein großes Projekt zur Ausstattung von Smart-Metern erfolgreich durchgeführt. Ein anderes Anwendungsbeispiel: Sensoren im Straßenbelag, die einfach nur melden, ob ein Parkplatz belegt ist oder nicht.

Große Erwartungen an 5G

Größere Bewegung in den Markt der Verbindungstechnologien wird die nächste Mobilfunk-Generation bringen, 5G. Sie stellt den Zusammenhang zwischen Datenvolumen, Bandbreite und Stromverbrauch fast auf den Kopf und bringt wesentliche Vorteile, die gerade für das Internet der Dinge von großer Bedeutung sind: Sie kommt mit rund zehn Prozent der Energie der bisherigen Technik aus, erlaubt noch breitbandigere Anbindungen und reduziert die Latenzzeit auf ein bis zwei Millisekunden. Damit werden Reaktionen quasi in Echtzeit möglich. Doch bis 5G in der Breite verfügbar wird, vergehen noch ein paar Jahre. In diesem Jahr sollen die internationalen Standards für 5G festgezurrt werden, im Jahr 2018 ist mit ersten Pilotnetzen in 5G-Standard zu rechnen. Kommerzielle Netze werden wohl frühestens ab 2020 freigeschaltet, eine gute Versorgung in Ballungsräumen und an wichtigen Verkehrsrouten soll bis 2025 erreicht werden.

Neben den Mobilfunktechniken lassen sich selbstverständlich auch bekannte Funkstandards wie WLAN und Bluetooth für die Vernetzung im Internet der Dinge nutzen. Sie erfordern in der Regel ein Gateway, das die Daten ins öffentliche Internet weiterleitet. WLAN erlaubt mittlerweile Bandbreiten bis in den Gigabit-Bereich; Bluetooth wird eher in Richtung niedriger Energieverbrauch optimiert und erhält dann das Kürzel LE für „Low Energy“. Beide Techniken sind aber nur im näheren Umfeld geeignet – Bluetooth für Reichweiten von zehn Metern, WLAN bis zu 100 Metern.