Die kabellose Zukunft - Funktechnologien im Überblick

Alles läuft heute kabellos - nahezu jedes unserer Geräte kommuniziert durchgehend mit anderen Geräten und steht in Verbindung mit dem Internet. Funktechnologien aller Art spielen in den Betrieben eine immer größere Rolle. Und dieser Einfluss wird sich in den kommenden Jahren noch vergrößern. Internet of Things (IoT) ist das Schlagwort der Stunde. Ein Überblick.

Funktechnologien mit mittlerer Reichweite

WLAN

WLAN (Wireless Local Area Network) ist die im Heim-Gebrauch vielleicht am häufigsten genutzte Funktechnologie. WLAN wird verwendet, um lokale Funknetze aufzubauen. Je nach Version variiert die Übertragungsrate, mit der sich Daten verschicken und empfangen lassen, jedoch kann allgemein bei der Verwendung des 2,4 Ghz-Bandes von einer Reichweite von ungefähr 70 Metern ausgegangen werden. Zusätzlich ist es bei den aktuellen Versionen möglich, das 5 GHz-Band zu verwenden. Hierdurch kann eine höhere Übertragungsrate und erhöhte Stabilität erreicht werden, jedoch geschieht dies zu Lasten der Reichweite.

Im Vergleich zu den Technologien, die für IoT-Anwendungen konzipiert wurden ist der Stromverbrauch von WLAN deutlich höher.

Neuerdings gibt es mit Wi-Fi HaLow (802.11 ah) aber auch einen WLAN-Standard im Niedrigenergie-Segment. Dieser Vertreter soll es ermöglichen, auch auf WLAN-Basis Daten über eine große Distanz hinweg zu versenden und das bei gleichzeitig geringem Verbrauch. So soll es möglich sein, Daten mit einer Geschwindigkeit von 150 kBit/s bis zu einem Kilometer weit zu versenden. Zudem ist auch eine Bündelung verschiedener Kanäle möglich, um die Übertragungsrate zu erhöhen.

Bluetooth

Bei Bluetooth handelt es sich um den am weitesten verbreiteten Funkstandard, da er in jedem Smartphone, jedem Laptop und mittlerweile auch in einer Vielzahl von Kopfhörern implementiert ist. In den letzten Jahren hat sich Bluetooth weiterentwickelt und ist nicht mehr nur für den einfachen Datenaustausch zwischen zwei Geräten nutzbar, sondern verfügt zusätzlich über weitergehende Funktionalitäten (Low-Energy, Bluetooth-Mesh, Positionsortung).

Dies ist die aktuelle Version des Bluetooth-Standards, der seit 2016 auf dem Markt ist und mittlerweile in fast jedem Gerät verbaut ist. Auch Bluetooth 5.0 nutzt das 2,4 GHz ISM-Band zur Datenübertragung und schafft eine Reichweite von 200 Metern bei einer Geschwindigkeit von 50 Mbit/s. Die Reichweite der Geräte kann zusätzlich noch dynamisch eingestellt werden, um Energie zu sparen. Zum Beispiel reicht bei einem Bluetooth-Kopfhörer eine Reichweite von wenigen Metern. Außerdem ist es ab Bluetooth 5.1 möglich, Personen oder Geräte per Bluetooth auf ein bis drei Meter genau zu orten. Dies könnte zum Beispiel in Krankenhäusern eingesetzt werden, um Patiententransporte zu verfolgen.

Seit der Version Bluetooth 4.0 verfügt Bluetooth über eine Low-Energy-Modalität mit der Laufzeiten von mehreren Monaten oder sogar Jahren möglich sein sollen. Erreicht werden diese Laufzeiten durch einen Energieverbrauch von lediglich 75 nJ/Bit. Dabei ist Bluetooth Low-Energy mit den meisten Bluetooth-Funktionen wie der Ortung oder Bluetooth-Mesh kompatibel. In der Regel verwendet Bluetooth Low-Energy ein zentrales rechenstarkes Gerät, auf dem die Berechnung und Speicherung von Daten erfolgt, und ein peripheres Gerät, das zum Beispiel Messungen durchführt und die Daten an das zentrale Gerät überweist.

Die Reichweite dieser energiesparenden Bluetooth-Variante liegt bei 50 Metern draußen bzw. bei ca. 10 Metern innerhalb von Gebäuden. Je nach Reichweite variiert die Geschwindigkeit: Im normalen Modus kann zwischen 1 Mbit/s und 2 Mbit/s die Sekunde gewählt werden. Ein großer Vorteil von Bluetooth Low-Energy im Vergleich zu ähnlichen Systemen ist die bereits flächendeckende Verbreitung, da jedes gängige Bluetooth-Gerät auch über Bluetooth Low-Energy verfügt. Zuletzt setzte die Bundesregierung Bluetooth Low-Energy in der Corona-Warnapp ein, um den Kontakt zweier Personen anhand ihrer Smartphones nachzuweisen.

ZigBee

Die Bezeichnung ZigBee ist relativ unbekannt, auch wenn dieser Standard bereits in vielen Haushalten vertreten ist. ZigBee ist einer der am häufigsten verwendeten Technologien im Smart Home-Bereich. Neben der Hausautomatisierung kommt ZigBee auch in Sensornetzwerken, wie sie zum Beispiel in Hochhäusern zur Überwachung verwendet werden, zum Einsatz. Es zeichnet sich durch einen überaus niedrigen Verbrauch von 360 nJ/Bit aus.

Es handelt sich bei ZigBee um ein Kommunikationsprotokoll für drahtlose Netzwerke mit geringem Datenaufkommen. Vor allem der im Vergleich zu WLAN geringere Verbrauch macht ZigBee im Smart Home-Segment interessant. Dabei können Daten über bis zu 100 Meter hinweg mit einer Geschwindigkeit von bis zu 250 kBit/s übertragen werden.

ZigBees Netzwerkaufbau unterscheidet sich von dem anderer Standards wie WLAN. Anstatt der Verwendung eines Routers mit nur einem einzigen Access-Point, nutzt es ein „vermaschtes“ Netzwerk (im englischen „Mesh“). So nennt man Netzwerke bei denen jeder Netzwerkknoten mit einem oder mehreren anderen verbunden ist. Jeder dieser Netzwerkknoten schafft dann einen direkten Zugang zum heimischen Netzwerk. Hierdurch wird das Netzwerk stabiler, da es auch dann weiter aufrechterhalten wird, wenn es Probleme mit einem der Geräte im Netzwerk gibt.

Zusätzlich zur erhöhten Stabilität, kann die Reichweite übertragbarer Daten durch ein vermaschtes Netz auf mehrere Kilometer vergrößert werden. Allgemein basiert ZigBee auf dem IEEE 802.15.4 Standard (ähnlich WPAN), erweitert diesen aber um mehrere Funktionalitäten. So ist zum Beispiel der sichere Austausch von Schlüsseln mit ZigBee möglich. Jedoch belegt ein ZigBee-Netzwerk Frequenzbänder, die sich mit dem WLAN überschneiden, wodurch es vor allem bei gleichzeitiger Verwendung zu Problemen kommen kann.

Thread

Vergleichbar mit WLAN HaLow oder ZigBee stellt Thread eine weitere Alternative für Netzwerke im Niederenergiesegment dar. Auf dem IEEE 802.15.4-Standard fundierend ermöglicht Thread den Aufbau eines auf IPv6-basierenden Mesh-Netzwerkes, in das bis zu 250 Geräte eingebunden werden können. IPv6 steht hierbei für Internet Protocol Version 6 und ist ein standardisiertes Verfahren zur Adressierung von Endgeräten im Internet, welcher erheblich mehr Geräte zulässt, als der Vorgänger IPv4.

Durch die Nutzung des IPv6-Standards entstehen, neben der großen Anzahl an Geräten, die eingebunden werden können, mehrere Vorteile (z.B. gegenüber Zigbee). So kann Thread zum Beispiel problemlos in größere, bereits bestehende IP-Netzwerke (z.B. WLAN-basierte Netzwerke) integriert werden und außerdem reduziert es die nötigen Investitionen in die Infrastruktur. Auch wird die Komplexität jener Infrastruktur gemindert (z.B. durch den Wegfall geschützter Gateways), wodurch der Aufwand für die Instandhaltung verringert wird. Ein weiterer Vorteil von Thread ist der Wegfall eines „Koordinators“ als zentralen Knoten des Netzwerks. Stattdessen kann jeder Router des Netzwerks diese Rolle übernehmen, sodass bei einem Ausfall des Koordinators das Netzwerk aufrecht erhalten wird und einfach ein neuer Router die Koordinatoren-Rolle übernimmt.

Thread arbeitet Cloud-basiert und bietet somit Funktionen wie die unkomplizierte Steuerung über Smartphones oder Tablets. Genau wie die meisten anderen Technologien arbeitet Thread im 2,4 Ghz-Band. Es ist hierbei möglich Daten mit 250 kBit/s zu übertragen. In Sachen Reichweite liegt Thread zwischen Bluetooth und Zigbee.

Funktechnologien mit hoher Reichweite

Low Power Wide Area Network (LPWAN)

Im Bereich des Fernfunks können Daten kilometerweit gesendet werden. In diesem Segment spielt LPWAN eine wichtige Rolle. LPWAN-Netzwerke werden vor allem für IoT-Anwendungen (Internet of Things) genutzt, da ihre Stärke in der Funkreichweite liegt. Zudem ist der Energieverbrauch solcher Netzwerke marginal, sodass Batterielaufzeiten von über zehn Jahren erreicht werden können. Überdies gilt LPWAN als besonders kostengünstig. Als Kompromiss für die hohe Reichweite bei geringem Verbrauch verfügt LPWAN über eine relativ langsame Datenübertragungsrate. Es sind lediglich 100 Bit/s bis zu einigen wenigen kBit/s möglich. Die gängigsten Vertreter LoRaWAN, Sigfox und NB-IoT werden im Folgenden erklärt.

Aktuell zeichnet sich LoRaWAN als potenteste Variante der LPWAN-Technologie ab. So ist weltweit die Anzahl der Projekte, welche LoRaWAN nutzen seit 2015 kontinuierlich gestiegen.

Das über lizenzfreie Sub-GHz Frequenzen (868 MHz) laufende Netzwerk bietet uneingeschränkte, bidirektionale Datenübermittlung. Dabei ist sowohl die Verwendung von öffentlichen Netzwerken lokaler Betreiber (z.B. Swisscon) als auch der Aufbau eines privaten Netzwerkes möglich. Die maximale Datenübertragungsrate liegt bei 50 kBit/s.

Diese Variante verwendet eine Ultra-Schmalband-Funktechnologie und läuft ebenfalls über lizenzfreie Sub-GHz Frequenzen (auch 868 MHz). Jedoch ist bei Sigfox die tägliche Datenübertragung beschränkt, im Upload auf 140 Nachrichten mit 12 Byte und im Download auf 4 Nachrichten mit 8 Byte. Vertrieben wird das Ganze in Form eines globalen Netzwerkes von SIGFOX selbst. Ein privates Netzwerk ist nicht möglich.

Im Gegensatz zu den bisher genannten LPWAN-Techniken nutzt NB-IoT das lizenzierte Funkspektrum der Mobilfunkbetreiber. Genau wie bei LoRaWAN ist eine uneingeschränkte Datenübertragung möglich, jedoch ist die Anschaffung durch die Verwendung der bereits bestehenden Mobilfunknetzwerke günstiger. Hierdurch wird allerdings auch der Aufbau eines privaten Netzwerkes ausgeschlossen. NB-IoT erzielt Geschwindigkeiten von 250 kBit/s.

LoRaWan

Der Long Range Wide Area Network-Standard gewinnt global immer mehr an Bedeutung, da sich durch die hohe Reichweite bei geringem Stromverbrauch und moderater Übertragungsrate eine Vielzahl verschiedenster Anwendungen realisieren lassen. Deswegen soll im Weiteren Fragen rund um den Aufbau und die Reichweite geklärt werden.

LoRaWAN-Netzwerke bieten eine sichere und bidirektionale Verbindung. Zudem zeichnen sie sich durch eine hohe Mobilität aus. Im Aufbau des Netzwerks kommunizierte der verwendete Sensor mit einem Gateway. Dieses steht unter Nutzung einer IP-Verbindung in direktem Austausch mit dem Netzwerkserver, der wiederum die Daten an einen Applikationsserver weiterleitet. Ein großer Vorteil dieser Netzwerke ist, dass die als Input verwendeten Sensoren auf mehrere Frequenzkanäle verteilt sind, wodurch diese sich nicht gegenseitig behindern können. Zusätzlich ist die Datenrate dynamisch und kann für jeden Kanal jederzeit individuell angepasst werden.

LoRaWAN wurde für die Datenübertragung über große Reichweiten hinweg konzipiert. In der Stadt ist eine Reichweite von zwei Kilometern realistisch. Auf dem Land können sogar Reichweiten von bis zu zehn Kilometern erreicht werden. Ermöglicht wird diese Reichweite durch die Verwendung des 868 MHz ISM-Frequenzbandes, das eine gute Durchdringung von Gebäuden aufweist.

5G

Der größte Konkurrent zu LPWAN-Technologien und die voraussichtliche Ablösung dieser ist 5G. Im Folgenden wird erläutert warum 5G der neue Standard für IoT-Anwendungen wird und mehr ist, als ein schnelleres 4G.

Der Fokus von 5G ist das IoT, die Vernetzung digitaler Endgeräte. Endverbraucher*innen profitieren direkt durch die höhere Geschwindigkeit und die höhere Stabilität von 5G. Unternehmen ermöglicht 5G zudem neue Produkte auf den Markt zu bringen, die dann wiederum für Endverbraucher*innen interessant sind.

Funktechnologien mit niedriger Reichweite

ANT/ANT+

Vom Fernfunk und Daten, die kilometerweit übertragen werden, kommen wir nun zur Nahfeld-Übertragung und zuerst zu ANT. Die ANT-Technologie und dessen Erweiterung ANT+ ist aktueller Standard der Datenübertragung im Nahfeld im Bereich Sport und Fitness. Sämtliche Smart-Watches nutzen ANT, um die verschiedenen Vitalwerte zu übertragen. Aber auch im allgemeinen Gesundheitswesen, vor allem bei der Patientenüberwachung, wird ANT verstärkt genutzt.

ANT läuft im lizenzfreien 2,4 GHz ISM-Band und verfügt über 78 verschiedene Hochfrequenz-Kanäle mit Nutzung des Frequenzsprungverfahrens. Die Stärke von ANT ist der geringe Verbrauch (715 nJ/Bit), wodurch eine Knopfzelle über mehrere Jahre hinweg für den laufenden Betrieb ausreicht. Optimal für den Einsatz für das Tracken von Körperwerten verfügt ANT über eine Reichweite von bis zu 30 Metern. In der Praxis werden Anwendungen aber häufig für höchstens 10 Meter ausgelegt. Die geringe Datenübertragungsrate von 20 kBit/s reichen dabei in der Regel für die Anwendungen aus, für die ANT genutzt wird.

NFC

Im Gebiet des Nahfeld ist jedoch ein anderer Standard führend: NFC (Near Field Communication oder zu deutsch Nahfeldkommunikation) ist ein international genutzter Standard, der es ermöglicht, kleine Datenmengen zwischen zwei Geräten innerhalb eines kleinen Abstands zu übertragen. Dabei basiert NFC auf der RFID-Technik (radio-frequeny identification), bei der Daten per elektromagnetischer Induktion übertragen werden können.

Die Reichweite einer solchen Übertragung beträgt lediglich wenige Zentimeter und die maximale Übertragungsrate liegt bei 424 kBit/s. Die Besonderheit von NFC ist der geringe Verbrauch: Vergleicht man den maximalen Standby-Verbrauch eines NFC-Chips, der bei 5 mA liegt, mit dem eines Bluetooth-Chips (30 mA) oder dem eines Bluetooth Low-Energy-Chips (15 mA) wird der geringe Stromverbrauch sichtbar. NFC wird für Anwendungen wie das bargeldlose Bezahlen oder der 2-Faktor-Authentifizierung genutzt. Zudem ist mittlerweile in fast jedem Smartphone oder Tablet ein NFC-Chip verbaut.

Der wohl größte Sicherheitsaspekt von NFC ist die geringe Reichweite. Hierdurch ist es Dritten nicht möglich auf die versendeten Daten von außerhalb zuzugreifen, es sei denn sie befinden sich in unmittelbarer Entfernung zum Angegriffenen. Mittlerweile sind auch RFID-Chips auf dem Markt erhältlich, in die Verfahren zur Verschlüsselung der Daten integriert sind.

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