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IoT Architektur Teil 3: Warum Konnektivität erfolgsentscheidend ist

Martin Fehre
Teamleiter IoT Hardware bei q.beyond
30.11.2021

Sie brauchen Konnektivität, um Hardware und Software zu verbinden. Wir zeigen Ihnen die Kernaspekte für eine gute Verbindung und welche Konnektivität für Ihr IoT Projekt passend sein könnte.

Inhaltsverzeichnis

Die Konnektivität ist das Verbindungsstück der IoT Architektur zwischen Hardware und der IoT Plattform. Aber wie kommen die Daten von der Hardware in die Cloud? Sie benötigen eine geeignete Konnektivität-Lösung passend für Ihren IoT Anwendungsfall. Keine Frage: Der Idealfall wäre Big Data schnell und über große Entfernungen übertragen zu können und gleichzeitig verbrauchen die Geräte nur wenig Strom. Allerdings sehen die realistischen Gegebenheiten meist anders aus. Daher ist es umso wichtiger, eine Balance aus den drei Konnektivität-Kernaspekten Reichweite (bis wohin bleibt die Verbindung bestehen?), Bandbreite (wie viele Daten müssen übertragen werden?) und Energieverbrauch (wie viel Strom verbraucht die Verbindung am Gerät?) zu realisieren.

Wie sieht die optimale Konnektivität aus?

Die Konnektivität ist das Verbindungsstück der IoT Architektur zwischen Hardware und der IoT Plattform. Aber wie kommen die Daten von der Hardware in die Cloud? Sie benötigen eine geeignete Konnektivität-Lösung passend für Ihren IoT Anwendungsfall. Keine Frage: Der Idealfall wäre Big Data schnell und über große Entfernungen übertragen zu können und gleichzeitig verbrauchen die Geräte nur wenig Strom. Allerdings sehen die realistischen Gegebenheiten meist anders aus. Daher ist es umso wichtiger, eine Balance aus den drei Konnektivität-Kernaspekten Reichweite (bis wohin bleibt die Verbindung bestehen?), Bandbreite (wie viele Daten müssen übertragen werden?) und Energieverbrauch (wie viel Strom verbraucht die Verbindung am Gerät?) zu realisieren.

Optimale IoT Konnektivität

Welche Anforderungen an die Konnektivität stellen Sie?

Damit sich die gesammelten Daten verwalten, speichern und analysieren lassen, brauchen Sie eine passgenaue Infrastruktur. Bis dahin betrachten Sie im ersten Schritt Ihren Status quo und klären Sie grundlegende Anforderungen an Ihre IoT Konnektivität:

Der Standort

Wo wollen Sie Ihre IoT Geräte einsetzen? Wichtig ist die Beschaffenheit der Wände des Standortes, hier könnten verlegte Leitungen, Stahlbeton oder dicke Mauern die drahtlosen IoT-Connectivity-Lösung beeinflussen.

Die Skalierbarkeit des Netzwerks

Welche Lösung bietet Ihnen auch langfristig Vorteile? Möchten Sie auch zukünftig immer mehr Geräte miteinander vernetzen, brauchen Sie eine skalierbare Konnektivität.

Ein vorhandenes Netzwerk upgraden

Hat Ihr bestehendes System nach einem Upgrade Potenzial Ihre IoT Konnektivität zu unterstützen? Das kann Kosten und Ressourcen sparen.

Die Kosten der Konnektivität

Wie hoch sind die Kosten für die Inbetriebnahme einer Connectivity-Lösung? Wie hoch sind die laufenden Betriebskosten? Wie viel Budget müssen Sie einplanen, damit Sie das volle Potential der jeweiligen Connectivity-Lösung nutzen können? Berücksichtigen Sie diese Fragen bei Ihrem Budget.

Die Latenz

Wie zeitkritisch sind Ihre IoT Daten? Welche Latenz ist akzeptabel? Je nach IoT Anwendungsfall müssen sofortige Maßnahmen beispielsweise in der Produktion eingeleitet werden, was eine extrem kurze Latenzzeit erfordert. Autonom fahrende Autos wären sehr gefährlich, wenn die Daten erst mit einer hohen Verzögerung übertragen werden.

Die Bandbreite

Wie groß sind die zu übertragenden Datenpakete? Müssen nur kleine Datensätze übertragen werden, eignet sich eine Technologie mit niedriger Bandbreite. Bei größeren Datensätzen wählen Sie eine Konnektivität mit hoher Bandbreite. Noch wichtiger als die Bandbreite ist die Verfügbarkeit der Konnektivität.

Der Frequenzbereich

Welche Frequenzen können Sie für Ihren Standort nutzen? Es gibt Frequenzen, die international nutzbar sind z. B. 2,4GHz. Andere Frequenzen sind nur länderspezifisch nutzbar z. B. 868MHz in Europa und 915 MHz in den USA. Wenn Produkte in dem Sub-1GHz Bereich eingesetzt werden sollen, muss es verschiedene Hardwareversionen mit den länderspezifischen Funkanpassungen sowie Zertifizierungen für die jeweiligen Frequenzen geben.

Die Verfügbarkeit

Wie ist die Netzabdeckung? Befinden sich die IoT Geräte in Ballungsgebieten oder in ländlichen Regionen? Hier gibt es im Netzausbau enorme Unterschiede. 5G wird als die Innovation im IoT Umfeld gehandelt, aber der flächendeckende Netzausbau ist noch weit entfernt. Verfügbarkeit und Verlässlichkeit gehen hier Hand in Hand.

IoT Security

Wie stellen Sie eine sichere Konnektivität (IoT Security) her? Wie sensibel sind Ihre Daten? Welche Sicherheitsvorkehrungen müssen Sie treffen? Hier geht es auch um Device Management, Verwaltung der Nutzer:innen und Zugriffsberechtigungen. Beachten Sie das deutsche IT-Sicherheitsgesetz, die EU-DSGVO und den EU Cybersecurity Act um die IT-Sicherheit zu gewährleisten.

Der große IoT Leitfaden

Erhalten Sie einen umfassenden Überblick darüber, was ein IoT Projekt ausmacht. Mit der interaktiven Checkliste stellen Sie die Komplexität Ihres IoT Vorhabens sowie Ihren Bedarf fest.

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Welche Konnektivität ist für Sie passend: Mobilfunk, WLAN, Bluetooth oder LPWAN?

Wenn es darum geht Ihre IoT Geräte miteinander zu vernetzen, gibt es eine große Auswahl an Technologien und Anbietern. Und nicht jede Konnektivität ist für jeden IoT Anwendungsfall geeignet. Treffen Sie Ihre Wahl demnach immer anhand Ihrer Anforderungen, um Ihr IoT Projekt langfristig energieeffizient und kostensparend zu betreiben. Muss in der Logistik ein ganzer Fuhrpark vernetzt und getrackt werden, brauchen Sie eine verlässliche Konnektivität mit einer hohen Reichweite. Wo hingegen smarte Geräte, die sich nah an einem Standort befinden, mit einer Konnektivität mit geringer Reichweite auskommen. Latenzzeiten, Bandbreiten und Ausfallsicherheit sind nur ein Teil der Faktoren, die Sie bei Ihrer Wahl betrachten müssen. Wir geben Ihnen einen kleinen Überblick über die gängigsten Connectivity-Lösungen:

Mobilfunk: hoher Stromverbrauch, hohe Reichweite, hohe Bandbreite

Diese Konnektivität ist für viele IoT-Anwendungsfälle geeignet, da es die größtmögliche Abdeckung mit einer enormen Bandbreite bereitstellt. Doch nicht überall ist das Netz flächendeckend ausgebaut. In ländlichen Regionen besteht nicht immer ein stabiles Mobilfunknetz. Und der Mobilfunk verursacht hohe Kosten und benötigt einen hohen Energiebedarf. Durch den hohen Stromverbrauch eignet sich der Mobilfunk mehr für Geräte, die an eine Stromversorgung angeschlossen oder leicht wiederaufladbar sind. Die Sensoren sind mit einer IoT SIM-Karte des Mobilfunkanbieters ausgestattet. Bei 4G (LTE) liegt die Latenzzeit bei ca. 50 bis 80 Millisekunden und bei 5G nahezu verzögerungsfrei.

Reichweite: 35 Kilometer (GSM), 10 Kilometer (LTE)

Datenraten: theoretisch bis zu 500 Mbit/s (LTE); mit 5G sollen die Datenraten im Gigabit-Bereich liegen

WLAN: hoher Stromverbrauch, geringe Reichweite, hohe Bandbreite

Dank der höheren Bandbreite können deutlich mehr Daten übertragen werden – allerdings nur für eine geringe Reichweite mit einem hohen Energieverbrauch. Daher ist WLAN sinnvoll, wenn nur eine geringe Netzabdeckung erforderlich ist. Es gibt aber auch IoT-orientierte WLAN-Standards (HEW und HaLow), die an die Herausforderungen industrieller IoT-Umgebungen angepasst sind. WLAN ist in der Regel zuverlässig, dennoch kann es zu Ausfällen kommen. Benötigen Sie eine dauerhafte Konnektivität ohne Ausfälle, entscheiden Sie sich lieber für eine andere Technologie.

Reichweite: 50 bis 100 Meter

Datenraten: 150 bis 200 Mbit/s, maximal 600 Mbit/s

Bluetooth Low Energy (Bluetooth 5.0): geringer Stromverbrauch, geringe Reichweite, geringe Bandbreite

Mit dieser Lösung können Daten über kurze Distanzen für tragbare Geräte übertragen werden. Weitere Vorteile sind ein geringerer Energieverbrauch und geringe Kosten. Deshalb ist Bluetooth nicht nur im Consumer Bereich beliebt, sondern auch in der industriellen Umgebung (Beispiel: Indoor-Asset-Tracking). Bluetooth lässt sich leicht einrichten und verzeichnet eine geringe Signalstörung in Umgebungen mit hoher Frequenz.

Reichweite: etwa 50 Meter

Datenraten: 2 Mbit/s

LPWANs: geringer Stromverbrauch, hohe Reichweite, niedrige Bandbreite

LPWANs (Low Power Wide Area Networks) ist ein Netzwerk zur Verbindung von batteriebetriebenen Sensoren. Diese WAN-Technologie wurde für IoT Netzwerke und M2M (Machine-to-Machine) entwickelt, um die batteriebetriebene Geräte mit geringer Bandbreite (es können nur kleine Datenpakete übertragen werden) über eine hohe Reichweite miteinander zu verbinden. Müssen nur wenige Daten alle paar Stunden übertragen werden, halten die Batterien durch den geringen Stromverbrauch über Jahre hinweg. Die Übertragung der Datenpakete sollte nicht zeitkritisch sein, denn es kann zu höheren Latenzzeiten bei der Übertragung kommen. Über LPWANs ist es möglich, dass IoT Geräte über hohe Distanzen auch unter schwierigeren Bedingungen miteinander kommunizieren. Die Kommunikation erfolgt im ersten Schritt über Gateways, welche eine Anbindung an das Internet herstellen. Diese Technologie ist kostengünstiger als herkömmliche Mobilfunknetze und verfügt über eine bessere Energieeffizienz. Nachteil ist, dass eine Netzwerkstruktur mit Gateways aufgebaut werden muss. Doch das Funknetz lässt sich schnell und kostengünstig realisieren und mit nur wenigen Gateways haben Sie eine breite Vernetzung ermöglicht. Für Predictive Maintenance, Asset Tracking und Prozessautomatisierung ist LPWAN bestens geeignet.

Reichweite: 30 bis 50 Kilometer (auf dem Land), 3 bis 10 Kilometer (in der Stadt), bis zu 1000 Kilometer (Umgebung mit freier Sicht)

Datenraten: < 1Mbit/s, technologieabhängig

Von reinen LPWAN gibt es weitere Spezifikationen wie LTE-M, NB-IoT (Schmalband-IoT) und LoRa. Auf dem Land und in schwer zugänglichen Räumen eignet sich durch die hohe Netzabedeckung und hohe Gebäudedurchdringung hervorragend Narrowband-IoT.

NB-IoT:

Reichweite: mehr als 10 Kilometer

Datenraten: 250 Kbit/s

RFID: kein Stromverbrauch, sehr geringe Reichweite

Radio Frequency Identification Tags können im IoT für Tracking-Zwecke wertvolle Daten liefern: Zum Beispiel können RFID Tags Warenbestände oder Personendaten erfassen und verwalten. Die kleinen Tags können leicht in einem Container oder Kleidung untergebracht und dann beim Passieren eines Lesegeräts registriert werden – ohne Sichtkontakt. Sie funktionieren in Metallteilen, aufgedruckt oder sogar unter der Haut. Dabei brauchen die Tags selbst keinen Strom, nur die Geräte zum Auslesen benötigen diesen. Vielleicht haben Sie schon einmal von NFC-Tags im Zusammenhang mit kontaktlosem Zahlen gehört? Auch diese sind RFID-Tags, aber nur für kurze Distanzen wie beim Bezahlen.

Wenn die Antwort zu viel (Zeit) kostet

Die Latenz ist entscheidend, wenn es schnell gehen muss. In manchen Fällen sind sofortige Maßnahmen nötig. Nicht immer ist genügend Zeit vorhanden bis die Daten erfasst, über weite Strecken in die Cloud übertragen sind und eine Antwort zurückkommt. Cloud Computing und Edge Computing sind keineswegs Konkurrenten, sie ergänzen sich vielmehr. Während die Cloud für komplexe Datenanalyse realisiert, ist mit Edge Computing eine Verarbeitung direkt vor Ort möglich und löst so das Problem der möglichen hohen Latenzzeiten der Cloud. Nicht nur die Übertragung kostet Zeit, sondern die Übertragung selbst verursacht Kosten. Da die Edge Devices nicht immer mit dem Netzwerk verbunden sind, minimieren sich die Kosten und die Netzwerkbelastung. Daher ist Edge Computing ideal für smarte Fabriken: Fehler in der Produktion werden durch die dauerhafte Kommunikation der vernetzten Maschinen erkannt und direkt gegengesteuert. Zudem werden durch intelligente Stromnetze Verluste im Netz nahezu in Echtzeit ausgeglichen.

IoT Konnektivität: Das müssen Sie wissen

  • Schaffen Sie eine Balance aus Reichweite, Energieverbrauch und Bandbreite.
  • Gehen Sie Schritt für Schritt die Anforderungen an die Konnektivität durch.
  • Welche Konnektivität zu Ihrem IoT Projekt passt, hängt von Ihren Anforderungen und dem Anwendungsfall selbst ab.
  • Die Latenz ist entscheidend, wenn sofortige Maßnahmen nötig sind.

Sie haben noch Fragezeichen zu einzelnen IoT Begriffen? Wir haben für Sie die 15 wichtigsten Begriffe rund um IoT zusammengefasst. Sie sind noch ganz am Anfang? Wie Sie ein IoT Projekt starten und nachhaltigen Erfolg für Ihr Unternehmen erreichen, zeigen wir Ihnen in diesem Blogpost.

Titelbild: Carl Nenzen-Loven auf Unsplash
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