Ein tiefer Einblick in IoT-Netzwerktechnologien: Schlüssellösungen für 2025

IoT-Netzwerktechnologien haben die Art und Weise, wie wir uns in unserer digitalen Welt vernetzen und interagieren, grundlegend verändert! Drahtlose Protokolle und Kommunikationsstandards spielen heute in nahezu allen Bereichen des IoT eine große Rolle, von Smart Cities über vernetzte Fahrzeuge bis hin zur Umweltüberwachung und vielem mehr. Laut IoT Analytics könnte der globale Markt für vernetzte IoT-Geräte erreichen 18.8 Milliarden Einheiten bis Ende 2024, ein Wachstum von 13 % gegenüber 2023. Da die Anzahl vernetzter Geräte explosionsartig steigt, ist der Bedarf an robusten, skalierbaren und effizienten Kommunikationstechnologien so groß wie nie zuvor. In diesem Beitrag stellen wir einige der weit verbreiteten Protokolle für die IoT-Kommunikation vor. Ich hoffe, Sie erhalten ein tieferes Verständnis der wichtigsten IoT-Netzwerklösungen, bevor Sie Entscheidungen treffen.

Was ist IoT-Vernetzung

IoT-Vernetzung beschreibt die Art und Weise, wie IoT-Geräte miteinander und mit zentralen Systemen kommunizieren. Dadurch entsteht ein autonomes Ökosystem aus intelligenten Geräten, die zusammenarbeiten.

Typischerweise besteht ein IoT-Ökosystem aus vier Hauptebenen: Geräten, Daten, Konnektivitätstechnologien und Nutzern. Wie Sie sehen, bilden diese Ebenen die Bausteine eines IoT-Netzwerks, und die Netzwerkarchitektur bildet das Rückgrat, das eine effiziente Kommunikation zwischen allen Elementen ermöglicht.

Es dürfte nicht überraschen, dass IoT-Netzwerke über eine robuste Kommunikationstechnologie verfügen müssen, die eine nahtlose Konnektivität zwischen Geräten ermöglicht. Diese Netzwerkprotokolle erfüllen denselben Zweck wie Sprache in der menschlichen Kommunikation. Sie sind speziell auf die besonderen Anforderungen von IoT-Geräten zugeschnitten. Dabei spielen Stromverbrauch, Reichweite, Bandbreite und Gerätedichte eine wichtige Rolle. Angesichts dieser Anforderungen ist die Wahl des richtigen IoT-Protokolls ein wichtiger Aspekt bei der Planung eines IoT-Projekts.

In früheren Artikeln haben wir einige Netzwerkprotokolle und ihre geeigneten Anwendungen besprochen. Hier listen wir einige weit verbreitete drahtlose Technologien mit kurzer und großer Reichweite als Referenz für Ihr IoT-Projekt auf.

Wichtige IoT-Netzwerktechnologien mit kurzer Reichweite

Unter drahtloser Kurzstreckenkommunikation versteht man die Technologie, die drahtlose Übertragung über kurze Distanzen ermöglicht. Typischerweise liegt die Übertragungsreichweite im Bereich von einigen zehn bis hundert Metern. Typische Beispiele sind Bluetooth, WLAN, Zigbee, UWB, NFC und RFID (keine detaillierte Einführung hier).

Bluetooth und BLE 

Bluetooth ist eine der gängigsten drahtlosen Technologien für kurze Reichweiten. Von kabellosen Ohrhörern über Autosysteme bis hin zu Smartwatches und Fitness-Trackern ist Bluetooth allgegenwärtig.

Bleibe auf dem Laufenden! Bluetooth-Standard Bluetooth 6.0 wurde im September 2024 veröffentlicht und brachte neue Funktionen wie die Bluetooth-Kanalerkennung mit sich. Die aktuell am weitesten verbreiteten Standards sind jedoch Bluetooth 4.0, 5.0 und höher. Bluetooth 5.0 bietet Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 2 Mbit/s, Bluetooth 4.2 bis zu 1 Mbit/s.

Um die Schwäche von Bluetooth hinsichtlich des Stromverbrauchs zu beheben, wurde Bluetooth Low Energy (BLE) eingeführt. Die Entwicklung dieses Protokolls verlief erfolgreich und fand weltweit breite Akzeptanz. Einer der Hauptgründe dafür ist die Kompatibilität mit bestehenden Bluetooth-Geräten bei gleichzeitig deutlich reduziertem Stromverbrauch.

Bluetooth Low Energy wurde speziell für stromsparende Geräte im Internet der Dinge entwickelt. Es ersetzt weder das bestehende klassische Bluetooth noch ersetzt es es. BLE nutzt dasselbe 2.4-GHz-ISM-Band wie Bluetooth. Im Gegensatz zu klassischem Bluetooth, das bis zu sieben Geräte an ein einziges Master-Gerät anschließen kann, erlaubt BLE bis zu 7 Geräte. BLE nutzt 128 40 MHz breite Kanäle und nutzt einen adaptiven Frequenzsprung-Algorithmus, um die Leistung zu optimieren und Störungen zu minimieren.

W-Lan

WLAN macht 31 % aller IoT-Verbindungen aus. Hier besprechen wir das traditionelle WLAN-Radio sowie WLAN HaLow (802.11ah), das speziell für IoT-Anwendungen mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch entwickelt wurde.

WiFi 6 nutzt die gleichen 2.4-GHz- und 5-GHz-ISM-Bänder wie andere drahtlose Protokolle, wobei 6E zusätzlich das 6-GHz-Band unterstützt. Die Reichweite variiert je nach Umgebungsfaktoren und Sendeleistung erheblich und reicht von 10 m in Innenräumen bis über 100 m im Freien. Im Gegensatz zur Punkt-zu-Punkt-Architektur von Bluetooth folgt WiFi einer Sternnetzwerktopologie, bei der Geräte über einen zentralen Zugangspunkt (Router) verbunden werden.

WiFi 6/6E (802.11ax) aus dem Jahr 2021 ist der aktuell gängige Standard. Er erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 9.6 Gbit/s – schneller als WiFi 5 (802.11ac), das maximal 3.5 Gbit/s erreichte. Wahrscheinlich haben Sie Geräte mit älteren Standards (802.11ac/n/g) gesehen. Dank der Abwärtskompatibilität von WiFi funktionieren diese alten Geräte weiterhin mit Geräten mit neuen Standards. Die neuesten WiFi-Standards bieten eine größere Reichweite als die älteren.

WiFi HaLow arbeitet unterhalb von 1 GHz. Es bietet eine bessere Wanddurchdringung und größere Reichweiten (bis zu 1 km) bei geringerem Stromverbrauch. Dennoch hat sich die Technologie in der Industrie nicht so weit verbreitet wie Bluetooth LE.

Wichtig ist, dass WLAN Hunderte gleichzeitige Verbindungen zu einem einzigen Zugriffspunkt unterstützt. Allerdings wird diese Zahl aufgrund praktischer Einschränkungen und der Netzwerkkonfiguration oft reduziert.

ZigBee

ZigBee ist ein kostengünstiger und stromsparender drahtloser Kommunikationsstandard für persönliche Netzwerke (PNAs). Er wurde speziell für Anwendungen in der Industrie und der Hausautomation entwickelt. ZigBee ist zwar nicht so weit verbreitet wie WLAN, findet aber im Smart Home immer mehr Verbreitung – beispielsweise in Glühbirnen, Thermostaten und Sicherheitssensoren.

Es entstand 2002 mit der Gründung der ZigBee Alliance (heute Connectivity Standards Alliance). Heute arbeiten große Unternehmen wie Philips, Texas Instruments, Samsung und Amazon an der Weiterentwicklung des ZigBee-Protokolls.

Ehrlich gesagt wurde ZigBee speziell für die Automatisierung entwickelt, mit einfacher Geräteeinrichtung und -konnektivität, geringem Stromverbrauch für eine lange Batterielebensdauer und sehr hoher Sicherheit.

Die Architektur basiert auf dem 802.15.4-Standard. Das Beste an ZigBee ist, dass es ein offenes Protokoll ist, das bis zu 65,000 Knoten in einem einzigen Netzwerk unterstützen kann. ZigBee zeichnet sich insbesondere durch seine Mesh-Netzwerkfunktionen aus.

Das ZigBee-Protokoll definiert drei wichtige Gerätetypen im Netzwerk:

• Koordinatoren (nur einer in jedem ZigBee-Netzwerk)
• Router (Vermittler zur Datenübertragung)
• ZigBee-Endgeräte (sprechen nur mit dem übergeordneten Knoten, meist im Ruhemodus)

Texas Instruments und Silicon Labs sind Hauptlieferanten von ZigBee-Chips.

UWB 

UWB (Ultrabreitband) ist eines der aufstrebenden Kommunikationsprotokolle. Wahrscheinlich ist es noch nicht in vielen Geräten zu finden, doch die Verbreitung nimmt rasant zu. Von Smartphones über Autoschlüssel und Smart-Home-Geräte bis hin zu industriellen Anwendungen – UWB findet zunehmend Eingang in die moderne Technologie.

Wie andere Funktechnologien arbeitet UWB in einem definierten Spektrum, verteilt die Übertragung jedoch im Gegensatz zu Schmalbandsystemen über einen breiten Frequenzbereich von 3.1 GHz bis 10.6 GHz. Die typische Reichweite beträgt 1–50 Meter und funktioniert am besten bei Sichtverbindung zwischen Geräten oder Ankerpunkten.

Ultrabreitband nutzt Kanäle mit einer Breite von mindestens 500 MHz im Vergleich zu den 1- oder 2-MHz-Kanälen von Bluetooth. UWB nutzt zudem ultrakurze Impulse, wodurch eine höhere Positionierungsgenauigkeit als bei Schmalbandsystemen erreicht wird.

Die maximale spektrale Leistungsdichte für die UWB-Übertragung beträgt 41.3 dBm/MHz. Dies entspricht einer durchschnittlichen Sendeleistung von etwa 0.5 mW. Dies trägt dazu bei, Störungen mit bestehenden Schmalbandsystemen wie WLAN oder Bluetooth zu minimieren. Die geringe Leistung macht UWB zudem sicher. Die Signale sind aufgrund ihrer großen Frequenzbandbreite und geringen Leistungsdichte schwer abzufangen.

Vergleich von IoT-Netzwerktechnologien mit kurzer Reichweite

Beliebte drahtlose IoT-Technologien mit großer Reichweite

Wir konzentrieren uns nun auf die drahtlosen Technologien mit großer Reichweite und die Vorteile, die das IoT durch diese Protokolle hat. Diese Technologien bilden die Grundlage für LPWANs, die Entfernungen von wenigen Kilometern bis hin zu Tausenden von Kilometern abdecken. Hier stellen wir LoRa-, Sigfox- und Mobilfunknetze vor.

LoRa und LoRaWAN

LoRa ist ein drahtloses Protokoll, das eine sichere Datenübertragung mit großer Reichweite, geringem Stromverbrauch und hoher Geschwindigkeit ermöglicht. Es basiert auf Chirp-Spread-Spectrum-Modulation, wodurch große Entfernungen ohne übermäßigen Stromverbrauch überbrückt werden können. Es schließt die Lücke zwischen drahtlosen lokalen Netzwerken mit kurzer Reichweite wie Bluetooth und WLAN und der deutlich größeren Reichweite von Mobilfunknetzen.

LoRa und LoRaWAN wurden ursprünglich von Cycleo entwickelt und später von Semtech übernommen. Heute wird es von der gemeinnützigen LoRa Alliance verwaltet. Es überrascht nicht, dass sie sich zu einer der größten Allianzen der Technologiebranche entwickelt hat. Die LoRa Alliance unterstützt nicht nur LoRaWAN, sondern fördert auch LoRaWAN-Produkte und die Interoperabilität der Technologie.

LoRa nutzt Sub-GHz-HF-Bänder (433 MHz, 868 MHz für Europa, 923 MHz für Asien, 915 MHz für Nordamerika und Australien). Diese ISM-Frequenzbänder sind lizenzfreie und für IoT-Anwendungen allgemein verfügbar. Die Reichweite beträgt 2–5 km in städtischen Gebieten bis zu 15 km oder mehr in ländlichen Gebieten.

LoRa stellt das Protokoll der physikalischen Schicht (Schicht eins des OSI-Modells) dar, das die Fernkommunikation ermöglicht. Diese Schicht legt fest, wie Rohbits über eine physikalische Datenverbindung zwischen Netzwerkknoten übertragen werden. LoRaWAN, ein Netzwerkprotokoll auf Schicht drei des OSI-Modells, baut auf LoRa auf und übernimmt die Kommunikation zwischen Endgeräten und einem zentralen Netzwerkserver.

Um verschiedene Anwendungsfälle abzudecken, definiert LoRaWAN drei Geräteklassen: Geräte der Klasse A (niedrigster Stromverbrauch, alle Uplinks initiiert), Geräte der Klasse B (geplante Empfangsslots) und Geräte der Klasse C (kontinuierliches Zuhören).

Sigfox

Sigfox ist eine bahnbrechende LPWAN-Technologie für IoT-Anwendungen, die Fernkommunikation bei minimalem Stromverbrauch erfordern. Sie nutzt die Ultra Narrow Band (UNB)-Technologie, wobei jede Nachricht nur eine Bandbreite von 100 Hz belegt.

Das Sigfox-Protokoll arbeitet in lizenzfreien ISM-Bändern (868 MHz in Europa, 915 MHz in Nordamerika) und bietet Datenraten von nur 100 oder 600 Bit pro Sekunde. Diese langsame Übertragungsrate in Kombination mit der geringen Bandbreite führt zu hervorragender Empfindlichkeit und sehr geringem Stromverbrauch. Typische Übertragungen verbrauchen für wenige Sekunden etwa 20–30 mA, was eine lange Batterielebensdauer gewährleistet – oft mehrere Jahre mit einer einzigen Batterie. In ländlichen Gebieten sind Reichweiten von bis zu 40 km und in städtischen Gebieten von 3–10 km möglich.

Sigfox ist ein asymmetrisches Protokoll, was bedeutet, dass sich Uplink- und Downlink-Kapazitäten erheblich unterscheiden. Endgeräte können bis zu 140 Nachrichten pro Tag senden, wobei jede Nachricht auf 12 Byte Nutzlast begrenzt ist. Downlink-Nachrichten sind auf 8 Nachrichten pro Tag mit jeweils 8 Byte begrenzt.

Anders als LoRaWAN wurde Sigfox mit Fokus auf Einfachheit entwickelt, wobei die Komplexität größtenteils auf die Netzwerkseite und nicht auf die Endgeräte verlagert wird. Dieser Ansatz ermöglicht eine sehr einfache und energieeffiziente Endgeräteimplementierung.

Mobilfunknetze

Mobilfunknetze wickeln einen unglaublichen Teil unserer Kommunikation ab und sind eine der grundlegendsten Kommunikationstechnologien unserer modernen Welt. Von 2G bis zum neuesten 5G und spezialisierten IoT-Technologien wie LTE-M und NB-IoTMobilfunknetze machen etwa 20 % der weltweiten IoT-Verbindungen aus.

Mobilfunknetze basieren auf einer sogenannten Zellarchitektur, bei der geografische Gebiete in Zellen unterteilt sind. Jede Zelle wird von mindestens einem ortsfesten Transceiver, einer sogenannten Basisstation, bedient. Diese Zellen arbeiten wabenartig zusammen, um eine flächendeckende Abdeckung großer Gebiete zu gewährleisten.

Die Technologie hat seit den 1980er Jahren, als 1G-Netze kaum Sprachanrufe bewältigen konnten, große Fortschritte gemacht. Wir befinden uns im 5G-Zeitalter (98.3 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023) und setzen heute NB-IoT, LTE-M und 5G als Teil des breiteren Cellular-IoT-Ökosystems ein. Einer der Hauptvorteile von Cellular-IoT ist die Möglichkeit, die bestehende Mobilfunkinfrastruktur zu nutzen und gleichzeitig die spezifischen IoT-Anforderungen zu optimieren. Wichtig ist, dass Mobilfunknetze nicht kostenlos sind.

Vergleich von IoT-Netzwerktechnologien mit großer Reichweite

Was IoT nNetzwerken tTechnologie ist das Richtige für mich?

Der Einsatz von IoT-Netzwerken ist sinnvoll, da sie Geräte in anspruchsvollen Szenarien verbinden und verwalten können. Insbesondere IoT-Netzwerke wachsen in der vernetzten Welt und berücksichtigen dabei Variablen wie enorme Größe, unterschiedliche Gerätetypen und Echtzeitbetriebsanforderungen.

Die Konnektivitätstechnologie ist eine der wichtigsten Entscheidungen bei der Entwicklung eines IoT-Projekts. Die Wahl dieser Technologie entscheidet maßgeblich über Erfolg, Kosten und Leistung Ihres Projekts. Bevor Sie sich mit bestimmten Technologien befassen, stellen Sie sich folgende wichtige Fragen:

– Wo werden die Geräte eingesetzt? Werden sie drinnen oder draußen verwendet?

– Welche Reichweite müssen Sie abdecken? Sind es Meter, Kilometer oder etwas dazwischen?

– Wie viele Daten werden Sie übertragen und wie oft?

– Wie hoch ist Ihr Stromverbrauch? Arbeiten Sie mit Batterien oder Netzstrom?

– Welche Netzwerkinfrastruktur ist an Ihrem Einsatzort vorhanden?

– Was sind Ihre Sicherheitsanforderungen?

– Wie hoch ist Ihr Budget für Hardware und laufende Konnektivitätskosten?

Die oben beschriebenen Technologien stellen keine vollständige Liste der Verbindungstypen dar, sollten Ihnen jedoch den Einstieg in fast jedes IoT-Projekt erleichtern.

Kurz-rEngel tTechnologien in pPraxis

Für drahtlose Kommunikationstechnologien mit kurzer Reichweite bietet WLAN eine hohe Datenübertragungsrate. Es dominiert die drahtlose Netzabdeckung in Wohnhäusern und öffentlichen Räumen. Da viele Gebäude bereits über WLAN verfügen, eignet es sich ideal für IoT-Anwendungen wie Smart Homes, Überwachungskameras und integrierte Tracking-Lösungen.

Im Verbraucherbereich dominiert Bluetooth Low Energy deutlich. Aus Kostengründen ist es die bevorzugte Wahl für Ortungsdienste mit kurzer Reichweite. Der Markt spiegelt dies wider – die Auslieferungen von Bluetooth-Ortungsgeräten erreichten $ 255 Million 2024. BLE gewinnt auch im Smart Home stark an Bedeutung. Mit der Integration in den Matter-Standard werden wir noch mehr Smart-Home-Anwendungen erleben.

Zigbee ist ein weiterer wichtiger Akteur, der im Smart Home nicht ignoriert werden kann. Es wird derzeit verstärkt in der industriellen Automatisierung und in Smart-Home-Anwendungen eingesetzt. Das Mesh-Netzwerk von Zigbee kann die Verbindungsdistanz erweitern und mehr Netzwerkknoten unterstützen.

Die UWB-Technologie hat noch nicht den gleichen Verbreitungsgrad erreicht wie die ersten drei. Ihr Hauptvorteil ist die zentimetergenaue Positionierung. Allerdings sind die relativen Bereitstellungskosten höher. Daher eignet sie sich besser für spezielle Anwendungsfälle, die eine präzise Standortbestimmung erfordern.

lang-rEngel tTechnologien in pPraxis

Bei drahtlosen IoT-Technologien mit großer Reichweite sind LoRa und LoRaWAN in vielen IoT-Anwendungen führend. Sie bieten eine beeindruckende Reichweite bei sehr geringem Stromverbrauch. LoRaWAN eignet sich hervorragend, wenn Ihre Geräte längere Zeit mit Batteriestrom betrieben werden müssen und eine gewisse Latenz bei der Datenübertragung tolerieren. Die Technologie findet häufig Anwendung in der Tierortung, Fahrzeugortung, Parkraumbewirtschaftung, Umweltüberwachung, landwirtschaftlichen Sensorik und Verbrauchsmessung.

Sigfox ist im Vergleich zu LoRaWAN schlanker konzipiert. Es reduziert Gerätekosten und -komplexität, was allerdings zu Einbußen bei der Datenrate führt. Obwohl Sigfox und LoRaWAN teilweise ähnliche Zwecke erfüllen, sollten Sie sich für LoRaWAN entscheiden, wenn Sie private Netzwerke oder bidirektionale Kommunikation benötigen.

NB-IoT und LTE-M bieten einen großen Vorteil: Sie können die vorhandene Mobilfunkinfrastruktur nutzen. Diese Technologien überschneiden sich mit einigen LoRaWAN- und Sigfox-Anwendungen, insbesondere bei der Verfolgung von Vermögenswerten über große geografische Gebiete hinweg. Die Logistikbranche hat mobilfunkbasierte Tracking-Lösungen besonders gut angenommen. Allerdings sind Mobilfunkoptionen aufgrund von Abonnementgebühren mit höheren Kosten verbunden.

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