Drahtloser Datenaustausch - per WiFi, LTE oder LoRa?

Per Funk kann man eine Datenverbindung zu Standorten aufbauen, die ansonsten schwierig zu erreichen wären. Eine drahtlose Verbindung ist immer dort eine Alternative, wo ein Kabelzugang nicht erlaubt ist, technisch nicht in Frage kommt oder zu teuer wäre. Unabhängig von technischen, logistischen oder kommerziellen Gründen sind drahtlose Netzwerke hervorragend dazu geeignet, die Industrie zu inspirieren und neue Geschäftsmodelle für elektronische Geräte und das Internet of Things (IoT) zu entwickeln. Naturgemäß gilt dies insbesondere für Objekte, die sich bewegen. Aber auch andere IoT Anwendungen wären undenkbar ohne eine drahtlose Datenverbindung, z.B. eine Nachverfolgung von Sendungen oder gestohlenen Wertgegenständen oder ein autonomes Fahren von Automobilen. Viele andere Telematik- und Fernsteuerungsanwendungen IoT-Kandidaten. Dieser Artikel stellt einige dieser Technologien bzw. Standards für die drahtlose Datenübertragung vor (WiFi, ZigBee, Bluetooth, LoRa, und LTE-M/NB-IoT) und erläutert ihre Unterschiede aus der Perspektive des Anwenders. 

Technische Grundlagen

Drahtlose Kommunikation basiert auf der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Eine elektromagnetische Welle entsteht, wenn sich ein eine elektrische Ladung beschleunigt, d.h. wenn sich ein elektrisches Feld ändert. Das bedeutet, dass ein Wechselstrom, der durch eine Leitung fließt, ein elektrisches Feld mit derselben Frequenz erzeugt. Diese Wellen bewegen sich vom stromdurchflossenen Leiter weg, d.h. dieser Leiter wirkt wie eine Sendeantenne. Umgekehrt betrachtet wirkt dieser physikalische Effekt wie erwartet: wenn eine elektromagnetische Welle auf einen Leiter trifft, wird ein Stromfluss mit derselben Frequenz erzeugt. Auf dieser grundlegenden Erkenntnis basieren herkömmliche Radio- und Fernsehempfänger. Die optimale Länge der Antenne entspricht dabei ¼ der Wellenlänge des zu sendenden oder zu empfangenen Signals. Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, also mit 3,0 * 10⁸ m/s. Das heißt z.B., dass ein 1GHz Signal eine Wellenlänge von (3 * 10⁸ m/s) / 10⁹ m/s = 0,3 m = 30 cm hat, d.h. à die optimale Antennenlänge wäre 7,5 cm lang.

Ursprünglich wurde dieses physikalische Phänomen für die Übertragung analoger Stimmen oder Bilder verwendet, aber es kann natürlich ebenso gut für digitale Datenströme genutzt werden. Zu diesem Zweck müssen die ursprünglichen, analogen Nutzdaten in ein serielles digitales Basisband-Signal („baseband“) umgewandelt werden, bevor es für eine Modulation der Trägerfrequenz des Funksignals („radio frequency = RF“) genutzt wird. Unterschiedliche Datenübertragungsstandards verwenden hierfür unterschiedliche Verfahren zur Kombination der beiden Signale. Zum Beispiel kann eine einfache Frequenzmodulation („frequency modulation = FM“) die Trägerfrequenz entsprechend des Nutzsignal verändern. Bild 1 veranschaulicht, wie ein drahtlos vernetztes Endgerät mittels FM-Verfahren ein modulierte Sendesignal („RF-modulated data“) erzeugt, welches äquivalent zum Nutzsignal ist.

Bild 1: Arbeitsweise einer drahtlosen Datenübertragung 

Nach Modulation der Trägerfrequenz wird das erzeugte Signal verstärkt, bevor es in die Antenne geleitet wird. Typische Trägerfrequenzen für die drahtlose Kommunikation von 1…5 GHz breiten sich geradlinig aus, sodass sich Sender und Empfänger - unter freiem Himmel -in Sichtkontakt befinden müssen. Allerdings passieren Funkwellen durchaus auch lichtundurchlässige oder isolierende Materialien, aber keine elektrisch leitenden wie z.B. Wasser. Beton oder Stahlbeton sind völlig undurchlässig für elektromagnetische Wellen, die stattdessen einfach reflektiert werden. Andererseits stellen alle Arten von Holzplatten kein Hindernis dar. Generell kann man sagen, dass die Ausbreitung von niederfrequenten Radiowellen weniger störungsanfällig sind und auch resistenter gegenüber schlechten Wetterbedingungen sind, aber eine geringere Reichweite haben als hochfrequente Radiosignale, die mehr Energie besitzen.

Lizensierte und unlizenzierte Frequenzbereiche

Nicht überraschend ist die Tatsache, dass die Nutzung von Trägerfrequenzen für Radiosignale staatlicherseits reguliert werden. Die meisten Länder haben staatliche Organisationen, die sich um die Vergabe und Überwachung solcher Frequenzbereiche kümmern. In Europa gibt es zu diesem Zweck eine gemeinsame Behörde für die kommerzielle Nutzung von Radiofrequenzen, das sogenannte „European Telecommunications Standards Institute (ETSI)“. Zielsetzung ist dabei das öffentliche Interesse in Sinne einer guten Verfügbarkeit und einer fairen Vergabe von Trägerfrequenzen und deren effiziente und hinreichend störungsfreier Nutzung. Zu diesem Zweck kommt ein Vergabeverfahren für Frequenzbereiche zum Einsatz, welches die exklusive Nutzung für den jeweiligen Frequenzbereich zu festgelegten Konditionen einräumt („Lizenz“). Diese Lizenz kann neben Nutzungsrechten auch Verpflichtungen beinhalten, z.B. dass Funknetzbetreiber diese Frequenzen auch in dünn-besiedelten Gebieten zur Verfügung stellen müssen.

Üblicherweise werden diese nur spärlich vorhandenen Ressourcen im Rahmen von Auktionen zugewiesen. Dabei ist die Vergabe grundsätzlich technologie- und anwendungsneutral, aber üblicherweise beteiligen sich nur einige wenige Netzbetreiber (Mobile Network Operators = MNOs), die ihren Kunden Telekommunikationsdienstleistungen anbieten auf der Basis von globalen Standards wie LTE oder 5G oder für NB-IoT oder LTE-M, welche LTE-Derivate für Datenanwendungen darstellen. Zum Aufruf kommen dann einzelne Frequenzblöcke innerhalb von Frequenzbändern, die zuvor bestimmten Ländern zugewiesen wurden, zum Beispiel im Band B1 (2100 MHz) oder B3 (1800 MHz) oder B20 (800 MHz). Die versteigerten Frequenzblöcke können dann vom meistbietenden Netzbetreiber exklusiv für ihre Dienstleistungen genutzt werden, für die allerdings aufwändige zellbasierende Netzwerkinfrastrukturen („cellular network“) aufgebaut werden müssen

Zum Beispiel wurden bei der deutschen Versteigerung von LTE-Lizenzen im Jahr 2016 ein Block “1800E” mit einem Paar aus zwei Kanälen von 2 x 5 MHz Bandbreite (5 MHz für uplink, 5 MHz für downlink Daten) angeboten und schließlich für rund 250 Millionen EUR verkauft. Bei dieser Auktion wurde ein Gesamterlös in Höhe von 5 Milliarden EUR erzielt - für elf (11) Frequenzblocks mit einer Gesamtbandbreite von 270 MHz. Diese Zahlen spiegeln die enorme Geschäftserwartung der deutschen Netzbetreiber zu diesem Zeitpunkt wider, die allerdings vor allem auf der Kapazitätsbedarf für Telefongespräche beruhen. Der Mobilfunk-Markt ist aufgrund der immensen Kosten für die Netzwerkinfrastruktur sehr überschaubar, die Anzahl der Mitbewerber eher gering. Diese Situation kann eine weltweite, flächendeckende Verfügbarkeit verzögern, wenn man bedenkt, dass die weltweiten 3GPP Mobilfunk-Standards ständig erweitert und in Form von jährlichen Releases veröffentlicht werden. 

Zusätzlich zu den beschriebenen Auktionen für lizensierte Funknetze gibt es auch unlizenzierte Frequenzbänder, die kostenfrei zur Nutzung zur Verfügung gestellt werden, sofern gewisse Regeln eingehalten werden. So werden z.B. technische Anforderungen wie max. Leistungspegel der Geräte gestellt. Der Sinn dieser unlizensierten Frequenzen besteht darin, Innovation in diesem Bereich zu fördern und eine kostengünstige Implementierung von drahtlosen Netzwerken zu unterstützen. 

Bekannte standardisierte drahtlosen Netzwerktechnologien, die sich unlizensierter Frequenzen bedienen sind 

• Bluetooth wird hauptsächlich zum Datenaustausch zwischen Geräten in naher Umgebung, also zuhause oder bei der Arbeit verwendet (“PAN – Personal Area Network”), z.B. um einen PC oder ein Smartphone mit einem Drucker oder mit Lautsprechern zu verbinden. Typischerweise sind das Punkt-zu-Punkt Verbindungen, aber Geräte können auch in einem kleinen Netzwerk („piconet“) mit bis zu 7 Teilnehmern zusammengeschlossen werden. Die maximale Sendeleistung eines Klasse-1 Gerätes darf bis zu 100 mW betragen, was eine Reichweite von mehr als 100 Metern ermöglicht. Die Sicherheit der übertragenen Daten wird allerdings nur durch proprietäre Algorithmen gewährleistet, die das NIST und einige Forschungsinstitute mit besorgter Miene betrachten.
• Zigbee zielt auf preiswerte Geräte für den privaten und industriellen Bereich ab, die über eine kurze Distanz (bis zu 100 m) und mit geringen Bandbreiten (bis zu 250 kbps) arbeiten. Über ein Netzwerk („mesh“) von benachbarten Geräten erzielt werden können weiter entfernte Geräte erreicht werden. ZigBee nutzt eine symmetrische 128-Bit Datenverschlüsselung und unterstützt das MAC-Verfahren („message authentication code“) zur Authentisierung von Nachrichten.
• WiFi wird sehr häufig benutzt für die Vernetzung von Geräten im Nahbereich („local area networking - LAN“) und deren Zugriff auf das Internet. WiFi besitzt innerhalb von Gebäuden eine Reichweite von rund 20 Metern und außerhalb von bis zu 150 Metern, wobei für die Europäische Union eine max. Sendeleistung von 20 dBm (100 mW) festgelegt wurde. Der WiFi Verschlüsselungsalgorithmus WPA2 gilt als hinreichend sicher sofern eine starke Passphrase benutzt wird. Von Nachteil ist, dass Wi-Fi einen höheren Stromverbrauch als Zigbee oder Bluetooth ausweist, und sich deshalb nicht so gut für batteriebetriebene Geräte eignet. 
• LoRaWAN ist eine stromsparendes Netzwerktechnologie, die IoT-Anwendungen mit geringen Datenraten 0.3 kbit/s bis 50 kbit/s pro Kanal adressiert. Die LoRa Technologie kann in ländlichen Gegenden über Entfernungen von über 15 km betrieben werden. Die Datensicherheit basiert auf eindeutigen Gerätekennungen in Kombination mit einer AES-128 Verschlüsselung.

Zusätzlich zu diesen terrestrischen Lösungen werden satelliten-basierende Lösungen angeboten - für IoT Anwendungen, die nicht über ein Mobilfunknetzwerk betrieben werden können, z.B. in unzugänglichen Gegenden. Zu diesem Zweck wird ein Verbund von Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen („low earth orbit = LEO“) verwendet, um eine weltweite Abdeckung und eine einigermaßen kontinuierliche Datenverbindung zu bewerkstelligen.

Auswahlkriterien  

Neben der Reichweite („range“) eines drahtlosen Netzwerks ist deren Übertragungsgeschwindigkeit („data rate“) ein wichtiges Vergleichskriterium. Bild 2 veranschaulicht diese Eigenschaften für die genannten Technologien. Die Reichweite eines Netzwerks ist Basis für deren gebräuchliche Einteilung in „Local Area Networks (LANs)“ wie WiFi, Zigbee, Bluetooth oder in „Wide Area Networks (WANs)“ wie LTE und „Low-Power WANs (LPWANs)“ wie LoRa, NB-IoT, and LTE-M.

Bild 2: Drahtlose Netzwerktechnologien - Überblick

Unabhängig zu den technischen Eigenschaften besteht ein fundamentaler Unterschied zwischen den Netzwerken im angebotenen Geschäftsmodell, d.h. wie bzw. von wem das jeweilige Netzwerk betrieben und betreut wird. Üblicherweise wird die Nutzung lizensierter Frequenzbereiche von professionellen Dienstleistern als gebührenpflichtiges Abonnement („subscription plan“) angeboten. Oft sind diese Anbieter gleichzeitig auch Betreiber und Besitzer der Netzwerkinfrastruktur, wobei der Preis die jeweilige Häufigkeit, das Datenvolumen oder die Dauer der Nutzung reflektiert. Als Gegenleistung erhält der Nutzer ein stabiles und zuverlässiges Funknetzwerk. 

Für die Nutzung unlizensierter Funkfrequenzen fallen dagegen keine Gebühren an, weil der Nutzer solche Netzwerke üblicherweise selbst besitzt und betreibt. Zu diesem Zweck wird der Nutzer die Netzwerkinfrastruktur selbst einkaufen, installieren und warten müssen. Für einen fairen Vergleich dieser beiden Geschäftsmodelle müssen also auch die anfallenden Anschaffungs- und Personalkosten berücksichtigt werden (Stichwort: „Total-Cost-of-Ownership“). Hinzu addieren sich potentielle technische Probleme, wenn sich mehrere Endgeräte auf unlizensierten Frequenzen in nächster Umgebung begegnen und sich gegenseitig negativ beeinflussen. Auch wenn man solchen Risiken durch entsprechende Vorschriften oder mit technischen Mitteln begegnen kann (z.B. durch Variation der Trägerfrequenz), ist ein lizensiertes Frequenzband i.A. weniger störanfällig und bietet eine höhere Verlässlichkeit.  

Datenschutz und Datensicherheit werden immer wichtiger - auch für IoT Anwendungen und dafür genutzte elektronische Endgeräte.   Aus diesem Grund sollten sich Hersteller diesen Themen mit großer Aufmerksamkeit und Gründlichkeit bei der Konzeption ihrer vernetzten Produkte widmen. Falls das Mobilfunknetz zum Internetzugang genutzt werden soll, können die SIM-Karten der Netzbetreiber als „Root-of-Trust“ zur sicheren Geräteauthentifizierung und für eine vertrauenswürdige Datenübertragung genutzt werden. Generell sind typische LAN-Umgebungen nicht so sicherheitskritisch wie Internet-Anwendungen. Aber besorgte LAN-Betreiber sollten Zigbee bevorzugen und Bluetooth vermeiden, wohingegen WiFi eine akkurate Konfiguration verlangt.

Der Stromverbrauch ist ein ernstes Thema für batteriebetriebene Endgeräte mit langer Lebensdauer. Standard LTE ist energiehungriger als WiFi, aber letztlich verlangen beide eine regelmäßige Batterieaufladung während des Betriebs. Generell kann man sagen, dass die Sende-/Empfangseinheit eines Endgeräts die meiste Energie benötigt, auch wenn diese nur mit max. 100mW betrieben werden dürfen. Das ist ein Problem für Geräte, die ständig in Betrieb und online verfügbar sein müssen. Für eine extrem hohe Batterielebensdauer wäre es wünschenswert, den Datenaustausch nur zu bestimmten Zeitpunkten vorzusehen und möglichst kurz zu halten. Der Mobilfunkstandard NB-IoT ist für eine solche Betriebsweise entwickelt worden.

Tabelle 1 vergleicht die verschiedene Netzwerktechnologien anhand der beschriebenen Kriterien.

Tabelle 1: Drahtlose Netzwerktechnologien - Vergleich 

Falls gewünscht, können die Produktspezialisten bei SOS electronic weitere Informationen und Unterstützung bei der Auswahl einer zur Anwendung passenden Lösung behilflich sein. Neben Kernkomponenten zum Netzwerkzugang und Entwicklungsumgebungen gehören dazu auch ergänzende Produkte wie Antennen, die allesamt von SOS electronic als IoT-Lösungskomponenten angeboten werden (siehe www.soselectronic.com)