Vernetzte Dinge: Warum Sigfox für das IoT und das IIoT interessant ist

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Damit die Dinge untereinander kommunizieren können, müssen sie verbunden sein. zum Beispiel per Sigfox: Das LPWAN-Netzwerk kommt mit wenig Energie aus und gilt als sicher. Wie es funktioniert und was möglich ist, zeigt der Beitrag.

Vernetzte Dinge, die mit der Cloud verbunden sind, versprechen neue Geschäftsmodelle und Services. Doch jedes Gerät oder gar jeden Gegenstand mithilfe des Mobilfunknetzes zu verbinden, ist nicht sehr energieeffizient und auch nicht preiswert bei Anschaffung und Betrieb. Blickt man auf einen globalen Einsatz, dann wird es noch komplexer. Hier bietet sich das Low-Power-Wide-Area-Netzwerk oder kurz LPWAN an. Im folgenden Beitrag gehen wir auf das schmalbandige Sigfox ein und welche technischen Grundlagen die Technik bietet.

Das weltweit derzeit im Aufbau befindliche Sigfox-Netzwerk erlaubt es, Daten von Geräten aller Art über Basisstationen an die Sigfox-Cloud und wieder zurückzusenden. Die Kunden-Cloud und -Apps greifen dann auf die Sigfox-eigene Cloud zurück und liefern dem Nutzer die nötigen Informationen über ihre verbundenen Geräte. Das Signal von Sigfox reicht sehr weit, weshalb für die Infrastruktur eine vergleichsweise geringe Anzahl an Basisstationen erforderlich sind. Somit ist der Aufbau des öffentlich zugänglichen Netzes recht einfach. Gefunkt wird im ISM-Band auf 868 MHz in Europa. Eine Abdeckung von über 70% hat das Netz aktuell in Deutschland und bis Ende des Jahres sollen 85% erreicht werden [1].

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Auch weltweit geht der Ausbau in schnellen Schritten voran: Bisher gibt es Sigfox in 46 Ländern und bis Ende 2018 sollen es 60 werden [2]. Insgesamt umfasst das Netz aktuell 3,8 Mio. km² weltweit und ist für 803 Mio. Menschen erreichbar, sodass die verbundenen Geräte mit Sigfox bereits heute global einsetzbar sind. Beispielsweise auf vielen weltweiten Flughäfen zur Ortung von Koffern. Louis Vuitton hat hierzu bereits einen entsprechenden Tracker vorgestellt [3].

Warum Sigfox für IoT interessant ist

Das Netz ist schon heute der Sensor-to-Cloud-Kanal für mehreren Millionen angeschlossene Geräte. Unternehmen sammeln weltweit Daten von ihren Geräten und Gegenständen, um sie zu überwachen, ihre Zustände zu erfahren, sie zu lokalisieren und um Alarme bei kritischen Zuständen zu erhalten. Doch warum ist das Sigfox-Netz so attraktiv? Es beseitigt die wesentlichen Hürden der IoT-Anbindung: zu geringe Energieeffizienz und zu hohe Kosten. Zugleich wird ein Netz geschaffen, das ohne SIM-Karten Management und weltweit auch ohne Roamingkosten auskommt. Doch warum ist das LP-WAN-Netz so günstig und energieeffizient?

Die Anbindung an das LP-WAN von Sigfox hat generell einen geringen Energieverbrauch, da sich die Geräte nicht so wie ein Mobiltelefon dauerhaft mit dem Netz verbinden, sondern nur bei Bedarf ihre Nachrichten funken. Dieser sogenannte Idle-Modus mit zumeist Tiefschlaf der Netzanbindung ist sehr ressourcenschonend. So werden extrem lange Batterielaufzeiten erreicht. Je nach Sendehäufigkeit können Geräte über zehn Jahre und mehr ohne externe Stromzufuhr alleine mit ein paar Batterien des Typs AAA betrieben werden. Sie reichen bisweilen für die gesamte Lebensdauer eines Geräts, sodass zum Wechseln der Batterien noch nicht einmal Wartungskosten anfallen.

Alternativ sind auch Solarzellen eine Option. Diese extrem langen Betriebszeiten ohne externen Stromanschluss – der selbstverständlich bei größeren Geräten, Maschinen und Anlagen auch immer möglich ist – ermöglicht ganz einfache Applikationen. Beispielsweise lassen sich Dinge überwachen, die geöffnet werden. Dazu gehören Briefkästen, Gullydeckel oder Schaltschränke. Überwachen lasse sich auch Glascontainer mit Füllstandsensoren, die nur einmal am Tag aufwachen, um den Füllstand zu messen und zu übertragen.

Das Thema Sicherheit bei Sigfox

Der Tiefschlaf der verbundenen Geräte spart aber nicht nur Energie. Die mit Sigfox verbundenen Geräte sind resistent gegen Angriffe aus dem Internet. Geräte, die nicht angebunden sind, können nicht über die Netzanbindung gehackt werden. Zudem ist das LP-WAN-Netz von Sigfox ein Übertragungsweg, mit dem Daten in die Cloud gelangen, ohne dabei breitbandige GSM/LTE/5G- oder WLAN-Kanäle öffnen zu müssen, die für Hackerangriffe viel anfälliger sind.

Das Signal ist mit 100 Hz sehr schmalbandig und die Daten werden mit einem hohen Linkbudget versandt, der einem laufen Pfiff vergleichbar ist, der nicht zu überhören ist – auch durch Mauern hindurch, was Sigfox auch für Indoor-Applikationen wie das Fernauslesen von Zählern prädestiniert. Diese sogenannte Ultra-Schmalband-Technik ermöglicht es, dass Geräte weniger anfällig gegenüber industriellen und auch manipulativen Störgeräuschen sind und sorgt für eine zuverlässige Übertragung. Selbst als Fallback-Lösung bei Alarmanlagen lässt sich Sigfox benutzen, sollten Jamming-Methoden beispielsweise das Mobilfunknetz stören.

Das Nachahmen oder Abhören der Nachrichten lässt sich zudem durch Secure Elements, die Device-und Nachrichten-Authentifizierung und den Anti-Replay-Schutz für Nachrichten sowie durch eine AES-Verschlüsselung der Nachrichten und optionaler Payload-Verschlüsselung sicherstellen. Die Sigfox-Cloud selbst ist durch eine der sichersten weltweit verfügbaren Firewalls und Intrusion-Detection-Mechanismen geschützt und wird rund um die Uhr überwacht.

Geringe Anschaffungskosten für Sigfox-Geräte

Neben der Energieeffizienz und Sicherheit bindet LP-WAN mit Sigfox die Geräte günstig an das Netzwerk an. Die Module für die Anbindung kosten ohne Batterien rund zwei Euro. Das ist deutlich günstiger als mehr als 10 Euro bei LTE Cat-1 oder rund fünf Euro bei alternativen LP-WAN-Netzen im lizenzierten Mobilfunkband. Auch alternative LP-WANs im lizenzfreien Band liegen mit rund sieben Euro pro Knoten deutlich höher. Man kann davon ausgehen, dass mit zunehmender Verbreitung Sigfox-fähiger Geräte die Modulkosten weiter sinken werden. Zudem wird es neue Module geben, die für eine Einmalverbindung genutzt werden kann. So wird aus einem Nahfunk-Device ein Sigfox-Device und um die 20 Cent kosten. So könnten Einwegverpackungen den Verbrauch des Inhalts melden, wenn sie aufgerissen werden, Schaltschränke unerlaubte Öffnungen oder Briefe das Öffnen des Umschlags.

Neben den niedrigen Anschaffungskosten sind es die Betriebskosten, die vergleichsweise gering sind. So sind pro Jahr Entgelte je nach Anzahl der Nachrichten zu entrichten, die bei angemessenen Stückzahlen und maximaler Datenübertragung nicht über zehn Euro liegen und sogar weniger als einen Euro kosten können, wenn die Anzahl der Devices sehr hoch ist und die Anzahl der Nachrichten – beispielsweise bei Alarmfunktionen – eher gering sind oder voraussichtlich gegen null gehen, weil der Eventfall im Idealfall niemals eintritt.

Es gibt zudem keine Roaminggebühren für den weltweiten Einsatz von Sigfox-fähigen Geräten. Auch der Abrechungsmodus ist kostenschonend: Der Gerätehersteller entrichtet die Entgelte an den Netzbetreiber. Der Endanwender braucht also keine Verträge mit dem Netzbetreiber abzuschließen. Er erhält den Service vom Devicehersteller der Sigfox-Anbindung zu den vereinbarten Kosten. Auch muss er keine SIM-Karten managen, was den Administrationsaufwand für die Anbindung auf ein Minimum reduziert.

Eine Sigfox-Nachricht benötigt 12 Byte

Das Sigfox-Netz kann so günstig angeboten werden, weil es pro Gerät nur ein begrenztes Datenvolumen zulässt: Eine Sigfox-Nachricht darf nur zwölf Bytes groß sein und bis zu 140 Nachrichten dürfen pro Tag in die Cloud übermittelt werden. Ganze vier Nachrichten, beispielsweise für Steuerbefehle, Setting oder Funktionsfreischaltungen, und wieder zurück. Pro Basisstation lassen sich bis zu eine Million Sensoren verwalten. Das ist ein Vorteil gegenüber jedem Mobilfunknetz, wo die Anzahl der Teilnehmer deutlich beschränkter ist. Somit werden Applikationen, die breitbandiges Internet benötigen, weiterhin GSM/LTE/5G oder WLAN und Ethernet nutzen müssen. Allerdings müssen sie es nicht immer nutzen, denn das Sigfox-Netz lässt sich als primärer Kanal nutzen und die hohe Bandbreite nur im Bedarfsfall hinzuschalten.

Warum lässt das Netz aber so vergleichsweise wenige Daten zu? Das liegt an den Vorschriften der Regulierungsbehörden, nach denen ein Device nicht mehr als 1% des nicht lizenzieren Frequenzbands auslasten darf. 12 Byte reichen für alle gängigen Zustands- und Alarmmeldedaten aus. So brauchen selbst GPS-Koordinaten nur rund sechs Byte und Temperaturwerte rund zwei Byte. Ein Objekt-Status wird in der Regel mit einem Byte übertragen und für die Meldung der Betriebsbereitschaft ist kein Byte notwendig. Zudem muss man sich auch vor Augen führen, dass man mit zwölf Byte 256¹² unterschiedliche Werte darstellen kann. Das sind 79 Quadrilliarden.

Geräte im Sigfox-Netzwerk lokalisieren

Die Vorteile von Sigfox lassen sich in vielen unterschiedlichen Branchen einsetzen: Städte können die Effizienz der Abfallentsorgung steigern, indem Füllstände von Mülltonnen überprüft werden. Liegenschaften können effizienter verwaltet werden, indem Betreiber die Zähler aus der Ferne auslesen. In Eigenheimen können vernetzte Alarmanlagen und Rauchmelder für mehr Sicherheit sorgen. Sigfox findet auch Anwendung in der Agrarwirtschaft sowie im Healthcare-Bereich und selbstverständlich ist die Industrie ein sehr großer Anwender für das Sigfox-Netz. Das nicht nur für die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance), denn ein Sigfox-Device kann immer lokalisiert werden.

Die Zusatzfunktion „Lokalisierung“ kostet dem Gerät keine Energie, denn sie kann allein über die Analyse der empfangenen Funksignale erfolgen. Ein großes Anwendungsfeld dieser Funktion ist die Warenwirtschaft der Industrie sowie die Logistik. Lieferungen jeglicher Art können effizient über jedes Verkehrsmittel hinweg verfolgt werden, ohne dass die Lieferung im Transportvehikel eingebucht werden muss. Ohne zusätzliche Sensorik ist die Geolokalisierung über das Sigfox-Netz je nach Netzausbau in etwa rund ein bis fünf Kilometer genau. Dabei spielt es keine Rolle, ob das Gerät im Freien und in einem Gebäude ist. Werden WLAN-Sensoren zusätzlich integriert und der Service dieser Analyse hinzugebucht, steigt die Genauigkeit der Ortung auf bis zu 30 Meter. Für viele Logistik-Applikationen genügt ein WLAN-Sensor, denn in der Stadt braucht man es nicht genauer als 30 Meter. Auf der Autobahn, wo kaum feste WLANs verbaut sind, reicht es, den Standort der Ware in etwa zu kennen, um zuverlässige Prognosen der Lieferung abzugeben. Erst wenn man Ware und Assets punktgenau orten will, sind Sigfox Devices mit GPS-Sensor sinnvoll und möglich.

Für Milliarden von Anbindungen muss eine Vielzahl von Sigfox-befähigten Anwendungen verfügbar sein. Unter partners.sigfox.com sind mehr 500 Hersteller zu finden, die über 600 Produkte anbieten. Vom Bauelement und Modul über Baugruppen, Starterkits und Entwicklungsplattformen bis hin zu Sigfox-Sensoren, Cloud-Angeboten und fertigen Applikationen.

Referenzen

[1] „Sigfox - ein Netzwerk für Sensoren und Big Data“, https://www.industry-of-things.de/sigfox-ein-netzwerk-fuer-sensoren-und-big-data-a-657186/
[2] „IoT-Dienstleister Sigfox baut seine Reichweite weiter aus“, https://www.elektronikpraxis.de/iot-dienstleister-sigfox-baut-seine-reichweite-weiter-aus-a-685724/
[3] „Sigfox und Louis Vuitton kooperieren bei innovativem Gepäck-Tracker“, https://www.businesswire.com/news/home/20180403006247/de/

* Aurelius Wosylus ist Country und Sales Director Germany bei Sigfox in München.

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