Ein tiefer Einblick in IoT-Netzwerktechnologien: Schlüssellösungen für 2025

IoT-Netzwerktechnologien haben die Art und Weise, wie wir uns in unserer digitalen Welt verbinden und interagieren, völlig verändert! Heute, Drahtlose Protokolle und Kommunikationsstandards spielen in nahezu allen Aspekten von IoT-Bereitstellungen eine große Rolle, von Smart Cities bis hin zu Smart Cities, vernetzte Fahrzeuge, Umweltüberwachung und vieles mehr. Laut IoT Analytics, der globale Markt für vernetzte IoT-Geräte erreichen könnte 18.8 Milliarde Einheiten bis Ende 2024, ein Wachstum von 13% von 2023. inzwischen, da die Zahl der angeschlossenen Geräte explodiert, Es besteht nie ein größerer Bedarf an Robustheit, skalierbare und effiziente Kommunikationstechnologien. In diesem Beitrag, Wir schauen uns einige der weit verbreiteten Protokolle für die IoT-Kommunikation an. Ich hoffe, dass Sie ein tieferes Verständnis der wichtigsten IoT-Netzwerklösungen erhalten, bevor Sie eine Entscheidung treffen.

Was ist IoT-Vernetzung

Unter IoT-Vernetzung versteht man die Art und Weise, wie sich IoT-Geräte untereinander und mit den zentralen Systemen verbinden und kommunizieren. Dadurch entsteht ein autonomes Ökosystem intelligenter Geräte, die zusammenarbeiten.

Typischerweise, Ein IoT-Ökosystem besteht aus vier Hauptschichten: Geräte, Daten, Konnektivitätstechnologien, und die Benutzer. Wie Sie sehen, bilden diese Schichten die Bausteine ​​eines IoT-Netzwerks, und die Netzwerkarchitektur ist das Rückgrat, das eine effiziente Kommunikation zwischen allen Elementen ermöglicht.

Es sollte nicht überraschen, dass IoT-Netzwerke über eine robuste Kommunikationstechnologie verfügen müssen, die eine nahtlose Konnektivität zwischen Geräten ermöglicht. Diese Netzwerkprotokolle dienen demselben Zweck wie die Sprache in der menschlichen Kommunikation. Grundsätzlich, Sie wurden speziell für die besonderen Anforderungen von IoT-Geräten entwickelt. Beim Stromverbrauch gibt es besondere Überlegungen, Reichweite, Bandbreite, und Gerätedichte. Angesichts dieser Anforderungen, Ein wichtiger Aspekt bei der Planung eines IoT-Projekts ist die Wahl des richtigen IoT-Protokolls.

In früheren Artikeln, Wir haben einige Netzwerkprotokolle und ihre geeigneten Anwendungen besprochen. Hier, Als Referenz für Ihr IoT-Projekt listen wir einige weit verbreitete Kurz- und Langstrecken-Funktechnologien auf.

Wichtige IoT-Netzwerktechnologien für den Nahbereich

Unter drahtloser Kommunikationstechnologie für kurze Entfernungen versteht man die Technologie, die eine drahtlose Übertragung über kurze Distanzen ermöglicht. Typischerweise, Ihre Übertragungsreichweite liegt im Bereich von mehreren zehn oder mehreren Hundert Metern. Häufige Beispiele sind: Bluetooth, W-lan, Zigbee, UWB, NFC und RFID (Hier gibt es keine ausführliche Einführung).

Bluetooth und BLE

Bluetooth ist eine der am weitesten verbreiteten drahtlosen Technologien für kurze Entfernungen. Von kabellosen Ohrhörern bis hin zu Autosystemen, Smartwatches und Fitness-Tracker, Wir sehen überall Bluetooth.

Das Neueste Bluetooth-Standard ist Bluetooth 6.0, das im September veröffentlicht wurde 2024 und brachte neue Funktionen wie die Bluetooth-Kanalerkennung. jedoch, Der derzeit weit verbreitete Standard ist Bluetooth 4.0, 5.0 und darüber. Das Bluetooth 5.0 bietet Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 2 Mbit/s 4.2 bis zu 1Mbit/s angeboten.

Um die Schwäche von Bluetooth im Hinblick auf den Stromverbrauch zu beheben, Bluetooth Low Energy (WURDEN) wurde vorgestellt. Die Entwicklung dieses Protokolls war erfolgreich und wurde weltweit weit verbreitet. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass dadurch die Kompatibilität mit bestehenden Bluetooth-Geräten gewahrt bleibt und gleichzeitig der Stromverbrauch deutlich reduziert wird.

Wir müssen verstehen, dass Bluetooth Low Energy speziell für Geräte mit geringem Stromverbrauch entwickelt wurde, die im Internet der Dinge verwendet werden. Es übernimmt oder ersetzt nicht das bestehende klassische Bluetooth. BLE verwendet das gleiche 2,4-GHz-ISM-Band wie Bluetooth. Im Gegensatz zu klassischem Bluetooth, das bis zu unterstützt 7 Geräte, die an ein einziges Master-Gerät angeschlossen sind, BLE ermöglicht bis zu 128 Geräte. BLE verwendet 40, 2 MHz-breite Kanäle und nutzt einen adaptiven Frequenzsprungalgorithmus, um die Leistung zu optimieren und Interferenzen zu minimieren.

W-lan

Wi-Fi-Konten für 31% der gesamten IoT-Verbindungen. Hier, Wir werden das traditionelle WiFi-Radio besprechen, sowie das WiFi HaLow (802.11Ah), Das ist speziell für IoT-Anwendungen mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch konzipiert.

W-lan 6 verwendet die gleichen 2,4-GHz- und 5-GHz-ISM-Bänder wie andere drahtlose Protokolle, mit 6E, das Unterstützung für das 6-GHz-Band hinzufügt. Die Reichweite variiert erheblich von 10 m im Innenbereich bis über 100 m im Freien, abhängig von Umgebungsfaktoren und Sendeleistung. Im Gegensatz zur Punkt-zu-Punkt-Architektur von Bluetooth, WLAN folgt einer sternförmigen Netzwerktopologie, Hier verbinden sich Geräte über einen zentralen Zugangspunkt (Router).

WLAN 6/6E (802.11Axt) veröffentlicht in 2021 ist der gängige Standard, der derzeit verwendet wird. Auf der Geschwindigkeitsseite, es kann bis zu treffen 9.6 Gbit/s – schneller als WLAN 5 (802.11ac) was seinen Höhepunkt erreichte 3.5 Gbit/s. Möglicherweise haben Sie Geräte mit älteren Standards 802.11ac/n/g gesehen. Aufgrund der Abwärtskompatibilität von WLAN, Diese alten Geräte können weiterhin mit neuen Standardgeräten funktionieren. Die neuesten WLAN-Standards bieten eine größere Reichweite als die älteren.

WiFi HaLow arbeitet unter 1 GHz. Es bietet eine bessere Wanddurchdringung und größere Reichweiten (bis zu 1 km) während geringere Leistung. Dennoch, Die Technologie wurde in der Industrie nicht so weit verbreitet, wie wir es bei Bluetooth LE gesehen haben.

Zu beachten ist vor allem, dass WLAN Hunderte gleichzeitiger Verbindungen zu einem einzigen Zugangspunkt unterstützt, Aufgrund praktischer Einschränkungen wird diese Zahl jedoch häufig aufgrund der Netzwerkkonfiguration reduziert.

ZigBee

ZigBee ist kostengünstig, Drahtloser Kommunikationsstandard mit geringem Stromverbrauch, der für persönliche Netzwerke entwickelt wurde. Es wurde speziell für Industrie- und Heimautomatisierungsanwendungen entwickelt. Zigbee ist möglicherweise nicht so allgegenwärtig wie WLAN, Aber im Smart Home werden sie immer häufiger eingesetzt – Glühbirnen, Dazu gehören Thermostate und Sicherheitssensoren.

Es entstand im Jahr 2002, wenn die ZigBee Alliance (jetzt Connectivity Standards Alliance) entstand. Jetzt gibt es große Organisationen wie Philips, Texas Instruments, Samsung, und Amazon, um das ZigBee-Protokoll weiterzuentwickeln.

Ehrlich gesagt, ZigBee wurde speziell für die Automatisierung entwickelt, mit einfacher Geräteeinrichtung und Konnektivität, geringer Stromverbrauch für lange Akkulaufzeit, und sehr starke Sicherheit.

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

Das ZigBee-Protokoll definiert drei wichtige Gerätetypen im Netzwerk:

• Koordinatoren (nur einer in jedem ZigBee-Netzwerk)
• Router (Vermittler zur Übermittlung von Daten)
• ZigBee-Endgeräte (Sprechen Sie nur mit dem übergeordneten Knoten, meist im Schlafmodus)

Texas Instruments und Silicon Labs sind wichtige Anbieter von ZigBee-Chips.

UWB

UWB (Ultra-Breitband) ist eines der aufkommenden Kommunikationsprotokolle. Sie haben es wahrscheinlich noch nicht bei vielen Geräten gesehen, aber es gewinnt schnell an Akzeptanz. Vom Smartphone bis zum Autoschlüssel, Smart-Home-Geräte bis hin zu industriellen Umgebungen, Wir sehen, dass UWB zunehmend in der modernen Technologie auftaucht.

Wie andere Funktechnologien, UWB arbeitet in einem definierten Spektrum, aber im Gegensatz zu Schmalbandsystemen, Es verteilt die Übertragung über einen weiten Frequenzbereich 3.1 GHz bis 10.6 GHz. Es hat eine typische Reichweite von 1-50 Meter, und funktioniert am besten in Sichtlinie zwischen Geräten oder Ankern.

Ultra Wideband verwendet Kanäle, die im Vergleich zu den 1-MHz- oder 2-MHz-Kanälen von Bluetooth mindestens 500 MHz breit sind. UWB nutzt auch die Ultrakurzpulsübertragung, Dadurch ist die Positionierungsgenauigkeit höher als bei Schmalbandsystemen.

Die maximale spektrale Leistungsdichte für die UWB-Übertragung beträgt 41.3 dBm/MHz. Das entspricht etwa 0.5 mW durchschnittliche Sendeleistung. Es trägt dazu bei, Störungen mit vorhandenen Schmalbandsystemen wie WLAN oder Bluetooth zu minimieren. Der geringe Stromverbrauch macht UWB außerdem sicher. Aufgrund ihrer großen Frequenzspreizung und geringen Leistungsdichte sind die Signale schwer abzufangen.

Vergleich der kurzreichweitigen IoT-Netzwerktechnologien

Beliebte IoT-Funktechnologien mit großer Reichweite

Wir konzentrieren unsere Diskussion nun auf die drahtlosen Langstreckentechnologien und darauf, wie das IoT aufgrund dieser Protokolle profitiert hat. Diese Technologien bilden die Grundlage von LPWANs, Dabei werden Entfernungen von wenigen Kilometern bis hin zu Tausenden von Kilometern zurückgelegt. Hier, Wir werden LoRa vorstellen, Sigfox, und Mobilfunknetze.

LoRa und LoRaWAN

LoRa ist ein drahtloses Protokoll mit großer Reichweite, geringer Strom, und sichere Datenübertragung. Es basiert auf der Chirp-Spread-Spectrum-Modulation, was bedeutet, dass Sie über große Entfernungen kommunizieren können, ohne zu viel Strom zu verbrauchen. Es schließt die Lücke zwischen drahtlosen lokalen Netzwerken mit kurzer Reichweite wie Bluetooth und WLAN, und die viel größere Reichweite von Mobilfunknetzen.

LoRa und LoRaWAN wurden ursprünglich von Cycleo entwickelt und später von Semtech übernommen. Heute, Der gemeinnützige Verein LoRa Alliance verwaltet es. Es ist nicht verwunderlich, dass es sich zu einer der größten Allianzen in der Technologiebranche entwickelt hat. Die LoRa Alliance unterstützt nicht nur LoRaWAN, sondern fördert auch LoRaWAN-Produkte und Technologieinteroperabilität.

LoRa nutzt Sub-GHz-HF-Bänder (433MHz, 868MHz für Europa, 923MHz für Asien, 915MHz für Nordamerika und Australien). Diese ISM-Frequenzbänder sind lizenzfrei und stehen uns allen für IoT-Anwendungen zur Verfügung. Es verfügt über eine beeindruckende Reichweite von 2–5 km in städtischen Gebieten bis zu 15 km oder mehr in ländlichen Gebieten.

LoRa repräsentiert das Protokoll der physikalischen Schicht (auf Schicht eins des OSI-Modells) das eine Kommunikation über große Entfernungen ermöglicht. Diese Schicht gibt an, wie Rohbits über eine physische Datenverbindung zwischen Netzwerkknoten übertragen werden. LoRaWAN, ein Netzwerkprotokoll, das auf Schicht drei des OSI-Modells arbeitet, basiert auf LoRa und übernimmt die Kommunikation zwischen Endgeräten und einem zentralen Netzwerkserver.

Um verschiedene Anwendungsfälle anzusprechen, LoRaWAN definiert drei Geräteklassen: Geräte der Klasse A (niedrigste Leistung, Alle Uplinks wurden initiiert), Geräte der Klasse B (geplante Empfangsslots), und Geräte der Klasse C (kontinuierliches Zuhören).

Sigfox

Sigfox ist eine bahnbrechende LPWAN-Technologie, die für IoT-Anwendungen entwickelt wurde, die eine Kommunikation über große Entfernungen bei minimalem Stromverbrauch erfordern. Es verwendet Ultra Narrow Band (UNB) Technologie, wobei jede Nachricht nur a belegt 100 Hz-Bandbreite.

Das Sigfox-Protokoll funktioniert in nicht lizenzierten ISM-Bändern (868 MHz in Europa, 915 MHz in Nordamerika) und bietet Datenraten von gerade einmal 100 oder 600 Bits pro Sekunde. Diese langsame Übertragungsrate, kombiniert mit der geringen Bandbreite, Dies führt zu einer hervorragenden Empfindlichkeit und einem sehr geringen Stromverbrauch. Typische Übertragungen verbrauchen einige Sekunden lang etwa 20–30 mA, Bietet eine lange Batterielebensdauer – oft mehrere Jahre mit einer einzigen Batterie. Es können bis zu erreicht werden 40 km in ländlichen Gebieten und 3–10 km in städtischen Umgebungen.

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

Anders als LoRaWAN, Sigfox wurde mit Blick auf Einfachheit entwickelt, Der Großteil der Komplexität wird auf die Netzwerkseite und nicht auf die Endgeräte verlagert. Dieser Ansatz ermöglicht eine sehr einfache und energieeffiziente Endgeräteimplementierung.

Mobilfunknetze

Mobilfunknetze wickeln einen unglaublichen Teil unserer Kommunikation ab, und ist eine der grundlegendsten Kommunikationstechnologien in unserer modernen Welt. Von 2G bis zum neuesten 5G, und spezialisierte IoT-fokussierte Technologien wie LTE-M und NB-IoT, Mobilfunknetze machen etwa aus 20% globaler IoT-Verbindungen.

Mobilfunknetze basieren auf einer sogenannten Mobilfunkarchitektur, Hier werden geografische Gebiete in Zellen unterteilt. Jeder wird von mindestens einem ortsfesten Transceiver bedient, der als Basisstation bezeichnet wird. Diese Zellen arbeiten in einem wabenartigen Muster zusammen, um eine kontinuierliche Abdeckung großer Flächen zu gewährleisten.

Die Technologie hat seit den 1980er Jahren große Fortschritte gemacht, als 1G-Netze Sprachanrufe kaum bewältigen konnten. Wir befinden uns tatsächlich im 5G-Zeitalter ($98.3 Milliarde 2023) und setzen NB-IoT ein, LTE-M und 5G sind heute Teil des umfassenderen Mobilfunk-IoT-Ökosystems. Einer der Hauptvorteile von Cellular IoT ist die Möglichkeit, die vorhandene Mobilfunkinfrastruktur zu nutzen und gleichzeitig für die individuellen IoT-Anforderungen zu optimieren. Wichtig, Mobilfunknetze sind nicht kostenlos.

Vergleich der IoT-Netzwerktechnologien mit großer Reichweite

Was IoT nNetzwerken TTechnik ist das Richtige für mich?

Der Einsatz von IoT-Netzwerken ist sinnvoll, da sie Geräte in anspruchsvollen Szenarien verbinden und verwalten können. Bestimmtes, IoT-Netzwerke nehmen in der vernetzten Welt zu, unter Berücksichtigung von Variablen wie der massiven Skalierung, diverse Gerätetypen, und Echtzeitbetriebsanforderungen.

Konnektivitätstechnologie ist eine der wichtigsten Entscheidungen, die Sie bei der Entwicklung eines IoT-Projekts treffen müssen. Die Wahl hier wird bis zu einem gewissen Grad über den Erfolg entscheiden, kosten, und Leistung Ihres Projekts. Bevor wir uns mit bestimmten Technologien befassen, Stellen Sie sich diese wesentlichen Fragen:

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

– Welchen Bereich müssen Sie abdecken?? Sind es Meter?, Kilometer, oder irgendwo dazwischen?

– Wie viele Daten werden Sie übertragen?, und wie oft?

– Wie hoch ist Ihr Strombudget?? Betrieben Sie mit Batterien oder Netzstrom??

– Welche Netzwerkinfrastruktur ist an Ihrem Einsatzort vorhanden??

– Welche Sicherheitsanforderungen haben Sie??

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

Bei den oben behandelten Technologien handelt es sich nicht um eine erschöpfende Liste von Verbindungstypen, Aber sie sollten Sie bei den meisten IoT-Projekten zum Laufen bringen.

Kurz-Range TTechnologien in Pakt

Für drahtlose Kommunikationstechnologien mit kurzer Reichweite, WLAN ermöglicht eine Datenübertragung mit hohem Durchsatz. Es dominiert die drahtlose Netzwerkabdeckung in Häusern und öffentlichen Räumen. Da viele Gebäude bereits über WLAN verfügen, Es ist ideal für IoT-Anwendungen wie Smart Homes, Sicherheitskameras, und integrierte Tracking-Lösungen.

Im Consumer-Bereich, Bluetooth Low Energy zeigt eine klare Dominanz. Aus Kostengründen ist es zur bevorzugten Wahl für Ortungsdienste im Nahbereich geworden. Der Markt spiegelt dies wider – Lieferungen von Bluetooth-Ortungsdiensten-Geräten erreicht $255 Million im 2024. Auch im Smart Home ist BLE auf dem Vormarsch. Mit seiner Aufnahme in den Matter-Standard, Wir werden noch mehr Smart-Home-Anwendungen sehen.

Zigbee ist ein weiterer wichtiger Akteur, der in Smart Homes nicht ignoriert werden darf. Derzeit wird es eher in der industriellen Automatisierung und in Smart-Home-Anwendungen eingesetzt. Das Mesh-Netzwerk von Zigbee kann die Verbindungsentfernung erweitern und mehr Netzwerkknoten unterstützen.

Die UWB-Technologie hat nicht den gleichen Akzeptanzgrad erreicht wie die ersten drei. Sein Hauptvorteil ist die zentimetergenaue Positionierung. jedoch, es geht mit höheren relativen Bereitstellungskosten einher. Dadurch eignet es sich besser für bestimmte Anwendungsfälle, die eine präzise Standortverfolgung erfordern.

Lang–Range TTechnologien in Pakt

Für drahtlose IoT-Technologien mit großer Reichweite, LoRa und LoRaWAN sind in vielen IoT-Implementierungen führend. Sie bieten eine beeindruckende Abdeckung bei sehr geringem Stromverbrauch. LoRaWAN funktioniert hervorragend, wenn Ihre Geräte längere Zeit mit Batteriestrom betrieben werden müssen und eine gewisse Latenz bei der Datenübertragung tolerieren kann. Die Technologie wird häufig bei der Tierverfolgung eingesetzt, Fahrzeugverfolgung, Parkraumbewirtschaftung, Umweltüberwachung, landwirtschaftliche Sensorik, und Verbrauchsmessung.

Sigfox hat ein schlankeres Design als LoRaWAN. Es wurde entwickelt, um Gerätekosten und -komplexität zu reduzieren, Dies bedeutet allerdings Einbußen bei den Datenraten. Während Sigfox und LoRaWAN manchmal ähnliche Zwecke erfüllen können, Sie sollten sich für LoRaWAN entscheiden, wenn Sie private Netzwerke oder bidirektionale Kommunikation benötigen.

NB-IoT und LTE-M bringen 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 weite geografische Gebiete hinweg. Der Logistiksektor hat sich insbesondere mobilfunkbasierte Tracking-Lösungen zu eigen gemacht. jedoch, Mobilfunkoptionen sind aufgrund der Abonnementgebühren mit höheren Kosten verbunden.

Holen Sie sich IoT-Geräte von MOKOSmart

MOKOSmart bietet End-to-End-IoT-Hardwarelösungen mit BLE, RFID, LoRaWAN, W-lan, NB-IoT und UWB. Wir haben ein Portfolio von Leuchtfeuer, Tracker, Sensoren, Gateways und Module für unterschiedliche Einsatzzwecke. Alle Produkte sind getestet und zertifiziert und bieten Möglichkeiten zur individuellen Anpassung. Benötigen Sie noch heute eine IoT-Lösung? Kontaktiere uns jetzt!