Technologien für das Internet der Dinge

Was macht die vernetzte Welt aus?

Welche Technologie ermöglicht das Internet der Dinge (IoT)? Milliarden Geräte und scheinbar genauso viele Standards und Protokolle. Und für jedes davon gibt es eine Abkürzung. Selbst ausgewiesenen Experten kann es schwer fallen, den Überblick über die vielen, sich überschneidenden Ebenen einer IoT-Infrastruktur zu behalten.

Worum es bei dieser transformativen Technologie geht, wird allerdings deutlich, wenn wir einen Blick auf die Basistechnologien des IoT werfen, angefangen von den sich abzeichnenden Innovationen bis zu den mittlerweile ausgefeilten, funktionierenden Lösungen.

5G und das IoT: Ein gemeinsamer Reifungsprozess

Beginnen wir mit 5G, dem Mobilfunkstandard der nächsten Generation. Abgesehen von anderen, möglicherweise revolutionären Effekten bringt 5G das „I" für das IoT. Unsere Vorstellungen von Konnektivität werden sich grundlegend verändern.

Das WLAN wurde für Computer entwickelt, 4G LTE zielte auf Smartphones und tragbare Geräte. Beide Standards waren enorm erfolgreich. Sie waren genau auf die Geräte zugeschnitten, für die sie gedacht waren. Dasselbe gilt für 5G, die erste Generation einer kabellosen Technologie für extrem kleine, leistungsfähige und fast allgegenwärtige IoT-Geräte.

Anders als WLAN- und LTE-Geräte, die wir täglich nutzen und an der Steckdose aufladen müssen, arbeiten IoT-Sensoren jahrelang autonom, häufig an unzugänglichen Orten und ohne aufgeladen oder ausgetauscht werden zu müssen. Der Schwerpunkt von 5G liegt in Bereichen, die Sie möglicherweise überraschen werden.

Geringer Stromverbrauch: 5G-Technologien sind so konzipiert, dass die Geräte sowohl während der Übertragung als auch im Ruhezustand möglichst wenig Strom verbrauchen. Die Geräte verbleiben im stromsparenden Bereitschaftsmodus, bis sie in Betrieb gehen, autorisierten Netzwerkverkehr erhalten oder beispielsweise Daten aus dem Inneren eines Triebfahrzeugs oder von hochgelegenen städtischen Lichtmasten erhalten.

Kleineres Design: Aus offensichtlichen Gründen liegt der Schwerpunkt der 5G-Infrastruktur auf einer funkbasierten Hardware im Kleinformat. Eine geringe Größe ist in einer Welt aus Milliarden vernetzter Sensoren ein entscheidender Faktor.

Eine gewaltige Zunahme neuer Protokolle: Das IoT ist Anlass für die Entwicklung einer Vielzahl verschiedener 5G-Kommunikationsstandards. Es wird nicht nur ein oder zwei Netzwerktypen geben. In der Welt von 5G herrscht eine echte Vielfalt. Einige 5G-Technologien sind rasend schnell, zum Beispiel diejenigen, die autonomes Fahren ermöglichen. Andere wiederum sind es nicht.

Das neue, kabellose Netzwerkssystem LoRa priorisiert beispielsweise große Entfernungen, geringen Stromverbrauch und Zuverlässigkeit statt hoher Geschwindigkeit. LoRa ist in etwa so schnell wie die Modems aus den Anfangszeiten des Internets. Doch es ist hervorragend für hochwertige, gelegentliche Datenübertragungen über große Reichweiten geeignet. LoRa eignet sich beispielsweise bestens zum Ablesen von Stromzählern von einem zentralen Standort aus.

Der durch die nächste Generation, zu der auch 5G gehört, initiierte Entwicklungssprung geschieht nicht durch höhere Übertragungsgeschwindigkeiten, sondern durch die Fähigkeit, Daten mit geringem Energieaufwand über mehrere Kilometer kabellos zu übertragen. Versorgungsunternehmen können ihre Produktivität erheblich steigern, wenn sie von ihrem Standort aus bei Bedarf kabellose Messgeräte ablesen können, anstatt vor Ort aktiv werden zu müssen.

Normalerweise verbinden wir "hochwertige Konnektivität" mit "Leistung" und "Geschwindigkit" und freuen uns, unter anderem auf die schnelleren Downloadgeschwindigkeiten mit 5G. Doch im Kontext des Verhältnisses zwischen 5G und dem IoT sind die Dinge noch etwas komplexer gelagert.

Maschinen, die miteinander kommunizieren

MTC (Machine-Type Communication), auch bekannt als M2M (Machine to Machine Communication), beschreibt jedes Netzwerk, in dem mindestens zwei Geräte ohne die Intervention eines Benutzers Daten direkt miteinander austauschen. Auch wenn Highspeed- und Widearea-5G-Protokolle für viele MTC-Anwendungen sehr praktisch sind, ist die steigende Zahl an Low Power WANs (Low Power Wide Area Networks) für das Wachstum und die Diversifizierung des IoT von Bedeutung.

Bluetooth war das erste MTC-Protokoll, das in das Bewusstsein der Verbraucher gedrungen ist. Neben BLE (Bluetooth Low Energy) bleibt es eine solide Wahl für viele IoT-Geräte der nächsten Generation. Doch vor dem Hintergrund spezifischer IoT-Anwendungen werden neue Protokolle entstehen. Das Protokoll ZigBee eignet sich beispielsweise sehr gut für Smart Homes und in der Gebäudeautomatisierung. Dort kommen Hunderte und manchmal auch Tausende Geräte zum Einsatz und die Gebäudeanlagen müssen überwacht und automatisch gesteuert werden.

Der Aufstieg der MTC ist mit der Entstehung heterogener Geräte verbunden, die verknüpft werden, um neue Dienste zu leisten. In einem autonomen Fahrzeug arbeiten Dutzende Kameras, Positionierungssensoren, Datenbanken und Prozessoren zusammen, um Passagiere und Fracht zu beschützen. Ähnlich ist ein komplexer Fertigungsroboter eine Sammlung komplexer, zusammenarbeitender Teile.

IoT-Geräte arbeiten oft unbeaufsichtigt. Daher enthalten MTC-Netzwerke auch eine Reihe von Zugangs- und Authentifizierungsschutzsystemen. Sie halten nicht nur unbefugte Benutzer von den Daten fern. Sie helfen auch, Sabotageversuche an Geräten oder dem Netzwerk durch Cyber-Attacken abzuwehren, die zur Nichtverfügbarkeit führen (Denial-of-service attack).

Vernetzte Beleuchtung : Neue Lösungen für sichtbares Licht

Smarte, vernetzte Deckenleuchten mit LiFi (Light Fidelity) stellen überall dort eine gute Alternative zu kabellosen Netzwerken dar, wo Interferenzen durch Funksignale oder die Sicherheit ein Thema sind. (Nehmen wir zum Beispiel Interferenzen in einer Flugzeugkabine oder einem Krankenhaus, oder die Sicherheit in einem Regierungsgebäude.) LiFi moduliert energieeffizientes LED-Licht unmerklich so, dass eine Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit möglich ist, und das bei einer streng kontrollierten Umweltbilanz.

Jeder Benutzer kann einen persönlichen USB-Access-Key erhalten. Dadurch wird das LiFi-Netzwerk noch sicherer. Der in das Gerät einzusteckende Access Key autorisiert die Benutzer, Daten zu empfangen und an dem Netzwerk teilzuhaben. Der USB Access Key verfügt außerdem über einen Infrarotsender, der den Upstream zum LiFi-Zugangspunkt erleichtert. LiFi ist eine ideale Option für industrielle und kommerzielle Umgebungen, in denen IoT-Geräte direkt im Beleuchtungsbereich einer Leuchte positioniert sind.

Die Visible Light Communication (VLC) kann für eine unglaublich präzise Navigation in Innenräumen verwendet werden. Deckenleuchten übertragen Positionsdaten an spezielle Sensoren und herkömmliche Smartphones. Ähnlich wie bei GPS-Signalen, die unsere Erde mit einem Datennetz überdecken, nutzt diese Indoor-Navigation eine unsichtbare Lichtmodulation zum Versenden von Positionsdaten an Smartphones und IoT-Kameras.

Kunden im Einzelhandel bietet die lichtbasierte Indoor-Navigation eine einzigartige Präzision. Sie funktioniert mit dem Smartphone, das die Digital Natives unter den Kunden bereits heute nutzen, um sich im Geschäft zurechtzufinden. In einer gewerblichen Umgebung kann die Indoor-Navigation die Präzision und Genauigkeit des automatisierten Lagerbetriebs optimieren. Das gilt insbesondere für autonome Lagerfahrzeuge und Drohnen.

Software-Plattformen halten alles zusammen

Eine umfassende IoT-Plattform zur Koordination der modernen Hardware ist Voraussetzung für die Entwicklung und Wartung von IoT-Anwendungen. Neuartige Plattformen erleichtern die gemeinsame Nutzung von Daten über verschiedene Systemarchitekturen und Umgebungen von Drittanbietern hinweg. Derartige Plattformen schließen die Lücke zwischen vernetzten Beleuchtungssystemen, unspezifischen IoT-Geräten und dem Unternehmen, das all das einsetzt.

IoT-Plattformen mit offenen Schnittstellen (API = Application Programming Interfaces) erleichtern es Entwicklern, das Potenzial jedes Gerätes und dessen Möglichkeiten, mit anderen Geräten zusammenzuarbeiten, zu erforschen. Dadurch verkürzt sich die Zeit bis zur Markteinführung. Fragen zur Sicherheit, Authentifizierung und Verwaltung der Plattform lassen sich leichter beantworten und die Möglichkeiten des Datenmodells stimmen mit den Anforderungen an die Anwendung überein.

Dank der offenen Dokumentation können Kunden jede Investition in das IoT optimal nutzen. Die Möglichkeiten des IoT nehmen unglaublich schnell zu. Vielfach begreifen Käufer beim Erwerb eines IoT-Gerätes, wie einer vernetzten Beleuchtungslösung, gar nicht, welche Möglichkeiten sich ihnen damit bieten.

Auf einer offenen IoT-Plattform können interne Entwickler das gesamte Potenzial einer signifikanten Investition erkunden. Auf Geschwindigkeit und Komfort ausgelegte IoT-Plattformen erleichtern die Übertragung neuer Software und Updates an displaylose, eingebettete oder anderweitig nicht sichtbare Geräte, ohne physischen Zugriff darauf.

Die besten Innovationen stehen noch aus. Sie kommen dann, wenn Verbraucher die Basistechnologien des Internets der Dinge vollkommen verstanden haben und die Nachfrage von internen Entwicklern und Anbietern nach erstaunlichen Anwendungen zu steigen beginnt. Wenn die Verbraucher erst einmal verstanden haben, was durch sicheren Datenaustausch, unkonventionelle Netzwerke und extrem kleine, aber leistungsstarke Computergeräte alles möglich ist, werden sie diese für Zwecke einsetzen, die selbst die Hersteller überraschen wird.