IOT-Standards: Von Bluetooth bis Zigbee

Kein einheitlicher Standard für das IoT

Das Internet der Dinge entwickelt sich unglaublich schnell. Das hat zur Folge, dass viele Akteure mit der Formulierung von Industriestandards hinterherhinken. Mittlerweile gibt es zahlreiche staatlich oder nicht-staatlich mitgetragene Arbeitsgruppen, Organisationen, Allianzen oder Alleingänge, die mit unterschiedlichen Ansätzen aufwarten.

Hinzu kommt, dass das IoT ein breites Anwendungsfeld abdeckt. Das heißt: Es gibt kaum Standards, die in allen Bereich zum Einsatz kommen. Dennoch gibt es Voraussetzungen, die alle IoT-Standards erfüllen müssen:

• ausreichend Kapazität, um eine große Anzahl an homogenen Elementen miteinander verbinden zu können
• hohe Zuverlässigkeit
• Echtzeit-Übertragungen von Daten mit minimalen Verzögerungen
• hohe Sicherheit
• Fähigkeit Anwendungen zu konfigurieren
• Überwachung und Verkehrsmanagement auf Geräteebene
• Kosteneffizienz für eine große Anzahl an verbundenen Geräten

Low-Power-Standards für das IoT

In der Regel handelt es sich bei IoT-Technologien um sogenannte Low-Power-Standards. Diese Standards bieten eine lange Akkulaufzeit. Die Reichweite wird dadurch dennoch nicht beeinträchtigt. Low-Power-Standards werden vor allem verwendet für den Anschluss von Geräten (zum Beispiel Sensoren). Dafür sind deutlich geringere Datenraten nötig als bei der "normalen" Internetnutzung oder beim Streamen von Videos. Low-Power-Standards kommen in drei Bereichen zum Einsatz:

• im persönlichen Bereich
• im privaten Bereich (Zuhause, Büro, Hotspot)
• für den öffentlichen Raum

Das IoT-Ökosystem vereinfacht dargestellt

	Kurze Reichweite (persönlicher Bereich)	Ortsbereich (privater Bereich)	Große Fläche (öffentlicher Raum)
Reichweite	<10 Meter	<100 Meter	Outdoor (Kilometer)
Inhalt	Bluetooth	WiFi	LTE
Sense + Control	Bluetooth smart	Zigbee Thread Z-Wave	NB-IoT LoRaWAN

Bluetooth

Bluetooth wurde in den 1990er Jahren von der Bluetooth Special Interest Group entwickelt. Dabei handelt es sich um einen Industriestandard gemäß IEEE 802.15.1 für die Datenübertragung via Funk über kurze Distanzen.

Im IoT-Bereich kommt Bluetooth Smart (oder Bluetooth Low Energy, Bluetooth LE) zum Einsatz. Mit dieser Funktechnik lassen sich Geräte in einer Umgebung von etwa 10 Metern vernetzen. Im Vergleich zum „klassischen“ Bluetooth hat Bluetooth Smart einen deutlich geringeren Stromverbrauch sowie geringere Kosten. Der Kommunikationsbereich soll dabei ähnlich sein.

Standard: Bluetooth 4.2

Frequenzen: 2.4 Gigahertz (GHz)

Reichweite: 50 bis 150 Meter (Bluetooth Smart)

Datenraten: 1 Megabit pro Sekunde (Mbit/s; Bluetooth Smart)

WiFi

WiFi – oft als Synonym für WLAN gebraucht – bezeichnet ein lokales Funknetz. In der Regel umfasst die Bezeichnung den Standard der IEEE-802.11-Familie.Seit einiger Zeit wird versucht, WiFi stromsparend zu machen. Ein erster Erfolg ist IEEE 802.11ah. Dieser Standard arbeitet aber in Sub-GHz-Bändern, die nicht einheitlich sind. Gute Alternativen könnten Low-Power-Implementierungen von Wi-Fi 4 (.11n) und Wi-Fi 5 (.11ac) sein. Sinkt der Energieverbrauch der WiFi-Standards könnte die Technologie zu einem ernstzunehmenden Konkurrenten von Zignee oder Thread werden.

Standard: Basierend auf IEEE 802.11

Frequenzen: 2.4 GHz und 5 GHz

Reichweite: etwa 50 Meter

Datenraten: in der Regel 150 bis 200 Mbit/s, maximal 600 Mbit/s

Zigbee

Zigbee ist ein Standard, der auf IEEE 802.15.4 basiert und im Wesentlichen als stromsparender WiFi-Standard bezeichnet werden kann. Die Zigbee Alliance hat zudem eine Universalsprache für das IoT kreiert. Dotdot macht es für smarte Geräte möglich, sicher auf jedem anderen Netzwerk zu arbeiten und sich gegenseitig zu verstehen.

Standard: ZigBee 3.0 basierend auf IEEE802.15.4

Frequenzen: 2.4 GHz

Reichweite: 10 bis 100 Meter

Datenraten: 250 Kilobit pro Sekunde (Kbit/s)

Thread

Thread basiert wie Zigbee auf den IEEE 802.15.4 Standard und nutzt mit Dotdot die gleiche Application Layer Software. Thread ist ein Funkstandard der Thread Group, ein Verband, der von Google NEST initiiert wurde. Thread kommt  für die drahtlose Kommunikation zwischen Geräten und Sensoren im häuslichen Umfeld zum Einsatz. Viele internationale Unternehmen sind bereits Mitglied des Verbands – von Samsung über ARM Holdings, Qualcomm, Somfy bis hin zu Osram.

Standard: Thread, basierend auf IEEE802.15.4

Frequenzen: 2.4 GHz

Reichweite: theoretisch bis zu 30 Meter

Datenraten: 250 Kbit/s

Z-Wave

Z-Wave ist ein drahtloser Kommunikationsstandard, entwickelt von Sigma Designs und der Z-Wave Alliance. Der Standard zeichnet sich durch einen geringen Energieverbrauch und hohe Kommunikationssicherheit aus. Eingesetzt wird Z-Wave vor allem in privaten Häusern und Wohnungen – unter anderem für die drahtlose Steuerung von Heizung, Lüftung, Beleuchtung, Alarm- und Klimaanlagen.

Standard: Z-Wave

Frequenzen: zwischen 850 und 950 MHz

Reichweite: mindestens 40 Meter in geschlossenen Gebäuden; maximal 150 Meter im Freifeld

Datenraten: 9,6 bis 100 Kbit/s

Mobilfunktechniken

Mobilfunk ist ein Sammelbegriff für die Nutzung beweglicher Funkgeräte wie tragbare Geräte (Smartphone, Smart Watch). Weitere Anwendungsgebiete des Mobilfunks sind zum Beispiel mobile Datenerfassung, Funkrufdienste, Telemetrie, See- und Binnenschifffahrtfunkdienste oder Jedermannfunk. Aber: Neuere Funkstandards wie LTE lassen sich auch für IoT-Anwendungen über große Distanzen nutzen.

Via Mobilfunk können große Datenpakete transportiert werden. Dafür sind Kosten und Energieverbrauch ebenfalls sehr hoch. In diesem Sinne kann der Mobilfunk im IoT-Bereich eine gute Lösung sein, wenn kleine Informations-Pakete schnell übermittelt werden sollen.

Standard: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA/HSPA+ (3G), LTE (4G), 5G

Frequenzen: mehrere, darunter 800/900/1800/1900/2100 MHz für 4G

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

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

NB-IoT

Bei NarrowBand-IoT (NB-IoT) handelt es sich um einen Funkstandard speziell für das IoT. Er baut auf vorhandene Mobilfunknetze auf und ermöglicht eine Vernetzung von Geräten und Maschinen mit hoher Funkabdeckung und geringem Energiebedarf. Dadurch können vernetzte IoT-Geräte bereits mit kleinen Batterien ohne Probleme über lange Zeiträume kommunizieren. Im Vergleich zum herkömmlichen Mobilfunknetz ist die Funkversorgung bei NB-IoT auch an schwer zugänglichen Orten wie Kellerräumen möglich.

Standard: NB-IoT; auch LTE Cat NB1 (3GPP)

Frequenzen: LTE-Bänder wie 800/900/1.800/2.600 MHz

Reichweite: mehr als 10 Kilometer

Datenraten: 250 Kbit/s

LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist ein Schicht-Protokoll, das für große öffentliche – sprich: regionale, nationale oder auch globale – Netze mit einem einzigen Betreiber entwickelt wurde. Der Standard basiert auf dem Modulationsschema LoRa von Semtech. LoRaWAN kann kostengünstige, mobile und sichere bidirektionale Kommunikation bereitstellen.

Standard: LoRaWAN

Frequenzen: verschiedene

Reichweite: 2 bis 5 Kilometer (Stadtgebiet), 15 Kilometer (Vorort)

Datenraten: 0.3 bis 50 Kbit/s