Netzwerktechniken

Hier landen die meisten Beschaffungsdiskussionen, und meist ist es die falsche Diskussion. Reichweite, Energieverbrauch und Datenrate ziehen gegeneinander, und kein Funkverfahren gewinnt alle drei. Wählen Sie das, was zur Aufgabe passt, und lassen Sie die Plattform den Unterschied auffangen.

Familie	Techniken	Entworfen für
LPWAN	LoRaWAN	Große Reichweite und sehr geringer Energieverbrauch, kleine Payloads in großen Abständen
Mobilfunk-IoT	NB-IoT, LTE-M	Breite Abdeckung in bestehenden Netzen, geringer Energieverbrauch, kein eigener Netzaufbau
Mobiles Breitband	4G LTE, 5G	Hohe Datenraten und niedrige Latenz, netzbetriebene Anwendungen
LAN	WiFi, Ethernet	Hoher Durchsatz über kurze Reichweite, vorhandene Infrastruktur
Kurzstrecke	BLE	Sehr geringer Energieverbrauch, kleine Payloads, einfach mit Smartphone und Gateway
Mesh	ZigBee, Z-Wave, Matter	Geräte leiten füreinander weiter und vergrößern die Reichweite in Gebäuden
Gebäudeautomation	BACnet, KNX, Modbus	Heizung, Lüftung, Kälte und Gebäudetechnik
Industrie	Modbus, PROFINET	Robuste Echtzeitsteuerung in der Produktion

Die vier Eigenschaften, die entscheiden

• Reichweite, von einigen zehn Metern bei Kurzstrecken- und Mesh-Techniken bis zu Kilometern bei LPWAN und Mobilfunk.
• Energie, wobei LPWAN, Mobilfunk-IoT und BLE einen mehrjährigen Batteriebetrieb ermöglichen, während WiFi und mobiles Breitband in der Regel Netzspannung benötigen.
• Datenrate, die in derselben Reihenfolge steigt, von wenigen Bytes je Nachricht bei LPWAN bis zu Video bei WiFi und 5G.
• Infrastruktur, also ob Sie das Netz selbst bauen, das eines Betreibers nutzen oder das verwenden, was im Gebäude bereits vorhanden ist.

Eine fünfte Überlegung ist, wem das Netz gehört. Ein privates LoRaWAN-Netz betreiben und reparieren Sie selbst; ein Betreibernetz gehört dem Betreiber, was Arbeit abnimmt und eine Abhängigkeit hinzufügt. Beides ist legitim, und die Wahl folgt meist daraus, wie kritisch die Anwendung ist und wie viel des Bestands Sie kontrollieren.

LPWAN

Weitverkehrsnetze mit geringer Leistung tauschen Datenrate gegen Reichweite und Batterielaufzeit, und der Tausch ist drastisch: Kilometer an Reichweite und Jahre an Batterie, im Gegenzug für kleine Payloads, die gelegentlich gesendet werden.

LoRaWAN ist das dominierende offene Beispiel. Es hat ein hervorragendes Link-Budget, arbeitet in lizenzfreiem Spektrum (868 MHz in der EU) und kann privat aufgebaut oder von einem Betreiber bezogen werden. Es eignet sich für Fernüberwachung, Smart Cities, Gebäude, Landwirtschaft und Industrie, wo kleine Messwerte alle paar Minuten bis einige Male am Tag gesendet werden.

Die Eigenschaften, um die herum zu planen ist:

• Payloads sind klein, typischerweise einige Dutzend Bytes, weshalb Geräte konsequent codieren.
• Die Reichweite hängt stark von Topografie und Bauweise ab. Keller und Innenräume benötigen oft ein zusätzliches Gateway im Gebäude. Geräte in der Nähe von Lüftungsschächten und Treppenhäusern zu platzieren bringt häufig mehrere dB.
• Die Zustellung erfolgt standardmäßig nach bestem Bemühen. Bestätigte Nachrichten und Wiederholungen gibt es dort, wo sie die Batterie wert sind.
• Vorschriften zur Sendezeit im lizenzfreien Spektrum begrenzen, wie oft ein Gerät senden darf.

Die Kette hat vier Stationen: Das Gerät sendet aus; jedes Gateway in Reichweite empfängt und leitet über IP weiter; der Netzwerkserver entfernt die Duplikate und übernimmt Sicherheit und Session; die Plattform empfängt die Payload, meist über MQTT. Dass mehrere Gateways dieselbe Sendung hören, ist normal und liefert Redundanz ohne Zusatzaufwand.

Beachten Sie die Verschlüsselung am unteren Rand der Abbildung: Jede Teilstrecke schützt sich selbst, statt dass ein Schlüssel den gesamten Weg abdeckt.

Mobilfunk-IoT: NB-IoT und LTE-M

NB-IoT und LTE-M (Cat-M1) sind Mobilfunktechniken, die für IoT entworfen wurden und nicht für Telefone. Sie bieten breite Abdeckung in einem bereits vorhandenen Netz bei geringem Energieverbrauch und benötigen außer einer SIM-Karte keinen eigenen Netzaufbau.

• NB-IoT ist auf kleine Payloads und seltene Meldungen optimiert, mit sehr guter Gebäudedurchdringung, und eignet sich für Zählerablesung und ortsfeste Sensoren.
• LTE-M unterstützt bewegte Geräte und schnellere Übertragungen, was zu Trackern passt und zu allem, was zwischen Funkzellen wechseln muss.

Beide sind auf Gebäudedurchdringung ausgelegt und erreichen Innenräume und Keller. Beide erfordern ein Betreiberabonnement, und beide lassen die Protokollwahl offen, sodass Geräte über MQTT, CoAP, UDP oder rohes TCP ankommen können. Diese Freiheit ist nützlich und zugleich Arbeit: Die Integration ist weniger einheitlich als bei LoRaWAN, wo der Netzwerkserver die Übergabe standardisiert.

Der APN-Server des Betreibers ist der Übergabepunkt. Alles links davon gehört zum Mobilfunknetz; alles rechts davon ist gewöhnlicher Internetverkehr.

Mobiles Breitband: 4G und 5G

4G LTE und 5G bieten hohe Datenraten und niedrige Latenz, was Anwendungen mit großen Payloads oder Echtzeitanforderungen brauchen: Kameras, Video, KI am Rand des Netzes, Fahrzeugsysteme und kritische Steuerungen.

Der Preis sind Energie und Kosten. Diese Funkverfahren setzen Netzspannung oder regelmäßiges Laden voraus, und die Abonnements kosten mehr als IoT-Konnektivität. Bei den höchsten 5G-Frequenzen verkürzt sich die Reichweite erheblich. 5G unterstützt zusätzlich sehr große Gerätepopulationen und Network Slicing für kritischen Verkehr.

LAN: WiFi und Ethernet

WiFi bietet in Gebäuden sehr hohen Durchsatz und niedrige Latenz, mit Infrastruktur, die die meisten Gebäude bereits haben. Es setzt außer bei kurzen Sendezyklen Netzspannung voraus, hat eine kürzere Reichweite als Mobilfunk oder LPWAN und teilt sich in dichten Umgebungen ein belegtes Frequenzband.

Ethernet bleibt die zuverlässigste Option überall dort, wo ein Kabel verlegt werden kann, und ist für Gateways, Steuerungen und alles Ortsfeste von Bedeutung üblich.

Kurzstrecke: BLE

Bluetooth Low Energy ist für sehr geringen Energieverbrauch und kleine Payloads über kurze bis mittlere Reichweite gebaut, in der Praxis 100 bis 200 Meter im Freien mit BLE 5.0 und deutlich weniger durch Wände.

Es lässt sich leicht mit Smartphones und Gateways integrieren, was es zur üblichen Wahl für Wearables, Beacons, Asset-Tags, Schlösser und eine große Familie medizinischer Geräte macht. BLE-Geräte erreichen das Internet über ein Gateway oder ein Telefon statt direkt.

Mesh: ZigBee, Z-Wave und Matter

Mesh-Protokolle lassen Geräte füreinander weiterleiten, sodass die Abdeckung mit dem Netz wächst und ein einzelnes Hindernis seine Bedeutung verliert. Die Reichweite je Sprung ist kurz, typischerweise 10 bis 50 Meter in Gebäuden, und die Datenkapazität ist bescheiden, was zur Gebäude- und Hausautomation gut passt.

• ZigBee hat ein großes Ökosystem und teilt sich das 2,4-GHz-Band.
• Z-Wave nutzt Spektrum unterhalb von 1 GHz mit einer begrenzten Zahl an Kanälen und enthält AES-128-S2-Sicherheit.
• Matter ist ein neuerer Standard auf Anwendungsebene, entworfen, damit Geräte aus verschiedenen Ökosystemen über WiFi, Ethernet und Thread zusammenarbeiten.

Alle benötigen einen Hub oder ein Gateway, um das Internet zu erreichen.

Das Gateway ist das, was die lokalen Techniken gemeinsam haben, unabhängig vom Funkverfahren:

Am Gateway wechselt auch das Protokoll. Was das Gerät lokal auch gesprochen hat, das Gateway verlässt MQTT, HTTP oder CoAP über IP. Deshalb integrieren sich diese Techniken auf dieselbe Weise, obwohl die Funkverfahren sehr unterschiedlich sind.

Gebäude- und Industrieprotokolle

BACnet, KNX, Modbus und PROFINET kamen zuerst, und sie betreiben nach wie vor vieles von dem, was in Gebäuden und Fabriken installiert ist. Sie sind robust, echtzeitfähig und gründlich erprobt.

Sie sind älter als die Sicherheitsmodelle der Internet-Ära und wurden für isolierte Netze entworfen, sodass Sicherheit üblicherweise auf Netzwerkebene um sie herum bereitgestellt wird statt im Protokoll selbst. Zugleich liegen dort sehr viele bestehende und wertvolle Daten. Die nützlichsten Daten eines Gebäudes sind oft längst vorhanden, in einem System, das lange installiert wurde, bevor jemand das Wort IoT sagte.

Yggio behandelt all das gleichrangig. Connectors decken LoRaWAN-Netzwerkserver, mobile und generische Geräte über MQTT, HTTP, CoAP und UDP, Gebäude- und Industriesysteme sowie Hubs ab, die Z-Wave, ZigBee und Matter hereinholen. Ein LoRaWAN-Server kann enthalten sein, wo Sie einen wünschen. Wie die Daten auch ankommen, sie landen als dieselbe Art Gerät, mit denselben Feldern, Zugriffsrechten und derselben Historie. Siehe Connectors.

Die Wahl zwischen ihnen

Arbeiten Sie von der Anwendung rückwärts, nicht von der Technik vorwärts:

1. Wie oft muss der Wert ankommen, und wie schnell nach seiner Änderung?
2. Wie viele Daten sind das, je Nachricht und je Tag?
3. Ist Netzspannung vorhanden, oder muss es jahrelang mit einer Batterie laufen?
4. Wo sitzt das Gerät physisch, und was liegt zwischen ihm und der nächsten Infrastruktur?
5. Wer soll das Netz besitzen und warten?

Die Antworten lassen meist ein oder zwei Kandidaten übrig, und der Rest der Diskussion dreht sich um Kosten und Abdeckung.