Ein effektives und sicheres Edge-Computing hängt davon ab, dass alle Geräte im IoT-Ökosystem miteinander kommunizieren können. Einheitliche Konnektivitätsstandards sind dabei essentiell.

Bild: iStock, MBezvodinskikh

Einheitliche Kommunikation bitte! Die wichtigsten Konnektivitätsstandards für IoT und Edge Computing

09.06.2022

Das Internet of Things-Ökosystem umfasst zahlreiche Geräte, die für vielfältige und innovative Anwendungen wie Wearables, Heimautomatisierung, Smart Buildings, industrielle Automatisierung, medizinische Geräte und mehr zum Einsatz kommen. Wie zuverlässig die Anwendungen funktionieren, hängt davon ab, wie gut die IoT-Geräte miteinander kommunizieren. Drahtlose Netzwerke bilden die Grundlage für die Kommunikation der Geräte miteinander.

Die Anforderungen, die im Rahmen der unterschiedlichen Einsatzszenarien an die Netzwerk-Technologien gestellt werden, sind sehr unterschiedlich. Entsprechend haben sich verschiedene Standards für die drahtlose Kommunikation auf dem Markt durchgesetzt. Diese Standards gewährleisten die sichere Interoperabilität von Geräten und jede Technologie eignet sich für unterschiedliche Anwendungsfälle. Viele Geräte können beispielsweise mit einer Batterie oder alternativen Energiequellen betrieben werden. Hier ist ein geringer Stromverbrauch wichtig, damit das Gerät über einen längeren Zeitraum mit einer einzigen Ladung betrieben werden kann. Bei Geräten, die an das Stromnetz angeschlossen sind, kann der Schwerpunkt dagegen auf der Datenübertragungsrate und der Reichweite liegen.

Auch die Netztopologien variieren je nach Applikation. Einige Sensor-Arrays können mit dem Edge-Gerät als Hub in einer Sternkonfiguration angeordnet sein, während vermaschte Netzwerke, sogenannte Mesh-Netzwerke, zunehmend für Anwendungen in Smart Homes, wie für intelligente Beleuchtung, eingesetzt werden.

Neben den oben genannten Faktoren hängt die Wahl des optimalen drahtlosen Protokolls auch von den Sicherheitsanforderungen der Edge-Anwendung ab. Zudem spielt die Verfügbarkeit von Entwicklungsumgebungen, die einen Cloud-Zugang und die Entwicklung mehrerer Protokolle unterstützen, eine zentrale Rolle. Derzeit spielen mehrere drahtlose Protokolle eine zentrale Rolle innerhalb des IoT-Ökosystems.

Wi-Fi 6 punktet mit mehr Geschwindigkeit

Die aktuelle Wi-Fi-Generation, Wi-Fi 6, wurde entwickelt, um eine höhere Bandbreite, höhere Geschwindigkeiten, geringere Latenzzeiten und eine große Anzahl zuverlässiger Verbindungen zu unterstützen. Wi-Fi 6 basiert auf dem IEEE 802.11ax-Standard und arbeitet in den 2.4, 5 und 6 GHz Frequenzbändern. Wi-Fi-Zugangspunkte fungieren als Gateways, die es mehreren Client-Geräten ermöglichen, sich mit dem Internet und untereinander zu verbinden. Die Zugangspunkte unterstützen den gleichzeitigen Multiband-Betrieb hoher Bandbreiten und latenzanfälliger Applikationen im 5/6-GHz-Band sowie niedriger Datenraten und größeren Reichweiten im 2,4-GHz-Band. Wi-Fi Direct stellt eine direkte Verbindung zwischen zwei Client-Geräten her.

Zigbee, Thread und Bluetooth LE für kurze Reichweiten

Zigbee, Thread und Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) sind Netzwerkprotokolle mit kurzer Reichweite, die weniger Strom verbrauchen und Mesh-Netzwerke unterstützen. Jedes Protokoll hat seine eigenen Charakteristiken, wie die maximale Netzwerkgröße, das Datenvolumen und die Latenzzeit. Alle drei unterstützen jedoch Netzwerke mit geringem Strom- und Datenverbrauch, was sie ideal für Anwendungen in der Haus- und Gebäudeautomation eignet. Sowohl Zigbee als auch Thread basieren auf den IEEE 802.15.4 PHY- und MAC-Schichten und arbeiten im 2,4-GHz-Band. Mit der Weiterentwicklung der einzelnen Protokolle werden die Leistungsunterschiede zwischen ihnen immer geringer. Einer der wichtigsten Entscheidungsfaktoren bei der Wahl des einen oder anderen Protokolls kann deshalb der Reifegrad der jeweiligen Ökosysteme sein.

Ultra-Wideband-Technologie (UWB) punktet mit Sicherheit

Ursprünglich für die Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation gedacht, hat sich UWB zu einer enorm sicheren und hochpräzisen Technologie entwickelt, die auf dem Standard IEEE 802.14.4a basiert. UWB-Technik kann in Geräten wie Smartphones, Wearables und intelligenten Schlüsseln eingebettet werden. Diese Geräte verwenden Verfahren, die als „Ranging“ und „Time-of-Flight“ (ToF) bekannt sind, um die Entfernung zu einem anderen UWB-Gerät möglichst genau zu messen, wenn es sich in Reichweite des Systems befindet. Zu den typischen Anwendungsfällen für UWB gehören mobiles Bezahlen, Navigation in Innenräumen, sicherer kontaktloser Zugang und die Lokalisierung von Gegenständen im Innen- und Außenbereich.

Nahfeldkommunikation (NFC) erobert den Alltag

NFC arbeitet im Hochfrequenzbereich (HF) des RFID-Spektrums, um Daten zu speichern und zu übertragen. Da es sich um eine Technologie handelt, die für kurze Distanzen konzipiert ist, ist eine Datenübertragung via NFC nur möglich, wenn sich zwei Geräte nahe beieinander befinden. Das ermöglicht einen stromsparenden Betrieb. NFC ist eine etablierte Technologie für Zugangskontrollen und kontaktlose mobile Zahlungen. NFC-fähige Geräte können als temporäre Benutzerinterfaces fungieren und die Konfiguration anderer Produkte, wie von Industriemaschinen und Fahrzeugen, erlauben.

5G punktet mit mehr Intelligenz und geringer Latenz

Dank höherer Datengeschwindigkeiten, größerer Netzkapazitäten und reduzierter Latenzzeiten wird 5G zunehmend für Verbindungen über große Entfernungen eingesetzt. 5G verspricht, maschinelles Lernen und künstlicher Intelligenz (KI) an der Netzwerk-Edge verfügbar zu machen. Außerdem können dank der niedrigen Latenzzeiten eine Reihe von Echtzeit-Anwendungen wie Vehicle-to-Everything (V2X), Virtual-Reality-Anwendungen und intelligente Fertigung realisiert werden.

Multi-Protokoll Geräte + Cloud = Steigende Komplexität

Auf dem IoT-Markt der heutigen Zeit werden immer mehr IoT-Geräte mit Multiprotokoll-Funktionalität entwickelt. Das bedeutet mehr Flexibilität für die Entwickler*innen von Applikationen. Bluetooth LE kann beispielsweise Geräte mit einem bestehenden Heimautomatisierungsnetzwerk verbinden, während Thread oder Zigbee mit anderen Geräten im selben Netzwerk interagieren. Gleichzeitig wird die Anbindung an die Cloud zu einer Standardanforderung für IoT-Applikationen. Ferndiagnosen, Over-the-air-Upgrades (OTA), die Fernverwaltung von Geräten und verbesserte Rechenkapazitäten an der Netzwerk-Edge sind nur einige Vorteile eines cloudfähigen Geräts.

Für die Entwickler*innen, die mit immer kürzeren Entwicklungszyklen konfrontiert ist, bedeutet die zusätzliche Flexibilität von Multiprotokoll-Geräten, zusammen mit der Vielschichtigkeit der Cloud-Anbindung, jedoch einen zusätzlichen Kosten- und Zeitaufwand für bereits überlastete Projekte. Glücklicherweise stehen parallel zu diesen Hardware- und Softwareentwicklungen immer mehr Werkzeuge zur Verfügung, die die Entwicklungsarbeit erleichtern. Matter ist beispielsweise ein vereinheitlichendes, IP-basiertes Konnektivitätsprotokoll, das die Entwicklung von Systemen mit mehreren Protokollen vereinfacht. Bei Matter handelt es sich um einen Open-Source-Standard, mit dem Entwickler zuverlässige, sichere IoT-Ökosysteme aufbauen und die Kompatibilität zwischen Smart-Home-Geräten erhöhen können. Parallel dazu bieten viele Cloud-Anbieter, darunter Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure und Google Cloud, IoT-Softwareentwicklungskits (SDKs) an, die die Verbindung zur Cloud von einem IoT-Gerät aus erleichtern.

Herausforderungen meistern

Ein effektives und sicheres Edge-Computing hängt davon ab, dass alle Geräte im IoT-Ökosystem miteinander kommunizieren können. Während das Spektrum der Applikationen kontinuierlich wächst werden auch die Anforderungen an die Kommunikation immer komplexer. Geräte und Protokolle haben sich weiterentwickelt, um diesem Fortschritt zu begegnen. Dabei unterstützen moderne Hardware- und Software-Toolkits die Entwickler*innen bei der Bewältigung der komplexen Herausforderungen eines vernetzten und wachsenden IoT-Ökosystems.

Bildergalerie

  • IoT-Geräte können in unterschiedliche Netzwerktopologien eingebunden sein.

    Bild: Bauhaus University Weimar

  • Am häufigsten verwendete Funkprotokolle im IoT-Ökosystem

    Bild: NXP | Edge E-Book

  • Multi-Protokoll-Geräte ermöglichen flexible, aber komplexe Applikationen.

    Bild: NXP | Edge E-Book

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel