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Bei der Entwicklung von Geräten für das Internet der Dinge stellt sich sehr früh die Frage, auf welche Funkstandards man setzen sollte. Während unlizenzierte Standards wie LoRa oder SigFox unabhängig und ohne zusätzliche Gebühren implementiert werden können, haben lizenzierte Standards wie 2G, 3G, 4G oder gar 5G, NB-IoT oder LTE-M einige andere Vorteile.

Dieser Beitrag ist der erste von drei Artikeln zum Thema IoT-Konnektivität und die Wahl der Standards. In diesem ersten Teil betrachten wir lizenzierte und nicht lizenzierte Funktechnologie-Standards und so genannte Low Power Wide Area (LPWA) Anwendungsfälle, um ein besseres Verständnis dafür zu vermitteln, was es je nach Projekt zu beachten gilt.

Lizenzierte vs. unlizenzierte Funkstandards

Bei der Entwicklung von IoT-Geräten für den mobilen oder Outdoor-Einsatz kommen bekannte Technologien wie das klassische WiFi oder Zigbee nicht in Frage. Diese Protokolle sind für die stationäre Kommunikation in Innenräumen gedacht und haben sich vor allem im Bereich der Smart Home-Lösungen im Consumer-Markt etabliert. Der Stromverbrauch und die Bandbreitennutzung eigenen sich nicht für Geräte, die an abgelegenen Orten oder batteriebetrieben über einen längeren Zeitraum funktionieren müssen.

Damit bleiben etablierte, aber unlizenzierte Standards wie etwa LoRa oder SigFox (um nur zwei zu nennen), die beide das 868 MHz-Band in Europa nutzen. Sie bestechen durch eine hohe Reichweite, sogar durch Gebäude hindurch, und sind auf geringen Stromverbrauch ausgelegt. Einer der Hauptgründe, sich für lizenzfreie Lösungen zu entscheiden, ist die Möglichkeit, überall privat betriebene Netzwerke zu errichten. Es sind kein externer Provider erforderlich und zumindest in einem LoRaWan-Netzwerk keine Gebühren zu zahlen oder Laufzeitverträge zu erfüllen. Aber diese Freiheit ist auch mit Einschränkungen verbunden.

Lizenzfreie Standards haben regionale Unterschiede

Stellen Sie sich vor, Sie wollen Ihr Produkt außerhalb Europas vermarkten. Die Sub-GHz-Frequenzen sind nicht über verschiedene Regionen hinweg harmonisiert und unterliegen einer Vielzahl von Frequenzbändern. Während in Europa das Band von 865-868 MHz verwendet wird, müssen Sie in den USA mit 902-928 MHz und in Asien mit 923 MHz andere Frequenzbänder nutzen. Dies bringt direkt ein höheres Maß an Komplexität bei der Planung und Entwicklung Ihrer Produkte mit sich.

Der Duty-Cycle und Sendezeitbeschränkungen

Es sind nicht nur die Frequenzen selbst, der Teufel steckt im Detail: Europa hat eine niedrigere Leistungsgrenze als die USA. Eine Beschränkung, die sich auf die Reichweite Ihrer Geräte auswirken kann. Dann ist da noch der Arbeitszyklus, der so genannte “Duty Cycle”, in jedem der Teilbänder, den Sie in Europa einhalten müssen. Er erlaubt es Ihnen nur, innerhalb eines Zeitraums von einer Stunde ein Prozent der Zeit auf Sendung zu sein, also 36 Sekunden. In den USA hingegen dürfen Sie bei Signalbandbreiten unter 500 kHz nicht länger als 400 Millisekunden auf Sendung sein. Möglicherweise müssen Sie also Frequenzsprünge nutzen, um Ihre Daten zu erhalten.

Interferenzen und regionale Zuverlässigkeit

Die Zuverlässigkeit Ihres Geräts in jeder der verschiedenen Regionen ist ein weiterer Punkt, den Sie berücksichtigen sollten, wenn Sie sich für lizenzfreie Netzwerke entscheiden. Interferenzen können die Zuverlässigkeit Ihres Gerätes stark beeinträchtigen. Während in Europa das 868-Band relativ störungsfrei ist, da viele andere drahtlose Lösungen bei 2,4 GHz oder 433 MHz arbeiten, ist das 900-MHz-Band in den USA wesentlich voller. Hier wird es bereits für viele andere Geräte wie Mobiltelefone oder Babyphones genutzt.

Regulatorische Unterschiede

Dann gibt es noch ein weiteres Hindernis, nämlich die unterschiedlichen Regulierungssysteme: In den USA zum Beispiel fungiert die Federal Communications Commission (FCC) als Zertifizierungsstelle, die für die Durchsetzung, Prüfung, Lizenzierung und Einhaltung der Vorschriften zuständig ist. Ohne ihre Genehmigung können Sie Ihre Produkte dort nicht verkaufen. Auch in Europa müssen Sie bestimmte, vom Europäischen Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI) festgelegte Standards einhalten, aber im Gegensatz zu den USA können Sie sich selbst oder über einen dritten Partner zertifizieren.

Der Bedarf an zusätzlichen Gateways

Damit Ihre Daten in die Cloud geliefert werden können, benötigt ein LoRaWan-Netzwerk zusätzliche dedizierte Gateways. Zusätzliche Hardware bedeutet zusätzliche Komplexität und höhere Kosten. Während es beim lizenzierten Mobilfunk standardisierte Netzabdeckung gibt, müssen Sie mit LoRa höchstwahrscheinlich Ihr eigenes LoRaWan-Netzwerk installieren, da es keine vergleichbare Abdeckung gibt.

Lizenzierte Standards ermöglichen weltweit gleiche Qualität

Wenn Sie ein globales Produkt in Betracht ziehen, ein Produkt, bei dem die Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung ist, sollten Sie sich für lizenzierte mobile Kommunikation entscheiden. Neben den Standards 2G, 3G, 4G, die hauptsächlich für die menschliche Interaktion oder aufgrund der steigenden Bandbreite für Multimedia-Zwecke entwickelt wurden, gibt es auch die neuen Standards wie NB-IoT oder LTE-M, die speziell für die Kommunikation zwischen Maschinen oder Geräten (M2M) entwickelt wurden.
Die Datenkapazität von NB-IoT oder LTE-M ist höher als bei LoRa oder SigFox. Dies ist auf die bereits erwähnte begrenzte Anzahl von Nachrichten zurückzuführen, die mit unlizenzierten Technologien pro Tag übertragen werden können, insbesondere in europäischen Netzen. Die lizenzierten Technologien sind in erster Linie für den Transport von Dutzenden von Bytes pro Stunde und nicht von Kilobytes ausgelegt. Dennoch können mit NB-IoT oder LTE-M ähnliche Batterielaufzeiten von fünf bis zehn Jahren erreicht werden.

Schließlich bietet lizenzierter Mobilfunk bewährte Technologie mit hohen Sicherheitsstandards. Das vorhandene lizenzierte Frequenzspektrum ermöglicht eine höhere QoS (Quality of Service) .

Die Preise für lizenzierte Kommunikation werden attraktiv

Mit sinkenden Preisen für den Mobilfunk wird dieser für IoT-Entwickler immer attraktiver. Eines der letzten Hindernisse sind die vielfältigen und oft komplexen Preismodelle, die von verschiedenen Mobilfunkbetreibern angeboten werden. Aus diesem Grund hat 1NCE die 1NCE IoT Lifetime Flat entwickelt: ein kostengünstiges und festes Pre-Paid Modell, das mobile IoT Konnektivität für nur 10 Euro über 10 Jahre ermöglicht, einschließlich 500 MB Daten und 250 SMS. Durch die Partnerschaft mit der Deutschen Telekom und China Telecom Global ist 1NCE in der Lage, hochwertige Mobilfunkverbindungen in über 100 Ländern weltweit anzubieten. Das Hindernis einer undurchschaubaren Preisstruktur im Mobilfunk gehört damit der Vergangenheit an.

Bei allen Vorteilen, die NB-IoT und LTE-M in Bezug auf die lange Batterielebensdauer mit sich bringen, steckt die Verfügbarkeit jedoch noch in den Kinderschuhen, und die weltweite Abdeckung, insbesondere unter gleichen Preisbedingungen, muss noch verbessert werden. Glücklicherweise können alternativ die Mobilfunkstandards 2G, 3G und 4G verwendet werden, bis der Rollout von NB-IoT und LTE-M flächendeckend erfolgt und kostengünstig verfügbar ist.

Im zweiten Teil: Überblick über die Mobilfunkstandards von heute und morgen

Im zweiten Teil unserer dreiteiligen Blog-Serie werden wir einen tieferen Einblick in die verfügbaren Mobilfunkstandards geben und erklären, wie Sie diese am besten für Ihr individuelles IoT-Projekt nutzen können.