Überblick eines Ingenieurs über die M2M-Netzwerkarchitektur

Machine-to-Machine (M2M)-Kommunikation ermöglicht es Maschinen und Geräten, kleine Informationsmengen an andere Maschinen weiterzugeben. Dies umfasst die Kommunikation zu und von Rauchmeldern, Türschlössern, Alarmen, Wasserzählern, landwirtschaftlichen Sensoren, intelligenten Gebäuden, intelligenter Beleuchtung, Umgebungssensoren und mehr.

Jede IoT-Anwendung unterliegt anderen Einschränkungen in Bezug auf die Funkreichweite und den zu erreichenden Energieverbrauch. Daher geht es bei der M2M-Netzwerkarchitektur um die richtige Nutzung von Funkressourcen. Jedes unten aufgeführte Netzwerk verwendet eine andere Methode zum Umgang mit diesen Ressourcen. Mobilfunk ist beispielsweise der einzige Typ eines allgegenwärtigen M2M-Netzwerks, das seinen eigenen lizenzierten Frequenzraum verwendet. Der Rest koexistiert normalerweise mit freien, unlizenzierten Frequenzen. Aufgrund regulatorischer Beschränkungen ist es Unternehmen nicht erlaubt, ihre Netzwerke so zu gestalten, dass sie einen unfairen Vorteil gegenüber anderen Netzwerken haben. Daher stellt sich für diese Unternehmen bei der Erstellung einer Netzwerkarchitektur die Frage, wie das unlizenzierte Spektrum effizient genutzt werden kann.

Im Folgenden gehen wir auf die Vorteile und Überlegungen von sieben der wichtigsten M2M-Netzwerkarchitekturen ein.

1. Mobilfunk

Cellular hat den M2M-Bereich lange Zeit dominiert. Der Hauptvorteil von Mobilfunk ist die allgegenwärtige Abdeckung, aber die größten Nachteile von Mobilfunk sind die kurze Akkulaufzeit, teure Endpunkte und hohe wiederkehrende Gebühren. Jede batteriebetriebene Anwendung wird es schwer haben, ein Zellenmodem zu verwenden. Auch Mobilfunknetze verändern sich ständig. Als M2M beispielsweise begann, nutzte der Großteil der Mobilfunkwelt GSM-basierte Technologie (die jetzt auslaufen wird). GSM wurde größtenteils durch 3G und LTE ersetzt, und es wird darüber gesprochen, dass diese Technologien für M2M-Anwendungen irgendwann auslaufen und durch LTE-M ersetzt werden. Unternehmen, die Mobilfunkmodems einsetzen, sollten sich also bewusst sein, dass ihre Hardware in den kommenden Jahren möglicherweise nicht mehr unterstützt wird.

2. WLAN

WiFi hat sich in den letzten fünf Jahren zu einer verbreiteteren M2M-Option entwickelt. Dies ist zum Teil auf WiFi-Chiphersteller wie GainSpan zurückzuführen, die jetzt auf den Platz abzielen, indem sie kostengünstigere Chipsätze mit geringerer Leistung und einer sehr einfachen Schnittstelle herstellen. Mit diesen neuen Chips benötigen Sie keinen Computer und keinen WLAN-Treiber; Sie können stattdessen einen universellen asynchronen Empfänger/Transceiver (UART) verwenden. Aber während die Mobilfunkabdeckung allgegenwärtig ist, ist dies nicht die WiFi-Abdeckung, was einer der größten Nachteile von WiFi auf dem M2M-Markt ist. Wenn Sie beispielsweise für jede Wohnung in einem New Yorker Hochhaus ein Schlüsselkarten-Türschloss bauen und WLAN verwenden, wird die Bereitstellung ein Albtraum.

3. Bluetooth Low Energy (LE)

Eine weitere Option, die in den letzten vier Jahren auf den Markt gekommen ist, ist Bluetooth Low Energy (LE), auch Bluetooth 4.0 oder Bluetooth Smart genannt. Bluetooth LE verbraucht erheblich weniger Strom als herkömmliches Bluetooth, aber wie beim Vorgänger sind die Benutzer durch Reichweite und Paketgröße ziemlich eingeschränkt. Bluetooth LE soll nur sehr kleine Informationsmengen online über ein Telefon oder einen Computer übertragen. Das macht Bluetooth LE ideal für Anwendungen wie Herzfrequenzmesser oder Fitnesstracker, aber nicht ideal für alles, was eine stärkere Leistungsaufnahme oder eine größere Reichweite benötigt.

4. ZigBee

ZigBee ist ein Mesh-Netzwerkprotokoll, das versucht, das Reichweitenproblem zu lösen. Es bietet zwar eine erheblich bessere Reichweite als etwas wie Bluetooth LE, es gibt jedoch Reichweitenbeschränkungen und -probleme, die mit dem Mesh-Netzwerk einhergehen. Zum Beispiel sind einige der Knoten in einem Mesh-Netzwerk nur dazu da, Informationen weiterzugeben, was einen konstanten (und etwas unnötigen) Stromverbrauch verursacht. Dies macht ZigBee zu einem schlechten Kandidaten für batteriebetriebene Geräte – aber gut für so etwas wie die Überwachung des Stromnetzes, die eine unbegrenzte Stromquelle hat. Kurz gesagt, ZigBee wird weiterhin von einigen Nischenmärkten übernommen, wird jedoch nicht die Anforderungen aller im M2M-Bereich erfüllen.

Siehe auch: ZigBee vs. WiFi-Kampf um M2M-Kommunikation

5. SIGFOX

Der Low-Power-Wide-Area-Network-Bereich (LPWAN) ist in letzter Zeit stärker gesättigt – und derzeit ist SIGFOX der Marktführer in der Gruppe. Dieses M2M-Netzwerk sendet kleine, langsame Datenpakete, was es ideal für Dinge wie Alarmsysteme oder einfache Zähler macht. Aufgrund seines asymmetrischen Link-Budgets lässt das Netzwerk nur eine begrenzte r-Bidirektionalität zu, sodass es keine Daten vom Gateway an Knoten am Rand des Netzwerks zurücksenden kann. (Dies ist ein Problem, das andere LPWAN-Player lösen möchten.)

6. LoRaWAN

LoRaWAN ist das M2M-Protokoll, das von der LoRa Alliance entwickelt wurde, um ein Ökosystem von M2M-Anwendungen zu schaffen, die alle die physikalische LoRa-Schicht verwenden. Wie SIGFOX ist LoRaWAN ein Uplink-fokussiertes Netzwerk und eignet sich daher gut für sensorbasierte Geräte. Dies ist teilweise auf Vorschriften in Europa zurückzuführen, die jedes Gerät (einschließlich des Gateways) auf einen Arbeitszyklus von 1% festlegen. Aufgrund der regulatorischen Unterschiede hier in den USA kann ein großer Teil des Marktes durch die Entwicklung eines Protokolls adressiert werden, das mehr „Befehls- und Kontroll“-basierte Anwendungen ermöglicht. Und genau darauf haben wir bei Link Labs versucht, unseren Fokus zu setzen.

7. Symphony-Link

Symphony Link ist das IoT-Netzwerk, das wir bei Link Labs entwickelt haben, um einige der Herausforderungen anderer M2M-Architekturen zu lösen. Beispielsweise kann ein einziges Symphony-Gateway verwendet werden, um mit 10.000 Knoten zu kommunizieren und so ein ganzes Gebäude abzudecken. Symphony zielt auch auf die Akkulaufzeit ab; Ein Knoten in unserem Netzwerk, der alle 10 Minuten eine Nachricht sendet, könnte je nach Anwendung zwischen acht und zehn Jahren halten.

Schlussfolgerung

Wie Sie sehen, gibt es viele IoT-Netzwerke. Jeder von ihnen versucht einen einzigartigen Ansatz, um ein Standard-Engineering-Problem zu lösen:Kosten, Leistung und Komplexität abzuwägen. Jeder Ingenieur weiß, dass Sie nicht das Beste von all diesen Dingen haben können – aber Sie können ein Netzwerk erstellen, das auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten ist. Wir sind gespannt, wie sich diese Netzwerkarchitekturen in den kommenden Jahren verbessern, weiterentwickeln und wachsen.