Per NB-IoT und LoRaWAN aus der Fabrik ins IIoT | wirautomatisierer
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Konnektivität & Schnittstellen
Per NB-IoT und LoRaWAN aus der Fabrik ins IIoT
Als Alternative gerade im industriellen Umfeld zur Realisierung von Industrie-4.0-Applikationen bieten sich die sogenannten 0G-Netze auf der Basis von NB-IoT und LoRaWAN an
Andreas Gees, stv. Chefredakteur elektro AUTOMATION
1. Private LTE-Netze 2. Industrielles WLAN 3. Narrowband-IoT von Vodafone 4. Telekom bietet jetzt NB-IoT-Netz für Deutschland 5. Low Power Wide Area Network 6. Sigfox in 60 Ländern vertreten 7. Ingenu arbeitet im 2,4-GHz-Bereich 8. nWave als Alternative zu Sigfox und LoRa 9. IoT-Funk-Lösung von Fraunhofer 10. Wi-SUN-Allianz
Doch welche Lösungen eignen sich für die Kommunikation im Fabrik- und Produktionsumfeld und wodurch zeichnen sie sich aus. Wichtige Bereiche wie die diskrete Fertigung in der Automobilindustrie oder im Maschinenbau werden moderne Mobilfunkstandards wie 5G in Zukunft in der Fabrik einsetzen. Da ist sich auch die 5G Alliance for Connected Industries and Automation beim ZVEI sicher. Vielversprechende Applikationen reichen von der Logistik für das Versorgungs- und Bestandsmanagement über Roboter- und Motion-Control-Anwendungen bis hin zur Betriebskontrolle und der Lokalisierung von Geräten und Artikeln. Die 5G-Technik wird dabei verschiedene Funktionen von Industrial Ethernet und Time-Sensitive Networking unterstützen, sodass es sich leicht in die bestehende Infrastruktur integrieren lässt. Obwohl der 5G-Ausbau nun begonnen hat, ist der Weg zu einer ausreichenden Netzabdeckung weit. Bis Ende 2021 etwa möchte der Netzbetreiber Vodafone „bis zu 20 Mio. Menschen sowie zahlreiche Industriestandorte mit 5G erreichen“. Da jedoch die große Zahl der Applikationen sowie die vielen öffentlichen Infrastruktur-Projekte die Leistungsfähigkeit von 5G nicht erfordern, können die Anforderungen an eine mobile bzw. Funkkommunikation auch mit anderen Technologien erfüllt werden.
Private LTE-Netze
Auch bei Nokia, einem der großen Netzausrüster ist man der Ansicht, dass es bis zur flächendeckenden 5G-Abdeckung noch dauern wird. Um trotzdem von den Vorteilen mobiler Funktechnologie zu profitieren empfiehlt das Unternehmen, schon heute private LTE-Netze zu nutzen. Diese können sogar von der eigenen IT-Abteilung eingerichtet und betrieben werden. Laut Nokia stoßen dagegen Wifi- bzw. WLAN-Netze im Industrieumfeld in punkto Abdeckung und Robustheit schnell an Grenzen. Auch öffentliche Mobilfunknetze stellen hier keine echte Alternative für Unternehmen dar. Vorteile bieten dagegen laut Nokia speziell für das Industrieumfeld konzipierte private LTE-Netze: „Sie sind flexibel skalierbar, haben eine schnelle Reaktionszeit und können sowohl drinnen als auch draußen eingerichtet werden – egal ob in großen Maschinenhallen oder mittelständischen Fabriken.“ Die Stärken sieht man bei Nokia vor allem im Zusammenhang mit dem IIoT: In dynamischen Produktionsumgebungen können private LTE-Netze ihre Stärken ausspielen, ohne zusätzliche Kabelwege bis zu tausende von Sensoren sicher und stabil an Edge-Computing-Systeme anbinden. Weil dabei die Authentifizierung der einzelnen Geräte über SIM-Karten erfolgt und die Daten lokal gespeichert werden, ist auch die Sicherheit gewährleistet. „Für die Installation benötigen Unternehmen eine Lizenz der Bundesnetzagentur, die sie unkompliziert beantragt können, sowie das entsprechende technische Equipment der jeweiligen Ausrüster. Hier reichen oft je nach Anwendung bereits sehr wenige Basisstationen, um große Flächen effizient zu vernetzen“, erläutert man bei Nokia.
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Andere Unternehmen sehen neben LTE durchaus Technologien wie WLAN oder Bluetooth als Alternative für die Produktionsumgebung. So bietet etwa Siemens mit dem IWLAN eine Kommunikationstechnik für hohe Zuverlässigkeit nicht nur für die Automobilindustrie an. In der Automobilindustrie unterstützt diese drahtlose Datenkommunikation über Industrial Wireless LAN in vielen Bereichen maßgeblich zuverlässige und sichere Betriebsabläufe – so etwa bei der Steuerung der Roboter in den Produktionszellen. Die Sicherheit der Mitarbeiter ist dabei in jedem Moment gewährleistet – denn dank Echtzeitkommunikation in Profinet- bzw. Ethernet/IP-Applikationen führt die Anlage in kritischen Situationen sofort einen Not-Stopp aus. Die Technologie ermöglicht eine genaue Positionsbestimmung der Anlagenteile bei Roaming-Zeiten unter 50 ms. Da IWLAN auf Standards basiert, ist laut Siemens die Anbindung an bestehende Produktionsnetze denkbar einfach.
Narrowband-IoT von Vodafone
Vodafone gibt in einem ausführlichen Whitepaper genauere Auskunft über seine Aktivitäten bei Narrowband-IoT (NB-IoT). Das Unternehmen sieht darin eine Grundlage für das Maschinen-Netz der Zukunft. Die Technologie basiert auf Low Power Wide Area (LPWA), das sich durch geringen Energieverbrauch der Geräte, Übertragung geringer Datenmengen auf längeren Distanzen sogar unter der Erde auszeichnet. Das Whitepaper geht ins Detail: „Zur Erfüllung dieser LPWA-Anforderungen wurde eine Reihe verschiedener Technologien entwickelt, unter anderem auch NB-IoT. Somit ist NB-IoT eine sogenannte 3GPP-standardisierte Kommunikationstechnologie, die Merkmale von LPWA erfüllt. Dieser 3GPP-Standard bietet eine optimale Sicherheit bei der Daten-Übertragung durch Ende-zu-Ende-Verschlüsselung. Das lizensierte Spektrum garantiert eine qualitativ hochwertige Übertragung der Daten.“ Bei Vodafone ist man davon überzeugt, dass vor allem NB-IoT den massentauglichen Einsatz von IoT ermöglichen wird. NB-IoT bietet eine gute Netzabdeckung in schwierigen Umgebungen, die für LPWA-Anwendungsfälle prädestiniert sind. Wie bei 3G und 4G werden lizenzierte Frequenzbänder genutzt. NB-IoT wird so kaum durch Störungen beeinträchtigt. Für NB-IoT gibt es außerdem keine rechtlichen Einschränkungen, z.B. wie oft jedes Gerät Daten übertragen muss. Und es muss auch nicht zwangsläufig pausieren. Das schont den Energieverbrauch und erleichtert die Planungssicherheit für die Zukunft. Trotz hoher Netzabdeckung bietet NB-IoT eine hohe Batterielaufzeit. Wie man bei Vodafone erklärt, ist NB-IoT auf die Minimierung der Hardware-Kosten ausgelegt. Dies gilt sowohl für die Kosten der Chips als auch für die Kosten der Antennen und Sensoren.
Telekom bietet jetzt NB-IoT-Netz für Deutschland
Das NB-IoT-Maschinen- und Sensorennetz der Deutschen Telekom soll die Digitalisierung in den verschiedenen Branchen erleichtern. Es deckt 90 % der Fläche Deutschlands ab und versorgt damit auch mehr als 90 % der Bevölkerung. Bis Ende 2019 soll der Ausbau abgeschlossen sein. Die Möglichkeiten für das Maschinennetz sind vielfältig: In mehr als 50 deutschen Städten wird schon „smart“ geparkt. Auch die „smarte Datentonne“ des Logistik-Dienstleister Rhenus funkt über das neue Netz. Diese intelligenten Behälter erkennen ihre Füllstände und koordinieren ihre eigene Leerung. „Unser Maschinen- und Sensorennetz bietet ein enorm breites Anwendungsfeld,“ sagt Kai-Ulrich Deissner, Leiter International Technology & Services Delivery. „Mobilität, Sicherheit oder Abfallmanagement sind nur einige Bereiche, die das neue Netz revolutioniert. Es ist ein wichtiger Wegbereiter für das mobile IoT der kommenden Jahre.“ Als erstes Unternehmen bietet die Telekom auch das Roaming in den NB-IoT-Netzen ihrer Landesgesellschaften an. Das sind derzeit: Österreich, Niederlande, Ungarn, Slowakei, Tschechische Republik und Griechenland.
Low Power Wide Area Network
Viele Experten sind sich sicher, dass neben 5G vor allem den 0G-Netzen die Zukunft gehört. Sie bieten sich als Alternative gerade im industriellen Umfeld zur Realisierung von Industrie-4.0-Applikationen an und sind zum Teil bereits heute verfügbar. Diese Funknetze sind für Anwendungen ausgelegt, bei denen die Übertragung großer Datenmengen nicht im Vordergrund steht. Es vielmehr um beschränkte Daten, größere Entfernungen sowie eine lange Laufzeit der Batterien. Vornehmliches Ziel ist die Übertragung von Sensor- und Produktionsdaten von wenigen Byte. Neben Smart City oder Smart Farming sind Applikationen im Industrieumfeld denkbar.
LoRaWAN als Low Power Wide Area Network LPWAN wurde für die Kommunikation drahtloser batteriebetriebene Systeme entwickelt und erfüllt die Anforderungen des Internets der Dinge. Es bietet eine sichere bidirektionale Kommunikation und ermöglicht Lokalisierung und Mobilität verschiedenster Dienstleistungen.
Auf der Übertragungsschicht kommt das Funkprotokoll LoRa europaweit bei 868 MHz zum Einsatz. Möglich ist dabei auch eine Multicast-Kommunikation von Nachrichten. Dabei verteilt sich die Kommunikation zwischen den Gateways und den Endgeräten auf unterschiedliche Datenraten und Frequenzkanäle. Typische LoRaWAN-Datenraten reichen von 0,3 kbps bis hin zu 50 kbps. Ziel ist eine Maximierung von Batterielebensdauer der Endgeräte und der Netzwerkkapazität. Verschiedene Konzepte internationaler Anbieter und Communities basieren auf dieser Technologie. So ist die Initiative The Things Network in den Niederlanden gestartet, wo die Abdeckung nahezu 100 % beträgt. In Deutschland sind es vor allem größere Städte, die eigene Lösungen und Gateways betreiben. Gebündelt werden alle Aktivitäten bei der LoRa Alliance, einer unabhängigen und nicht kommerziellen Organisation. Ziel ist, „die Verbreitung des Long-Range-WAN-Protokolls (LoRaWAN) zur Etablierung als zukünftigen globalen Standard voran zu treiben, sodass ganze Regionen bis hin zu kompletten Ländern mit nur wenigen Basisstationen abgedeckt werden können und so eine flächendeckende Verfügbarkeit von LoRaWAN erreicht werden kann.“
Sigfox in 60 Ländern vertreten
Auch das offene Funkprotokoll des 0G-Netzes von Sigfox nutzt den Frequenzbereich bei 868 MHz. Begonnen hat das Unternehmen in Frankreich, kann jedoch mittlerweile in Deutschland mit knapp 85 % eine gute Abdeckung vorweisen. Das Netzwerk und die Technologie des Unternehmens fokussieren sich auf die Verbindung vieler kostengünstiger, langlebiger Geräte, die im Gegensatz zu lokal aufgebauten privaten Netzen in 60 Ländern weltweit ohne Roaminggebühren verfügbar sind. Auch Sigfox hat angekündigt, noch dieses Jahr Sateliten in den Erdumlauf zu bringen (Ausführlich in Ausgabe 8 von elektro Automation bzw. unter http://hier.pro/3A1nI).
Ingenu arbeitet im 2,4-GHz-Bereich
Ebenfalls im Bereich 868 MHz arbeitet die Lösung von Ingenu. Die RPMA-Technologie ist auf geringe Kosten bei hoher Konnektivität ausgelegt. Gemeinsam mit Partnern ist es das Ziel des Unternehmens, die Technologie auch über globale Satellitenbetreiber verfügbar zu machen, um Anwendungen wie Öl, Bergbau, Schifffahrt und Landwirtschaft zu ermöglichen. „Der Markt ist geprägt von Implementierungen durch LoRa und Sigfox sowie von Mobilfunkbetreibern durch NB-IoT und LTE. Problem ist, dass die Kosten für die Implementierung dieser Lösungen viel höher und die Abdeckung bisher begrenzt ist. Ingenu hat einen Nischenmarkt gefunden, in dem weder LoRa, Sigfox noch Mobilfunkbetreiber konkurrieren können“, erklärt Alvaro Gazzolo, Präsident und COO von Ingenu in San Diego. Der RPMA Access Points kann über tausend Nachrichten gleichzeitig empfangen, mittels API kann über REST kommuniziert werden.
nWave als Alternative zu Sigfox und LoRa
Die nWave-Technologie sieht sich im direkten Wettbewerb zu Sigfox und LoRa und wurde für intelligente Parklösungen entwickelt. nWave ist einer von mehreren offenen Standards für Low Power WANs (LPWAN), das in den Sub-GHz-Frequenzen von 433 MHz und 868 MHz (EU) sendet. Die Ultra-Schmalband-Übertragung hat den Vorteil des geringen Energieverbrauchs gegenüber anderen Modulationsverfahren. Wie die anderen LPWANs auch, wurde nWave für das Internet of Things (IoT) und die Machine to Machine Communication (M2M) entwickelt. nWave wird von der Special Interest Group (SIG) gefördert und weiterentwickelt. Die Sendeleistung der Funkmodule liegt zwischen 25 und 100 mW. Es sind Entfernungen zwischen 5 km und 10 km möglich, die Datenrate liegt für den Uplink bei 100 bit/s.
IoT-Funk-Lösung von Fraunhofer
MIOTY ist eine drahtlose IoT-Technologie des Fraunhofer Instituts für Integrierte Schaltungen in Nürnberg. Durch die effiziente Kanalcodierung erhöht sich die Reichweite von MIOTY gegenüber Standard-Funksystemen bei 868 MHz um bis zu Faktor 10. Die geringe Eigenstörung ermöglicht es dem System über 1 Millionen Sender gleichzeitig mit nur einer Basisstation zu empfangen. Die Sender basieren auf kostengünstigen kommerziellen Funkchips von beispielsweise Texas Instruments oder Silican Labs und haben eine geringe Baugröße sowie lange Batterielaufzeiten.
Wi-SUN-Allianz
Die Wi-SUN Alliance wurde als Konsortium von 60 Unternehmen gegründet, um auf der Basis des IEEE-Standards 802.15.4 industrielle Produkte zu entwickeln. IEEE 802.15.4 beschreibt ein Übertragungsprotokoll für Wireless Personal Area Networks (WPAN) und definiert die untersten Schichten des OSI-Modells. Die höheren Protokollebenen, in denen Routing und Anwendungsschnittstelle definiert werden, werden durch andere Standards beschrieben.
5G ACIA/ZVEI Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. Lyoner Straße 9 60528 Frankfurt am Main Tel.: +49 69 6302-0 Website: zvei@zvei.org
Nokia Solutions and Networks GmbH & Co. KG Werinherstraße 91 81541 München Tel.: +49 89 5159 – 01 E-Mail: bernhard.fuckert@nokia.com
Siemens AG leiwitzer Str. 555 90475 Nürnberg Tel.: 0800/22 55 33 6 E-Mail: contact@siemens.com Website: www.siemens.com
Wi-Fi Alliance 10900-B Stonelake Boulevard, Suite 126 Austin, TX 78759 USA E-Mail: website@wi-fi.org
Wi-SUN Alliance 111 Deerwood Road, Suite 200 San Ramon, CA 94583/USA Tel.: +1 925-831-4750 E-Mail: info@wi-sun.org 16 Saxon Road Hove, BN3 4LE./UK Tel.: +44 1273 930948 E-Mail: info@wi-sun.org
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