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Sierra Wireless – Eric Scheithauer | drahtlose Kommunikation und Industrial IoT | Welche Anwendungsmöglichkeiten gibt es für mein IoT-Projekt mit LTE-M, NB-IoT und 5G?

#003 Technologie

In dieser Industrial IoT Use Case Podcast Folge bringt uns Eric Scheithauer, Senior Industry Solutions Manager IoT bei Sierra Wireless, die Vernetzungskonzepte LPWAN, LTE-M, LoRaWAN und NB-IoT näher. Mit diesen Technologien sind schnelle, kostengünstige und energiesparende Lösungen für IoT Use Cases umsetzbar. Er spricht über die LTE-M und NB-IoT Netzabdeckung, Sensoren, IoT-Protokolle, Cloud-Schnittstellen und 5G. 

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Vorstellung | Eric Scheithauer

Die Folge beginnt mit einer Vorstellung von Eric Scheithauer, Senior Industry Solutions Manager – IoT bei Sierra Wireless. Eric ist in der DACH Region für neue IoT und IIoT Lösungen für verschiedene Use Cases in unterschiedlichsten Industriezweigen zuständig.

Erklärt | LPWAN, LTE-M, NB-IoT, LoRa, 5G

Eric erklärt zunächst wie die einzelnen Vernetzungskonzepte im Gesamtkonzept des Industrial IoT einzuordnen sind. Das Low Power Wide Area Network (LPWAN) ist eine Klasse von IoT Netzwerkprotokollen, bei denen eine hohe Netzabdeckung- bzw. Reichweite und ein geringer Energieverbrauch die zentralen Kriterien für die Vernetzung von IoT-Endgeräten sind. [Quelle] Neben LTE-M und NB-IoT ist LoRaWAN ein weiterer Vertreter der LPWAN- (Niedrigenergieweitverkehrnetzwerk) Familie für drahtlose Kommunikation in einem regionalen, nationalen oder auch globalen Netzwerk. LTE-M und NB-IoT erfüllen dabei die wichtigsten Anforderungen des IoT – Internet of Things (Internet der Dinge) – wie sichere und bidirektionale Echtzeitkommunikation, Lokalisierung und Mobilität der Geräte, eine Ende-zu-Ende Verschlüsselung, weltweite Verfügbarkeit sowie Zukunftssicherheit (Abwärtskompatibilität) durch von Herstellern und Netzbetreibern gleichermaßen anerkannten und umgesetzten globalen Standards (3GPP). [Quelle] In dieser IIoT Use Case Podcast Folge gehen wir ebenfalls auf die Unterschiede zwischen LTE-M und NB-IoT (3GPP) vs. LoRa ein. Auch die Unterschiede Sigfox vs. LoRa sind in diesem Zuge relevant. Die Neuen Netze für NB-IoT und LTE-M bieten Kunden breite Möglichkeiten, um Industrial IoT Use Cases umzusetzen. Bei Long Term Evolution for Machines (LTE-M) und NarrowBand IoT (NB-IoT) handelt es sich um Funktechnologien, die speziell für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt wurden. Eric geht im Laufe des Gesprächs auf die Reichweite der Datenübertragung von Sensoren und weiteren IoT Geräten mittels dieser durch das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standardisierten Technologien ein. LTE-M und NB-IoT setzen auf vorhandene Mobilfunknetze auf und ermöglichen die Vernetzung von Geräten und Maschinen bei hoher Netzabdeckung und sehr geringem Energiebedarf. [Quelle] Eric erklärt uns in diesem Zusammenhang wie Octave, die All-in-One Edge-to-Cloud Lösung von Sierra Wireless, zum Einsatz kommt, um industrielle IoT-Geräte im Feld direkt über eine API mit der Cloud-Plattform des Kunden zu verbinden. LTE-M und NB-IoT sind global standardisierte LPWA-Technologien (Low Power Wide Area Network), die vom 3GPP mit Blick auf den 5G Standard entwickelt wurden und demnach als 5G-Technolgien einzuordnen sind, im Gegensatz zu bspw. dem proprietären LoRaWAN oder Sigfox. Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ist die weltweite Kooperation von Standardisierungsgremien für die Standardisierung von Mobilfunktechnologien wie 2G, 3G, 4G/LTE und 5G. [Quelle] Eric geht darauf ein, was LTE-M bedeutet und welche Unterschiede sich aus dem Vergleich LTE-M vs. NB-IoT ergeben. Auch die LTE-M Netzabdeckung sprechen wir in diesem Zusammenhang kurz an. Die Übertragungstechnologien sind so konzipiert, dass sie den Bedürfnissen von IoT-Lösungen entsprechen und für Unternehmen die optimalen Technologien darstellen, um jedes erdenkliche IoT-Szenario zu verwirklichen und damit die digitale Transformation in jeder Branche voranzutreiben. LTE-M ist die geeignetste und schnellste Form der LPWA IoT-Kommunikation und wird durch standardisiertes globales Roaming und den Support von Echtzeitkommunikation wie Sprache durch niedrige Latenzen sowohl für stationäre als auch mobile IoT Use Cases empfohlen, in denen eine vergleichsweise höhere Bandbreite (375Kbps vs. NB-IoT 65Kbps vs. LoRa 22Kbps) nötig ist um Daten zu übertragen, eine sehr hohe Netzabdeckung gewünscht ist (10x mehr als LTE), ein stabiles Signal auch durch Betonwände oder Metall hindurch bis in den Keller gewährleistet sein soll, und bei denen  gleichzeitig ein sehr niedriger Energieverbrauch (100x weniger als LTE; Batteriebetrieb 10+ Jahre) und geringe Kosten eine tragende Rolle spielen (50% niedriger als LTE). Da bis zu 1. Mio. verbundene Geräte per Quadratkilometer unterstützt werden, eignet sich LTE-M hervorragend für alle Anwendungsfälle, wie Sensoren, Building Automation, Aufzüge, Smart Citys, Kompressoren, Pumpen, Smart Meter und Energiespeicher, bis hin zu Trackern, Wearables und vielem mehr. [Quelle]

Markteinordnung | Sierra Wireless

Sierra Wireless setzt dabei im Industrial IoT Umfeld aufgrund der genannten Vorteile gegenüber NB-IoT und LoRa maßgeblich auf LTE-M als etablierte, standardisierte und zukunftssichere (5G-ready) Technologie. Eric erläutert uns, dass in IoT Use Cases häufig keine hohen Datenraten notwendig sind und daher LPWA häufig zur Verwendung kommt. Darüber hinaus reißen wir kurz das Thema Sprachübertragung in Industrial IoT Use Cases an. Es ist zu erwarten, dass Sprachübertragung in der Zukunft an Wichtigkeit gewinnt, besonders wenn es um die Interaktion von Menschen mit Maschinen geht. Als Beispiel nennt Eric uns einen Use Case, bei dem Stimmenauthentifizierung eingesetzt werden soll, um Tore oder auch Fahrzeuge zu öffnen.

Eric spricht darüber, wie IoT Edge Assets (Sensoren, Steuerungen, Maschinen etc.) über die einzelnen Vernetzungskonzepte sicher und einfach mit der Cloud verbunden werden. Er erklärt anhand unterschiedlicher Use Cases auch wie beispielsweise globale SIM-Karten (inkl. Roaming) zur Verfügung gestellt werden und welche Regulatorien es in diesem Zusammenhang einzuhalten gilt auch im Zusammenhang mit 5G. Eric erklärt welche Institutionen an welchen Standards arbeiten und welche auch in Zukunft immer wichtiger im IoT Umfeld werden. Wir gehen dazu auf unterschiedliche Use Cases ein, um zu verstehen wie diese Konzepte im Zusammenspiel mit der Cloud genau funktionieren. Darüber hinaus sprechen wir über die Einordnung des Angebots von Sierra Wireless und der Technologien im sogenannten „IoT Stack“. Von der oberen Applikations-Schicht, auf denen Business-Apps und Dashboards entwickelt werden, über die Daten-Schicht, auf der Cloud Services und (Big Data) Analytics laufen, bis hin zum Edge-Level, wo sich Konnektivität wie z.B. Mobilfunknetze und IoT Gateways befinden, die die Verbindung zu den Geräten im Feld („Edge Assets“) herstellen. Sierra Wireless ist Komplett-Anbieter von IoT Edge/Device-to-Cloud Lösungen und deckt hier den gesamten Bereich ab von der Verbindung des Feldgeräts mit IoT Edge Gateways mittels gängiger Industrieprotokolle, über Mobilfunk Module und Konnektivität (globale SIM, eigenes Mobilfunknetzwerk), Services für SIM- und Gerätemanagement sowie Datenorchestrierung, bis hin zu Schnittstellen zur Kunden-Cloud über Cloud Konnektoren und standardisierte Cloud APIs.  

Für die Daten-Schicht stellt Sierra Wireless sogenannte REST-APIs als Schnittstellen für die Integration in die bestehende Cloudinfrastruktur des Kunden bereit. Eric erklärt uns in dem Zusammenhang auch was REST-API Schnittstellen sind und was diese für die Umsetzung von IIoT Use Cases bedeuten. REST-API steht für „Representational State Transfer – Application Programming Interface“. Sie macht den einfachen, schnellen und sicheren bidirektionalen Austausch von Informationen zwischen verschiedenen (Cloud-) Systemen möglich. [Quelle]

Use Cases | Industrial IoT

Wir sprechen über unterschiedliche Use Cases. Zum einen geht es um einen Hersteller von Ventilatoren, der ungeplante Ausfälle („downtime“) durch eine Cloudanbindung mit Remote-Monitoring verhindern will. Da Ventilatoren kritisch für die Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Produktion des Kunden sein können, bedeutet ein Stillstand je nach Anlage und Prozess einen Produktionsausfall von mehreren Tagen bis hin zu Wochen. Eric erklärt uns wie Sierra Wireless diesen praxisnahen Use Case gemeinsam mit dem Kunden angeht. Die Daten können dabei aus der Steuerung (SPS) über gängige Industrieprotokolle (Modbus, CANopen, etc.) direkt mittels IoT Gateway ausgelesen, über das Mobilfunknetz (LTE-M, globale SIM) übertragen und direkt in die Cloud-Plattform des Kunden (über REST-API, Cloud Konnektoren) eingespeist werden, damit dieser die Daten entsprechend weiterverarbeiten kann, z.B. für Analysen und Remote Monitoring.

Im weiteren Verlauf des Gesprächs, frage ich Eric, wie wichtig Ökosysteme und Partnerschaften für Sierra Wireless sind. Er führt aus, dass der Erfolg oft von einem guten Zusammenspiel von leistungsfähigen Partnerschaften abhängt. Dies kommt speziell im IoT-Umfeld zum Tragen, da dort Projekte aufgrund der Komplexität und Vielzahl an benötigtem Fachwissen in den unterschiedlichsten Bereichen oft nur äußert schwer von einer Firma allein bewältigt werden können. Besonders dann, wenn die Firma zuvor noch nie ein IoT-Projekt umgesetzt hat. Die Wahl lokaler, regionaler und internationaler Partnerschaften mit entsprechendem Branchen- und Technologiefokus ist dabei essenziell. Sierra Wireless arbeitet in den Industrial IoT Projekten beispielsweise mit Microsoft Azure als Cloud-Computing-Plattform, sowie weiteren Partnern, zusammen – unterstützt darüber hinaus aber auch alle gängigen Cloudsysteme wie AWS, Google, SAP und IBM. 

Wir sprechen darüber hinaus über das Thema 5G und die Wichtigkeit in Bezug auf Industrial IoT Use Cases. Dabei sind besonders Projekte spannend bei denen es sich um private Netzwerke handelt, erklärt Eric. Als Beispiel für einen Use Case nennt Eric hier das Unternehmen „BASF SE“, welches hohe Datenübertragungsraten durch Video- oder Voice Anwendungen in Ihrem privaten Netzwerk haben. Auch Use Cases rund um das autonome Fahren mit Daten in Echtzeit sind 5G Use Cases. Hier ist eine niedrige Latenz, also eine niedrige Verzögerung der Datenpakete, wichtig. Für IoT Use Cases im Low Power Wide Area Network (LTE-M, NB-IoT) liegen die Datenraten häufig niedriger, und etwas höhere Latenzen sind dort in der Regel kein Problem, da sich die Geräte meist nicht so schnell bewegen. Als Beispiel Use Case nennt Eric Tracking-Applikationen, um Container, Kisten und Pakete nachzuverfolgen. Auch im Pharma-Umfeld ist die Überwachung von Kühlketten von kritischen Gütern ein weit verbreitetes Use Case. Kritische Güter können dabei beispielsweise Medikamente oder (COVID-19) Impfstoffe sein, bei denen die Einhaltung der Kühlkette lückenlos nachverfolgbar sein muss, um die Wirksamkeit des Impfstoffs bei Eintreffen im Krankenhaus, oder beim Arzt, jederzeit gewährleisten zu können. Gleiches gilt auch für Blutproben, die nur geringen Temperaturschwankungen unterliegen dürfen, bis sie an ihrem Bestimmungsort angekommen sind.

Ein weiterer Use Case ist ein Projekt des Unternehmens Atlas Copco, welches sich in die Konzernbereiche Kompressortechnik, Industrietechnik (mit Werkzeugen und Montagesystemen), Bautechnik sowie Bergbautechnik gliedert. Im Bereich der Kompressortechnik wollte Atlas Copco im IoT Use Case zunächst den Zustand der Kompressoren beim Kunden im Feld überwachen. Dabei sollten besonders Daten wie die Anzahl der Betriebsstunden, die Temperatur, der Druck, die Drehzahl und der Volumenstrom überwacht werden. Solch ein Use Case kann mittels Octave, der All-in-One Edge-to-Cloud Lösung von Sierra Wireless, erfolgreich umgesetzt werden. Das Unternehmen ist jedoch noch einen Schritt weiter gegangen und hat ein neues verbrauchsbasiertes Geschäftsmodell entwickelt, um die Kundenbindung zu erhöhen und sich noch kundenfreundlicher aufzustellen. Nun wird nicht mehr der Kompressor als solcher verkauft (CAPEX), sondern die Erzeugung von Druckluft (OPEX). Die Abrechnung des Verbrauchs erfolgt durch die IoT-Vernetzung des Kompressors vollautomatisiert für den Kunden. Atlas Copco erzielt dadurch auf der einen Seite erhebliche Effizienzsteigerungen durch einen höheren Automatisierungsgrad, und der Kunde erhält dadurch jederzeit vollständige Kostentransparenz auf Basis der nutzungsbasierten Abrechnung seiner verbrauchten Druckluft. Im Bereich Energiespeicherlösungen (Batteriespeicher) wurde ebenfalls ein Use Case umgesetzt, um chemische und elektrische Betriebsparameter von Batteriespeichern zu überwachen. Hier werden sowohl der Wasserstoffgehalt der Luft im Batteriecontainer überwacht, der sich beim Betrieb von Blei-Säure-Batterien erhöhen und damit eine Explosionsgefährdung darstellen kann, als auch die Funktionsfähigkeit der Klimaanlage für eine konstante Betriebstemperatur und die Spannung und Stromstärke der einzelnen Batteriezellen. Da die Verfügbarkeit und vollständige Einsatzfähigkeit der Batteriespeicher besonders zur Stabilisierung des Stromnetzes bei Lastspitzen, oder für die Speicherung von überschüssiger Energie aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen, z.B. bei Nacht wenn der Verbrauch geringer ist, extrem wichtig ist, werden hier IoT-basierte Remote Monitoring Lösungen eingesetzt. Sierra Wireless hat diesen Use Case ebenfalls mit der IoT Komplettlösung Octave in kürzester Zeit erfolgreich mit dem Kunden umgesetzt. Einen letzten Use Case stellt Eric zum Ende hin im Bereich der Luftreiniger und Luftqualität für eine sichere und saubere Umgebung vor. Hier geht es um Anwendungsfelder in Krankenhäusern, Reinräumen, Laboren sowie Raucherkabinen an z.B. Flughäfen. Im Herstellungsprozess von Medikamenten, Halbleitern oder von Lebensmitteln ist die Sicherstellung und kontinuierliche Überwachung einer sauberen bzw. reinen Umgebung von höchster Relevanz. Auch hier setzt Sierra Wireless auf das IoT Rundum-sorglos-Paket Octave. Dies beinhaltet neben dem IoT-Gateway mit integriertem Mobilfunkmodul und SIM-Karte den Support für gängige Industrieprotokolle, den Zugang zum globalen Mobilfunknetz, und stellt sowohl Services für SIM- und Gerätemanagement als auch die notwendigen Cloud Konnektoren und standardisierte Cloud APIs bereit. Über die Möglichkeiten des intelligenten Edge Processings mittels Regeln, Filter, und Logiken können gemessene Parameter im Feld in den Octave IoT-Gateways bereits vorverarbeitet werden, um diese im Anschluss in die Cloud des Kunden zu senden. Betriebsparameter der Luftreinigungsanlagen wie Betriebsstunden, Drehzahl, Luftdruck, Feuchte, und Partikelkonzentration werden herangezogen, um die Luftqualität, den Zustand sowie die Effektivität der Anlage jederzeit zu überwachen und über Remote Monitoring  Fehler zu beheben und Wartungen vorausschauend zu planen. Wenn beispielsweise die Temperatur im Lager des Lüfters der Anlage steigt, dann kann dies auf einen Verschleiß des Lagers hindeuten und eine Wartung notwendig machen. Hierbei sind die gesammelten Daten nützlich, um dies sehr lange vor einem Ausfall des Lüfters – und damit dem Ausfall der gesamten Luftreinigungsanlage – zu erkennen und bereits frühzeitig die Wartung durch einen Servicetechniker zu vereinbaren und in den Produktionsablauf mit einzuplanen. Auch das Thema Retro-Fit spielt hier für Sierra Wireless eine Rolle: Hierfür eignen sich besonders Lösungen auf Basis bereits global zertifizierter Hardware wie IoT-Gateways, welche direkt mit z.B. der Steuerung der Anlage, oder eingebauten Sensoren, verbunden werden können, um die Daten einfach, schnell und vor allem sicher in jede Cloud zu übertragen. Um ihr IoT-Projekt zu einer schnellen Marktreife zu bringen, wählen viele Kunden den Gateway-Ansatz und schätzen hierbei besonders die Flexibilität sowohl Neuinstallationen als auch Retrofit-Applikationen abdecken zu können, und profitieren von geringerer Komplexität und geringerem Zeitaufwand des IoT-Projektes durch bereits zertifizierte und vollintegrierte Lösungen, ohne sich große Sorgen um die notwendige IoT-Infrastruktur oder den kostspieligen oder langwierigen Aufbau von internen Kompetenzen für Systemintegration, Cybersecurity, und Mobilfunktechnologien machen zu müssen, um überhaupt ein IoT-Projekt starten zu können. Es gibt aber auch Kunden, die gerne ihre eigenen Design entwickeln möchten. Diese setzen dann meist auf eine Lösung basierend auf einem global zertifizierten Mobilfunk-Modul, welches sie allein oder zusammen mit Partnern in ihr Produkt, z.B. eine Steuerung, oder eine IoT-Box, integrieren. Dieser Ansatz hat natürlich auch Vorteile, setzt aber spezielles Know-how sowie die entsprechenden personellen Ressourcen voraus. Eric führt aus, dass es hier jedoch viele verschiedene Ansätze und Vorgehensweisen gibt, die gleichermaßen zum Erfolg führen können.

Über die Make or Buy Entscheidung, Ökosysteme und den ROI

In diesem Rahmen spricht Eric auch kurz zum Thema der „Make or Buy“ Fragestellung. Entwickle ich die Lösung als Unternehmen selbst oder suche ich mir einen kompetenten Partner, der mir dabei hilft? Er beantwortet die Frage entsprechend durch die IoT Kernkompetenz und dem IoT Lösungsportfolio von Sierra Wireless und diskutiert die Vor- und Nachteile. Zudem verweist Eric auf die Studie “The Total Economic Impact of Sierra Wireless Octave” von Forrester Research, welche zeigt, dass Kunden, die die Octave IoT Lösung nutzen, bis zu 88% ROI (Return on Investment) und eine Verkürzung der Time-to-Market um ~9 Monate für ihr IoT-Projekt erzielen können.

Zum Ende sprechen wir über das Thema ROI (Return on Investment) und den Subscription Modellen, also Abo-Modellen, in denen ich monatlich für Services wie Cloud-Ressourcen bezahle. Eric führt aus, dass es Kunden wichtig ist, nur das zu bezahlen, was aktuell auch wirklich gebraucht bzw. genutzt wird und auch eine zukunftssichere Lösung einzusetzen, die bei Bedarf erweitert und global skaliert werden kann. Sierra Wireless bietet an dieser Stelle neben Beratung auch maßgeschneiderte Lösungen für die verschiedensten Use Cases und Kundenwünsche an. Wenn sich also Anforderungen ändern, möchte ich die Möglichkeit haben bestimmte Services schnell zuzubuchen oder vielleicht auch eigene Apps zu bauen, die ich je nach Bedarf anpassen kann. Je nach Lernkurve und Use Case sind die Bedürfnisse hier unterschiedlich.

Im Zukunftsblick geht Eric auf das Thema der Verfügbarkeit von sich reduzierenden Talenten und Ressourcen in Deutschland ein – vor allem im Cyber-Security und IT-Umfeld, sowie die daraus folgenden Chancen und Risiken. Er spricht von Cybersecurity als Grundlage für erfolgreiche IoT-Projekte und der Wichtigkeit von sektorübergreifender Zusammenarbeit und leistungsfähigen (Partner-)Ökosystemen, aber auch hinsichtlich Standardisierung von Protokollen. Als Beispiele nennt er OPC UA (OPC Unified Architecture ist ein Standard für den Datenaustausch als plattformunabhängige, service-orientierte Architektur) und IO-Link (IO-Link ist die erste, weltweit standardisierte IO-Technologie (IEC 61131-9), damit in Zukunft alle Arten von Maschinen und Sensoren mit möglichst niedrigem Aufwand und skalierbar miteinander kommunizieren können. Die Lösung, die ich heute für mein IoT-Projekt implementiere, muss für die Zukunft gerüstet sein, um auch neue Use Cases, die durch die fortschreitende digitale Transformation an Relevanz gewinnen, erfolgreich umsetzen zu können und nicht wieder bei null beginnen zu müssen.

Sind Sie an einer Zusammenarbeit mit Eric interessiert? Wenden Sie sich über Linkedin an ihn!

Mehr zu diesem Umsetzungspartner

Sierra Wireless (NASDAQ: SWIR) (TSX: SW) ist ein IoT-Pionier, der Unternehmen und Branchen befähigt, sich in der vernetzten Wirtschaft zu verändern und zu gedeihen. Sierra Wireless bietet eine Device-to-Cloud-Lösung an, die aus eingebetteten Netzwerklösungen besteht und die nahtlos in den sicheren Cloud- und Konnektivitätsdienst integriert sind. OEMs und Unternehmen weltweit verlassen sich auf das Know-how von Sierrs Wireless bei der Bereitstellung vollständig integrierter Lösungen, um die Komplexität zu reduzieren, Daten in Informationen umzuwandeln und ihre verbundenen Produkte und Dienstleistungen schneller auf den Markt zu bringen. Sierra Wireless beschäftigt weltweit mehr als 1.300 Mitarbeiter und betreibt Forschungs- und Entwicklungszentren in Nordamerika, Europa und Asien. 

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