Funktechnologien

IoT-Standards - das Endspiel

| Autor/ Redakteur: Cees Links / Jürgen Schreier

Regelmäßig wird mir die Frage gestellt: Bei all diesen Normen und Standards, die es gibt - was soll ich wählen? Zigbee, Thread, Bluetooth Mesh oder Wi-Fi? Oder vielleicht LoRa? Oder ist es besser, auf 5G und NB-IoT zu warten?

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Ein einziger Funkstandard für indoor und outdoor? Technisch wäre das machbar. Doch ist das Ganze auch eine Kostenfrage. Deshalb ist Verdrängung eines Standards durch einen anderen nur in wenigen Fällen gelungen.
Ein einziger Funkstandard für indoor und outdoor? Technisch wäre das machbar. Doch ist das Ganze auch eine Kostenfrage. Deshalb ist Verdrängung eines Standards durch einen anderen nur in wenigen Fällen gelungen.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Natürlich schaffen diese Fragen Verwirrung und verlangsamen die Einführung des Internet der Dinge (IoT). Ein Teil dieser Verwirrung besteht darin, dass nicht immer klar ist, welche Normen geeignet sind, wie die folgende Abbildung zeigt. Darüber hinaus machen Vermarkter unbegründete Behauptungen über neue Funktionen wie Latenzzeiten (im Millisekundenbereich!) - als ob das wirklich wichtig wäre. Die meisten Anwendungen können mit einer Latenz von Sekunden umgehen. Selbst Live-TV, das um einige Sekunden verzögert wird, ist immer noch Live-TV.

Für das IoT gibt es eine ganze Reihe von Wireless-Srandards.
Für das IoT gibt es eine ganze Reihe von Wireless-Srandards.
(Bild: Qorvo)

Das Internet der Dinge (IoT): Eine Mischung aus Industriestandards

Wie beantwortet man also die Frage: "Welche Norm sollte verwendet werden?" Normalerweise beantworte ich diese Frage mit: "Wie kannst du Geld verdienen?" Typischerweise ist der entscheidende Faktor nicht der Funkstandard. Für das Radio gilt "gut genug ist gut genug". Das Geldverdienen wird durch den Mehrwert der Anwendung bestimmt, die über Wireless läuft. Drahtlos ist einfach drahtlos, wie ein Draht nur ein Draht ist.

Und denken Sie daran: Welcher Mobilfunkstandard auch immer heute die Nase vorn hat: In fünf bis zehn Jahren wird sich die Situation ohnehin verändert haben. Daher wird es wichtig sein, dass Sie Ihr Netzwerk aktualisieren. Aber das Warten auf "die endgültige und ultimative" Wireless-Netzwerktechnologie dürfte lange dauern.

Können wir dennoch ein wenig in die Zukunft blicken und zumindest ein Gespür dafür entwickeln, wohin die Reise gehen wird? Ich glaube, dass wir das können, aber zuerst sollten wir eine Perspektive schaffen.

Unsere Smartphones verfügen über drei Funksysteme (4G, Wi-Fi und Bluetooth). Warum drei und nicht zwei, oder nur eins, oder gar vier? Es gibt einen Grund - und er ist mit der Technik verbunden, ebenso wie mit der Psychologie, wie wir unsere Lebensumfeld wahrnehmen. Lassen Sie mich das erklären.

Erstens, die Technologie. Drei Faktoren bestimmen im Wesentlichen die Leistung eines Radios:

  • Reichweite (wie weit Sie von einer Basisstation entfernt sind - Mobilfunkmast, Router, Hotspot, etc.),
  • Datenrate (vom einfachen Sprachanruf bis zur Videowiedergabe),
  • Akkulaufzeit (je länger, desto besser)

Der vierte Faktor sind in der Regel die Kosten, die nach einem einem einfachen Prinzip funktionieren: "Mehr ist teurer." Mit anderen Worten: Mehr Reichweite ist in der Regel teurer; dasselbe gilt für höhere Datenraten und eine längere Akkulaufzeit. Technisch gesehen ist jedoch alles möglich und man könnte mit nur einem einzigen Funksystem auskommen. Das ist nicht unbedingt kostengünstig, aber machbar wäre es.

Warum geht das Headset nicht ins Mobilfunknetz?

Dazu ein extremes Beispiel. Stellen Sie sich vor, Sie hören ein Musikstück auf Ihrem Handy mit einem schnurlosen (Bluetooth) Headset, wobei das Headset direkt mit dem Telefon verbunden ist und nicht mit dem Mobilfunknetz. Technisch wäre es jedoch möglich, sowohl das Telefon als auch das Headset mit dem Mobilfunknetz zu verbinden und die Musik über das Mobilfunknetz von Ihrem Telefon zu Ihrem Headset laufen zu lassen.

Oder ein anderes Beispiel: Wenn Sie zu Hause ein Dokument von Ihrem Computer zu ihrem Wi-Fi-Drucker schicken, dann wäre es technisch durchaus möglich, dass das Dokument direkt "over the air" von Ihrem Computer auf den Drucker gelangt. Dazu braucht man lediglich eine Bluetooth oder eine Wi-Fi Direktverbindung. Aber es ist auch möglich, dass das Dokument per WLAN zu Ihrem Heimrouter und von Ihrem Heimrouter per WLAN zu Ihrem Drucker geht.

Es ist aber auch möglich, dass der Druckbefehl in die Cloud gesandt wird, und das Dokument wird direkt von Ihrem Cloud-Server über das Kabel- (oder Glasfaser-)Netzwerk zu Ihrem Heimrouter geroutet und dann drahtlos an den Drucker übertragen wird. Es gibt viele Möglichkeiten, dies über drahtgebundene und drahtlose Netzwerke zu organisieren - und offen gesagt, wir haben den Überblick verloren. Aber solange es funktioniert, sind alle zufrieden.

Zweitens, wie erleben wir den Raum? Das hat weniger mit Technik als mit Psychologie zu tun. Auf der kleinsten Ebene erleben wir zunächst einen persönlichen Raum. Hatten Sie jemals ein Gespräch mit jemandem, der Ihnen zu nahe kam, und haben Sie sich deswegen unwohl gefühlt? Wenn ja, verstehen Sie, was ich mit "persönlicher Freiraum" meine. Es ist die flexible Blase um Sie herum, wo auch immer Sie sind. Ihre Größe variiert. Wenn Sie zum Beispiel in einen vollen U-Bahn-Wagen gezwängt werden, ist dieser Raum viel kleiner als beispielsweise in einem Restaurant oder im Büro.

Jede Norm kämpft um den maximalen Nutzungsraum

Wir erleben auch eine räumliche Situation, in der wir andere mit unserer Stimme erreichen können. Dies kann zu Hause oder im Büro sein. Dieser Raum ist ein privater Raum im Vergleich zur Außenwelt. Wir unterscheiden diese Räume, indem wir sie Indoor versus Outdoor nennen oder Private versus Public. Und nicht zuletzt gibt es den öffentlichen Raum im Freien.

Wenn Sie diese drei Räume mit den drei Funksystemen unseres Smartphones vergleichen, gibt es eine gewisse Vergleichbarkeit: Bluetooth für unseren persönlichen Bereich (unsere Blase), Wi-Fi für unseren privaten Bereich und 3G/4G und bald 5G für den Zugang im öffentlichen Bereich. Zufall? Wahrscheinlich nicht. Wer am "Krieg der Normen" beteiligt war, weiß, dass es kein übergeordnetes Komitee gab, das darüber entschied, wie man verschiedene Funktechnologien und Normen auf diese drei Räume aufteilen konnte. Es hat sich einfach so ergeben.

In den letzten 20 oder 30 Jahren hat jede Norm um maximalen Nutzungsraum gekämpft - und einige dieser Kämpfe dauern bis heute an. Bezüglich 5G, dem nächsten Standard für den öffentlichen Raum, wird behauptet, dass er in Innenräumen gut funktioniert und Wi-Fi überflüssig machen könne. Die Erfinder von Bluetooth erhoben zunächst ernsthafte Ansprüche auf den Wi-Fi-Indoor-Markt (nie erfolgreich), während die Wi-Fi-Fraktion den Bluetooth-Markt mit Wi-Fi Direct "attackiert". Obwohl Wi-Fi Direct nicht unbedingt erfolgreich ist, ist es auch nicht tot - im Drohnen-Bereich hat Wi-Fi Direct eine interessante Nische gefunden.

Erweiterung des Konzepts auf IoT-Standards

So haben wir zumindest für den Moment gelernt, uns mit dem Drei-Funk-Konzept in unserem Handy vertraut zu machen und wie sie sich nahtlos mit dem Erleben von "Raum" verbinden. Aber wie gehen wir mit der Vielzahl von Low-Power-IoT-Standards um? Das erste Ziel ist es, das Anwendungsspektrum dieser Low-Power-Standards zu verstehen.

Das IoT-Ökosystem bietet diverse Vereinfachungsmöglichkeiten im Wireless-Bereich.
Das IoT-Ökosystem bietet diverse Vereinfachungsmöglichkeiten im Wireless-Bereich.
(Bild: Qorvo)

Der eigentliche Fokus der Low-Power-Standards liegt auf einer langen Akkulaufzeit - nicht auf hohen Datenraten -, ohne die Reichweite zu beeinträchtigen. In der Regel werden für den Anschluss von Geräten (z.B. Sensoren) an das Internet Low-Power-Standards verwendet. Die dafür erforderliche Datenrate ist um Größenordnungen niedriger als bei der "normalen" Internetnutzung oder gar beim Anschauen von Videos. So tauschen im Wesentlichen Low-Power-Standards die Daten für die Akkulaufzeit aus. Interessanterweise "versammeln" sich diese Low-Power-Standards rund um die drei bereits erwähnten Bereiche:

  • Für unseren persönlichen Bereich: Energiesparendes Bluetooth (manchmal auch BLE genannt, für Bluetooth Low Energy)
  • Für unseren privaten Bereich (z.B. Zuhause, Büro oder Hotspot): Zigbee (IEEE 802.15.4), das im Wesentlichen ein stromsparender Wi-Fi-Standard ist.
  • Für den öffentlichen Raum: NB-IoT/Cat-X als Teil von 4G/5G

Es gibt also eine mögliche Antwort darauf, wohin all diese Normen führen könnten, und die Diskussionen in der Branche zu vereinfachen:

Ein vereinfachtes Ökosystem für IoT-Standards

Diese Low-Power/Sense-and-Control-Ausrichtung ist weltweit sinnvoll, da sie mit der Art und Weise übereinstimmt, wie wir den Raum und die drei Funktechnologien in unserem Smartphone erleben. Was aber bedeutet das für die Zukunft?

Der Blick in die Zukunft ist ein riskanter Job. Technologien versuchen weiterhin, sich in "andere Räume" zu wagen und ihre Anwendungsbereiche zu erweitern (z.B.: Kann NB-IoT/Cat-X auch für Indoor-Netzwerke verwendet werden?). Ebenso gibt es Bemühungen, Bluetooth Low Energy als Netzwerkraum zu etablieren, indem man Meshing-Fähigkeiten hinzuzufügt. Ziel ist, Zigbee zu ersetzen, so wie Bluetooth vor etwa 20 Jahren versuchte, Wi-Fi zu ersetzen. Ob diese Bemühungen erfolgreich sind, ist unklar. Dennoch geben große Unternehmen erhebliche Summen dafür aus.

Hinzu, dass es noch einen weiteren "Raum" gibt zwischen dem lokalen Bereich (indoor) und dem weiten "öffentlichen" Bereich (public). So gibt es große Außenbereiche, die aber halbprivat sind, z.B. Campusse, Häfen, Flughäfen oder Kongresszentren. Die Frage könnte lauten: Brauchen wir einen anderen Standard, der sich auf diesen Bereich "dazwischen" konzentriert? Die Zukunft wird es zeigen. Vielleicht sind die bestehenden Standards flexibel (und kostengünstig) genug, um auch diesen Bereich optimal zu bedienen. Oder ein neuer Standard kann das besser. In diesem Zusammenhang ist es interessant zu sehen, dass LoRa als Pseudo-Standard für den Außenbereich in dieser Zone zwischen privat und öffentlich, in Häfen und Flughäfen inzwischen gut sichtbar ist.

Offene versus proprietäre Standards

Dies führt mich dazu, die Rolle zwischen offenen Standards und proprietären Standards anzusprechen. Die Geschichte hat gezeigt, dass offene Kommunikationsstandards erfolgreicher sind als geschlossene Standards. Wi-Fi hat HomeRF aus dem Markt geworfen; ebenso hat BLE ANT+ verdrängt.

Aber auch Standards wie Zigbee, Thread und Z-Wave (Silicon Labs) kämpfen um ihre Position. Zigbee und Thread basieren auf dem offenen Standard IEEE 802.15.4 (genau wie Wi-Fi auf IEEE 802.11), während Z-Wave proprietär und geschlossen ist. Es wird interessant sein zu sehen, was dabei herauskommt; aber höchstwahrscheinlich wird es ein konvergentes Zigbee/Thread sein. Zigbee und Thread sie verwenden die gleiche Application Layer Software (Dotdot). Der einzige Unterschied besteht in der Network Layer Software.

Für Standards, die sich in andere Bereiche wagen, ist es auch interessant zu erwähnen, dass die Grenze zwischen Wi-Fi (hohe Datenrate) und Zigbee (niedriger Stromverbrauch) vergleichsweise durchlässig ist. Aus Sicht des Anwendungsraums gibt es Anwendungen, die höhere Datenraten benötigen und gleichzeitig mit Batterien betrieben werden müssen, was einen geringen Stromverbrauch zur Folge hat.

Seit einiger Zeit werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Wi-Fi stromsparend zu machen. Der IEEE 802.11ah-Aufwand ist ein Beispiel, obwohl er nirgendwo hin zu führen scheint, weil er in Sub-GHz-Bändern arbeitet, die nicht einheitlich sind; in verschiedenen Regionen der Welt werden unterschiedliche Funktechnologien benötigt. Echte Low-Power-Implementierungen von Wi-Fi 4 (.11n) und Wi-Fi 5 (.11ac) könnten jedoch interessante Alternativen für Zigbee sein, wenn der Energieverbrauch sinkt, d.h. eine lange Akkulaufzeit erreicht werden kann.

Letztendlich schafft die Nützlichkeit der Anwendung den Wert für den Endverbraucher, nicht der "drahtlose Draht". Die Zeit wird zeigen, welche Standards am erfolgreichsten sind. Aber darauf zu warten, welcher Standard sich "durchsetzt" macht keinen Sinn, wenn man weiß, wie man jetzt das Geld verdient.

Cees Links ist General Manager, Business Unit Wireless Connectivity, bei Qorvo. Links war Gründer und CEO von GreenPeak Technologies. Das Unternehmen wurde 2016 von Qorvo übernommen. Links ist ein Pionier des Datenfunks. Im Jahr 2017 wurde er als Wi-Fi-Pionier mit dem Golden Mousetrap Lifetime Achievement Award von Design News ausgezeichnet.

Hier geht es zum Qorvo-Blog.

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