2018-01-18 07:57:38

Mobilfunk, WLANs & IoT im Firmennetzwerk

Mathias Hein

Mathias Hein

Bei den Funkverbindungen im Endgerätebereich muss man zwischen den Technologien für Mobilfunkverbindungen, den Wireless LANs und den Anbindungen für das Internet of Things (IoT) unterscheiden. Die Gemeinsamkeit dieser Technologien besteht darin, dass diese das Funkmedium zur Übertragung der Informationen nutzen. Damit endet jedoch die Gemeinsamkeit und gerade im Bereich des Internets of Things ist noch viel Bewegung im Markt.

Mathias Hein

Das Internet der Dinge (IoT) ist ein Netzwerk der Dinge beschreibt, dass der Computer zunehmend als Gerät verschwindet und durch „intelligente Gegenstände“ ersetzt wird. Statt – wie derzeit – selbst Gegenstand der menschlichen Aufmerksamkeit zu sein, soll das „Internet der Dinge“ den Menschen bei seinen Tätigkeiten unmerklich unterstützen. Die immer kleineren eingebetteten Computer sollen Menschen unterstützen, ohne abzulenken oder überhaupt aufzufallen.

Das Ziel des Internets der Dinge ist es, die Informationslücke zwischen der realen und virtuellen Welt zu minimieren. Diese Informationslücke besteht, weil in der realen Welt Dinge tatsächlich einen bestimmten Zustand haben, dieser Zustand im Internet jedoch nicht bekannt ist. Ziel ist also, dass viele reale Dinge die eigenen Zustandsinformationen für die Weiterverarbeitung im Netzwerk zur Verfügung stellen. Solche Zustandsinformationen können Informationen über die aktuelle Nutzung, über Alterung, aber auch über besondere Umweltbedingungen an dem Ort des Teilnehmers sein. Solche Informationen können sowohl zur Verbesserung der Nutzbarkeit des Teilnehmers selbst ausgewertet werden (Früherkennung von Wartung oder Austausch etc.), als auch zur Verbesserung der Situation des umgebenden Bereiches. In einem weiteren Schritt können digitale Services als Teil des IoT die Parametrierung von Geräten so erleichtern und verbessern, dass sie auch dort geschieht wo sie heute aus Kostengründen nicht stattfindet.

Auf einem Werksgelände gibt es viele Formen von Mess- und Steuergeräten, wie beispielsweise zur Umweltkontrolle, zur Sicherheit und  zur Videoüberwachung. Mess- und Steuergeräte sind seit vielen Jahren in Fertigungssystemen eingebettet. Ein modernes Flugzeug kann über beispielsweise über 10.000 Sensoren und Steuergeräte verfügen. Diese geschlossenen Systeme wurden jedoch nicht mit dem Internet verbunden und unterstützen meist nicht das IP-Protokoll. Einer der wesentlichen Vorteile dieser geschlossenen Systeme und Netzwerke ist die Sicherheit: Es müssen sich nur selten Fragen zum Datenschutz gestellt werden.

Das Internet der Dinge unterscheidet sich vom Konzept der Selbststeuerung logistischer Prozesse, denn diese benötigen nicht zwangsläufig Internet-ähnliche vernetzte Strukturen. Gegenüber den dedizierten Netzwerken der Automationstechnik, welche sich an der für die Lösung der Aufgabe minimalen Ausrüstung orientiert verfolgt das Konzept des Internets der Dinge den Ansatz, Information so breit wie möglich zur Verfügung zu stellen, damit die Nutzung dieser Information auch für Lösungen jenseits der heute definierten Zielsetzung möglich wird. Die nachfolgende Tabelle zeigt die heutigen Möglichkeiten des Internet der Dinge auf:

Bereich

Beschreibung

Beispiele

Menschen

In oder am Körper angebrachte Sensoren/Geräte

Geräte (Wearables) zur Überwachung der Gesundheit und des Wohlbefindens einer Person;

Home

Gebäude in denen Menschen leben

Haussteuerung und Sicherheitssysteme

Einzelhandel

Räumlichkeiten in denen mit realen Menschen Handel betrieben wird

Läden. Banken, Restaurants, alle Bereiche in denen Verbraucher einkaufen; Self-Checkout, In-Store-Angebote, Bestandsoptimierung

Büros

Räumlichkeiten in denen Menschen ihre Arbeit verrichten

Energiemanagement und die Sicherheit in Bürogebäuden; erhöhte Produktivität,

Fabriken

Standardisierung der Produktionsumgebungen

Orte an den sich wiederholende Arbeitsabläufe ausgeführt werden (einschließlich Krankenhäusern; verbesserte Effizienz der Produktionsmittel und optimiertes Bestandsmanagement.

Andere Arbeitsbereiche

Spezielle Produktionsumgebungen

Baustellen, Bergbau, Öl und Gas; verbesserte Betriebseffizienz, vorausschauende Wartung, Sicherheit und Gesundheit

Fahrzeuge

Systeme im Inneren von Fahrzeugen

Autos, Lastwagen, Schiffe, Flugzeuge und Züge; zustandsorientierte Instandhaltung, nutzungsbasiertes Design, Pre-Sales Analytics

Städte

städtische Umgebungen

Öffentliche Räume und Infrastrukturen in den Städten; adaptiven Verkehrssteuerung, Smart Metering, Umweltüberwachung, Ressourcenmanagement

Außerhalb von Städten

Außerhalb städtischer Umgebungen und

Außerhalb anderer Einrichtungen

Eisenbahn- und Schifffahrtswege, autonome Fahrzeuge außerhalb von Städten und Flugnavigation; Echtzeit-Routing, Navigation, Verfolgung von Gütern

Quelle: „MAPPING THE VALUE BEYOND THE HYPE„ McKinsey Global Institute analysis

Die IoT Endpunkte werden zukünftig in extrem großen Stückzahlen (weltweit werden es viele Milliarden sein) verbaut und betrieben. Diese Geräte werden zusätzlich zu den in den Unternehmen bereits vorhandenen Endpunkten (PCs, Tablets und Smartphones) betrieben werden. Neben den von den traditionellen Endpunkten erzeugten Verkehrsströmen muss in den Netzwerken zusätzliche Bandbreite für die Übermittlung der von den IoT Endpunkten Verkehr bereitgestellt werden.

Der von den IoT-Komponenten erzeugten Verkehre lassen sich in folgende zwei Kategorien einteilen:

  • passive Datensammlung und
  • aktive Steuerung bzw. Reaktion auf die gesammelten Daten.

Bei der passiven Datensammlung ist keine sofortige Antwort auf die eingehenden Datenströme notwendig. Folglich stellt die im Netz zur Verfügung stehende Bandbreite kein Problem dar. Werden jedoch Reaktionen (Antworten) erforderlich, dann muss das Netzwerk schnell genug sein, damit die Antworten auch die IoT-Endpunkte schnell erreichen. Beispiele hierfür sind das Anhalten von Rolltreppen, Änderung an Ampeln, Versand von Benachrichtigungen an Rettungsdienste und das Ausschalten fehlerhafter Geräte/Komponenten.

Das Internet der Dinge erzeugt die verschiedensten Verkehrsmuster. Dies kann ein kontinuierlicher Strom von Kurznachrichten sein. Diese Verkehrsart kommt in den klassischen IP-Netzen nicht häufig vor. Eine andere Form der Verkehr wird von tragbaren Geräten erzeugt, welche über drahtlose Verbindungen kommunizieren. Dieser Verkehr hat erhebliche Auswirkungen sowohl auf das WLAN als auch auf die Mobilfunknetze. Ein kontinuierlicher Strom an Kurznachrichten bedeutet, dass die tragbaren Geräte immer aktiv bzw. die erzeugten Nachrichten über eine separate Verbindung übermittelt werden. Für diese zusätzlichen Verkehre müssen die Funknetze durch Netzwerkänderungen angepasst werden. Ein Teil der von IoT erzeugten Kommunikationsströme kann sicher über die in den Unternehmen installierten WLANs bzw. Mobilfunknetzwerke übertragen werden. Für alle anderen Anforderungen müssen neue Techniken erfunden werden. Das heißt die bisher in den Unternehmen installierten Funknetze müssen durch zusätzliche Technologien ergänzt werden.

Die IoT-Geräte stellen folgende Anforderungen:

  • Geringe Datenraten
  • Einbindung vieler Endgeräte
  • Geringe Kosten pro Gerät
  • Geringe Installationskosten
  • Unterstützung von unzähligen Geräten
  • Geringer Energieverbrauch
  • Überbrückung großer und kleiner Distanzen
  • Volle Abdeckung: Gute Durchdringung von Gebäuden und unterirdischen Orten

Problembereich: Für die Kommunikation geeignete Übertragungsbänder

In Europa ist der Frequenzbereich von 876 MHz bis 960 MHz praktisch durchgängig von GSM und GSM-R (Zugfunk) reserviert. Prinzipiell gibt es im genannten Frequenz­bereich zwar von 915 bis 921 MHz noch eine Lücke, doch ist diese sehr schmal und die klassischen Netzbetreiber alles daran setzen, dass kein sich unregulierter Funkstandard direkt in der Mitte des GSM-Spektrums etabliert.

Die Frequenzen von 960 MHz bis 1215 MHz werden von der Luftfahrt verwendet, insbesondere für zivile ("Distance Meassuring Equipment"; DME) und militärische Funkfeuer zur Flugzeugnavigation.

In Europa ist inzwischen eine harmonisierte Allgemeinzuteilung für sogenannte Short Range Devices (SRDs) im Bereich von 863 bis 870 MHz erfolgt. Diese ist jedoch nur bis Ende 2024 befristet. Sollten bis dahin diese Frequenzen umfangreich von der Allgemeinheit genutzt werden, ist aber von einer Verlängerung der Zuteilung auszugehen. Um gegenseitige Störungen, zu verringern, wurde das 860-MHz-Band in mehrere Subbänder unterteilt:

Subband (MHz)

Kanalraster

Maximale Sendeleistung (ERP

863,0-865,0

Breitband

25 mW

865,0 - 868,0

Breitband

25 mW

868,0–868,6

Breitband

25 mW

868,7–869,2

Breitband

25 mW

869,4–869,65

25 kHz / Breitband

500 mW

869,7–870,0

Breitband

5 mW

Tabelle: Aufteilung des 860-MHz-Bands für die allgemeine Nutzung

Low Power Wide Area Networks

Ein Lösungsansatz für die Übermittlung von IoT_Daten wird als Niedrigenergieweitverkehrnetzwerk (Low Power Wide Area Network; LPWAN) bezeichnet. LPWANs beschreiben die zur Verbindung von Niedrigerergiegeräten notwendige Netzwerkprotokolle zum Austausch der Informationen mit den jeweiligen vernetzten Servern. Das Protokoll ist so ausgelegt, dass eine große Reichweite und ein niedriger Energieverbrauch der Endgeräte bei niedrigen Betriebskosten erreicht werden können. Da nur das Funkmedium zur Übermittlung der Daten sinnvoll ist, stellt sich natürlich die Frage der nutzbaren Frequenzbänder. Da einerseits große Rechweiten ermöglicht werden sollen und anderseits nur geringe Datenmengen bei IoT-Geräten anfallen, hat man sich entschieden, dass die LPWANs weit unterhalb der klassischen Mobilfunknetzwerke - mit Frequenzen zwischen 600 MHz und 900 MHz operieren. Der Vorteil der geringeren Frequenzen liegt primär in der besseren Durchdringung von Wänden und Gebäuden.

Im Bereich der Smart Home-Industrie wurden in den vergangenen Jahren eine Reihe von Lösungsansätzen entwickelt, die für LPWAN genutzt werden könnten. Zu den bekanntesten Technologien in diesem Bereich gehören:

  • ENOcean: 868 MHz
  • ZigBee: 868 MHz/2,4 GHz
  • Z-Wave: 868 MHz/2,4 GHz

Da diese Technologien sich jedoch nur auf kurze Distanzen fokussieren, scheiden diese im Unternehmens- und Industrieumfeld aus.

Größere Reichweiten bieten die folgenden Lösungen:

  • Das französische Unternehmen Sigfox baut Übertragungstechniken für den M2M-Bereich und nutzt hierfür das frei verfügbares Frequenzspektrum (868 MHz in Europa und 915 MHz in den USA) um die Signale von Geräten zu übertragen. Sigfox hat inzwischen seine Technologie an das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI) weitergegeben, mit dem Ziel diese Technologie in einen Standard zu wandeln.
  • Die LoRa Alliance entwickelt und standardisiert Low Power Wide Area Networks (LPWAN) für die Bereiche Internet der Dinge (IoT), Machine-to-Machine (M2M), Smart City und industrielle Anwendungen. Die LoRa-Allianz veröffentlichte hierzu das LoRaWAN-Protokoll. Zu den namhaftesten Alliance-Mitgliedern gehören Bosch, Cisco, IBM, KPN, SingTel und Swisscom.
  • On-Ramp entwickelt eine funkbasierte RPMA (Random Phase Multiple Access) Technologie für das unlizenzierte 2,4 GHz-Spektrum. On-Ramp ist Gründungsmitglied der Standardisierungsgruppe IEEE 802.15.4k für das Low-Energy Critical Infrastructure Monitoring (LECIM). Über diese Gruppe versucht das Unternehmen seine Technologie in einem offenen IEEE-Standard unterzubringen.
  • Die von Huawei/Neul entwickelte Clean-Slate-Technologie (FDMA) arbeitet mit einer 180 kHz Bandbreite (x2) und versucht eine Technologie im Bereich des lizenzierten Spektrums unter der Regie von 3GPP GERAN zu standardisieren.
  • LTE-M Komponenten verfügen nur über eine einzige LTE-Antenne und können im lizenzierten Sub-GHz-Bereich zwischen 700 MHz und 900 MHz Geschwindigkeiten von maximal 1 MBit/s bereitstellen. Der Stromverbrauch dieser Technologie soll so niedrig sein, dass eine einfache Batterie das Modul fünf bis zehn Jahre lang speisen kann.
  • NB LTE-M Spezifikationen ähneln den LTE-M Standards und unterstützen jedoch nur Datenraten bis 150 Bit/s.
  • EC-GSM (Extended Coverage GSM) basiert auf dem bekannten GSM-Standard und nutzt die lizenzierten Frequenzbänder zwischen 800 MHz und 900 MHz. EC-GSM arbeitet EC-GSM mit einer Datenrate von 10 kBit/s.

Wifi Halow

Ein neuer WLAN-Standard – genannt Wifi Halow - soll jetzt auch die Probleme (weniger Energie und größere Reichweite) bei der digitalen Vernetzung lösen. Möglich wird dies durch die Nutzung eines niedrigeren Frequenzbandes.

Halow nutzt dabei den neuen Standard IEEE 802.11ah, der für Frequenzbereiche unter 1 GHz vorgesehen ist. Halow selbst verwendet in Europa das 863-868 MHz-Band. Dadurch kann im Vergleich zu den üblichen 2,4-GHz-WLANs und anderen WLAN-Übertragungsverfahren bei sonst vergleichbaren Parametern nicht nur eine wesentlich höhere Reichweite (bis zu 1 km) erzielt werden, sondern auch robustere Verbindungen. Halow soll leichter in der Lage sein, Wände und andere Barrieren zu durchdringen.

Halow dient beispielsweise der Vernetzung von batteriebetriebenen Geräten, die nicht permanent Daten senden und keine hohe Übertragungsrate benötigen. Laut der Wifi Alliance sind dies Sensoren und Wearables. Der 11ah-Standard verfügt über eine Mindestübertragungsrate von 115 KBit pro Sekunde. Auch niedrige Bandbreiten wie 1 oder 2 MHz werden unterstützt.

Bei Halow handelt es sich um eine Modifikation der bisher genutzten WLAN-Techik (IEEE 802.11ac). Die wesentlichen Unterschiede sind auf den folgenden Ebenen des ISO/OSI-Referenzmodells zu finden:

  • Physical Layer (PHY): Beim PHY Layer des neuen Standards handelt es sich eine um den Faktor 10 heruntergetaktete Variante vom IEEE 802.11ac Standard. Dieser arbeitet mit 2 MHz, 4 MHz, 8 MHz und 16 MHz Kanalbandbreiten. Zur Verbesserung der Flächenabdeckung existiert auch ein zusätzlicher 1 MHz Kanal.
    Der neue Standard ermöglicht die Nutzung der Beamforming-Technologie. Durch die Parallelschaltung mehrerer Rundstrahlantennen sind die Geräte in der Lage, die Funkenergien selektiv in die Richtung des jeweiligen Empfängers abzugeben.  Diese Technologie wird als Beamforming bezeichnet. Im Funkfeld kann ein WLAN-Gerät somit die Signale steuern und die Funkenergie konzentriert übertragen. Das Beamforming ist der Schlüssel zur Steigerung der Effizienz der Funkkanäle und sorgt dafür, dass in der Praxis eine Reihe neuer Anwendungsszenarien realisiert werden können. Mit Hilfe einer  Multi-User MIMO (MU-MIMO) Empfangslogik kann ein Relay Access Point (RAP) die zu übertragen Streams zwischen mehreren Empfangsgeräten aufteilen.
    Ein Halow-Netzwerk verfügt über einen Relay Access Point (RAP) und sogenannte Netzwerkstationen (STAs) um Daten von Gerät zu Gerät zu übertragen. Der Standard unterstützt 2 MHz, 4 MHz, 8 MHz und 16 MHz beim Senden, die STAs hingegen sind für den Empfang von 1 MHz und 2 MHz geeignet.
    Bei Halow wird ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) bestehend aus insgesamt 64 Trägerfrequenzen mit einem Abstand von 31,25 kHz eingesetzt.
  • Media Access Control (MAC): Das Design des MAC Layers bestimmte die erwartet große Anzahl von Stationen (STAs) und die Notwendigkeit, den Stromverbrauch niedrig halten zu müssen.

Halow vereinfacht den MAC-Header und reduziert dadurch gleichzeitig den Overhead. Die klassischen WLANs nutzen einen 28-Byte langen MAC Header. Dieser wird bei IEEE 802.11ah auf 18 Bytes reduziert. Auch wurden Null Data Packets (NDP) definiert, welche aus einem einzigen PHY-Header bestehen, um die momentanen IEEE 802.11 Signaling Frames wie ACKs, Block ACKs, CTSs und PS-Polls zu verkürzen. Außerdem wurde ein Speed Frame Exchange-Mechanismus festgelegt, um das Senderecht festlegen zu können. 

Fazit

Die raschen Fortschritte im Bereich der IoT-Technologie beeinflusst die Standardisierung enorm und schafft immer neue Herausforderungen, die weltweitgeregelt werden müssen. Die Verbreitung von nicht standardisierten IoT-Komponenten und –Systemen schafft Insellösungen, die eine schnelle Einführung des Internet der Dinge verzögern und unter Umständen geplante Projekte scheitern zu lassen. Die Frage bleibt jedoch, wann diese Geräte und Anwendungen verfügbar sind und sich so weit verbreitet haben, dass die entsprechenden Services entstehen. Erst mit der Verfügbarkeit allgemein anerkannter Standards und zuverlässigen Sicherheitsstandards kann der prognostizierte IoT-Markt erst erschlossen werden. Auch das Internet of Things entsteht nicht über Nacht, sondern wird erst im Laufe der Zeit die Anforderungen erfüllen.

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