IoT- und M2M-Design und was sie unterscheidet

Trotz ihrer Ähnlichkeiten sind Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) und das Internet der Dinge (IoT) verschieden, auch wenn sie häufig synonym verwendet werden. Das führt zu Fehleinschätzungen und Verwirrung bezüglich ihrer Unterscheidungsmerkmale, ihrer Fähigkeiten, des Designs und der Implementierungsvoraussetzungen.

Dieser Artikel erklärt die Unterschiede zwischen beiden Ansätzen, gibt Beispiele und erläutert dann die Einzigartigkeit von M2M gegenüber IoT-Systemen mit Designlösungen von Multi-Tech Systems, FreeWave Technologies, Hirschmann sowie B+B SmartWorx. Weiterhin werden neue Möglichkeiten im Bereich M2M erläutert, z.B. Over-the-Air-Updates (OTA) und mehrschichtige Sicherheitsmaßnahmen, die Netzwerkfunktionen erweitern und Zugangsbarrieren abbauen. Zum Schluss gibt es noch eine Übersicht über M2M-Datentarife, die dem Designer helfen soll, mit dem richtigen Tarif die Kosten der Datenkommunikation möglichst gering zu halten.

Der Unterschied zwischen M2M und IoT

Obwohl sowohl M2M als auch IoT Technologien für den Datenaustausch und -transfer sind, unterscheiden sie sich: IoT ist ein mit dem Internet verbundenes Netzwerk von Geräten. M2M hingegen ist ein automatisierter Kommunikationsprozess zwischen zwei oder mehreren elektronischen Systemen, Maschinen oder Geräten. Bei den Maschinen oder Geräten einer M2M-Punkt-zu-Punkt oder -Punkt-zu-Multipunkt Verbindung kann es sich um Sensoren, Stellglieder, integrierte Systeme, und andere verbundene Elemente handeln.

M2M war schon etabliert, bevor Mitte der 90er Jahre das kommerzielle Internet aufkam und der Begriff IoT geprägt wurde. Der Ursprung von M2M kann auf Telemetrieanwendungen zurückverfolgt werden, die durch das Aufkommen von Funkgeräten zu Beginn des 20. Jahrhunderts ermöglicht wurden. Allerdings brach mit GSM, dem ersten digitalen Mobilnetzwerk, in den 90ern ein neues Zeitalter für die Entwicklung der M2M-Kommunikation an.

Ungefähr ein Jahrzehnt später nahm das IoT eine zentrale Rolle für IP-basierte Netzwerkverbindungen ein. Seitdem sind diese beiden einzigartigen Kommunikationssysteme nicht immer eindeutig voneinander zu unterscheiden. Um das Überlappen dieser beiden Systeme zu verdeutlichen, soll ein Anwendungsbeispiel - in diesem Fall ein Herzfrequenzsensor - an die Modelle der beiden Systeme angepasst werden.

Wenn der Herzfrequenzsensor eines Patienten mit einem externen Gerät oder einem medizinischen Server verbunden ist, damit ein Arzt den Gesundheitszustand des Patienten verfolgen kann, so könnte dies mit einer M2M-Anwendung umgesetzt werden. Ist der Herzfrequenzsensor stattdessen Teil eines interaktiven Geräts in der Nähe des Patienten, das sowohl dem Arzt als auch den Angehörigen Warnungen auf deren Smartphones sendet, handelt es sich um eine IoT-Anwendung.

M2M-Anwendungen mit kabelgebundenen, kabellosen und mobilen Verbindungen umfassen automatisches Auslesen von Verbraucherzählern, intelligente Ampelschaltungen sowie kamerabasierte Alarmanlagen und wohnbegleitende Systeme. Bei solchen Netzwerktechnologien werden sich M2M-Kommunikation und IoT-Design immer ähnlicher.

IoT als Ergänzung zu M2M

Ganzheitlich betrachtet begann mit der Ära des IoT ein neues Kapitel für die M2M-Kommunikation. Als Schwester des IoT kann M2M gleichermaßen von den sich schnell entwickelnden Verbindungstechnologien profitieren, besonders im Hinblick auf kabellose Verbindungen. Die von Multi-Tech Systems entwickelten Mobilfunkmodems der MultiConnect-Cell-100-Serie MTC-H5-B01-US-EU-GB, die sowohl IoT- als auch M2M-Anwendungen unterstützen, sind ein gutes Beispiel dafür (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Mobilfunkmodem MTC-H5-B01-US-EU-GB (links) von Multi-Tech Systems für M2M-Anwendungen kann auch für IoT-Dienste genutzt werden. (Bildquelle: Telit)

Diese Mobilfunkmodems unterstützen verschiedenste Netzwerkstandards von GSM bis zu 4G (Cat 4 und Cat M1) und eignen sich für M2M-Anwendungen wie Prozessautomatisierung, Notdienste, Fernüberwachung von Patienten, EE-Systeme und Systemmanagement für Zugschlusssignale.

Die Modems der Cell-100-Serie bieten mehrere Schnittstellen, inklusive RS-232 und serielle USB-Schnittstellen, womit eine große Bandbreite an Anwendungsanforderungen abgedeckt wird. Die Hardware wird vom MultiTech Connection Manager unterstützt, einer Software, die automatisch USB- und serielle Geräte erkennt und entsprechende Treiber herunterlädt. Zusätzlich übernimmt sie die korrekte Zuweisung der Kommunikationsanschlüsse um eine M2M-Verbindung herzustellen.

Für viele Hersteller spielen Energieeffizienz und Konnektivität bei IoT-Lösungen eine wichtige Rolle. Das wiederum begünstigt die Auswahl an kompakten M2M-Funkmodulen, die in Hinblick auf Eingangsspannung und Netzwerkkonfiguration sehr flexibel sind.

Ein gutes Beispiel sind die 900 Megahertz (MHz) HF-Module der MM2-Serie von FreeWave Technologies. Diese können als Endpunkte in Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerktopologien fungieren. Die HF-Frontend-Module enthalten einen Galliumarsenid-FET (GaAs) und eine mehrstufige SAW-Filterung (Surface Acoustic Wave), um hohe Empfindlichkeit und Überlastungsschutz zu garantieren. Die Datenraten sind einstellbar: entweder 115,2 Kilobit pro Sekunde (kbit/s) oder 153,6 kbit/s.

Die typischen Spezifikationen für Augangsleistung, Eingangsempfindlichkeit und Reichweite der MM2-Serie sind 1 Watt, -108 Dezibel bezogen auf 1 Milliwatt (dBm) und bis zu 32 Kilometer. Die Reichweite gilt bei freier Sichtverbindung.

M2M - Sicherheit und Verlässlichkeit

Gemessen an IoT-Anwendungen sind Sicherheit und Verlässlichkeit noch zentraler für M2M-Anwendungen, da sie in der Regel autark und vollautomatisiert sind. Tatsächlich sind Sicherheit und Verlässlichkeit die entscheidenden Hürden bei der flächendeckenden Einführung von M2M-Netzwerken.

Bei kabelgebundenen Lösungen sind die industrietauglichen Ethernet-Switches RS20/RS30 von Hirschmann für die Hutschiene eine gute Wahl, um M2M-Netzwerke gemäß den Zuverlässigkeitsanforderungen zu konfigurieren. Die RS20-Switches bieten zwischen vier und 25 Fast-Ethernet-Ports, um eine extrem hohe Ausfallsicherheit zu gewährleisten (Abbildung 2). Die RS30-Switches von Hirschmann bieten eine Anschlussdichte von acht bis 24 mit zwei Gigabit-Ethernet-Ports und acht, 16 oder 24 Fast-Ethernet-Ports.

Abbildung 2: Der Ethernet-Switch RS20 von Hirschmann bietet vier bis 25 Fast-Ethernet-Ports, um die Ausfallwahrscheinlichkeit zu minimieren. (Bildquelle: Hirschmann)

Fast-Ethernet- und Gigabit-Ports können individuell definiert werden, was beim M2M-Design die Option offen lässt, ein Redundanzprotokoll und Sicherheitsmaßnahmen gemäß den Anforderungen zu implementieren.

Standards wie Media Redundancy Protocol (MRP) und Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) garantieren eine hohe Netzverfügbarkeit für zuverlässige M2M-Anwendungen. Zusätzlich unterstützen diese industriellen Ethernet-Switches eine Vielzahl an Sicherheitsmaßnahmen, unter anderem IP- und MAC-Port-Sicherheit, SNMP V3, SSHv2 und 802.1x-Multi-Client-Authentifizierung.

Eine verlässliche und kabellose Alternative stellen die AirborneM2M-Ethernet-Router und -Brücken von B+B SmartWorx dar, die mit einem oder zwei seriellen Ports ausgerüstet sind, um M2M-Anwendungen noch zuverlässiger zu machen (Abbildung 3). Die Geräte mit zwei Ports von B+B SmartWorx können eine Wi-Fi-Verbindung über 2,4 Gigahertz (GHz) und 5 GHz Band aufbauen. So können die M2M-Router und -Brücken zum Erhalt des Datenstroms zum 5-Ghz-Band wechseln, falls das 2,4-Ghz-Band mit konkurrierenden kabellosen Kommunikationsaktivitäten überlastet sein sollte.

Abbildung 3: Eine Darstellung von M2M-Geräten und wie sie über Ethernet oder serielle Schaltung mit Hilfe von hochgradig sicheren Wi-Fi-Routern und -Brücken verbunden werden können. (Bildquelle: B+B SmartWorx)

Die AirborneM2M-Netzwerkgeräte umfassen zudem mehrstufige Wireless-Sicherheitsmaßnahmen durch die 802.11i/WPA2-Enterprise-Zertifizierung und Netzwerksicherheit mit der EAP-Zertifikatanforderung (Extensible Authentication Protocol).

Diese M2M-Geräte erhöhen die Netzwerksicherheit durch SSH-Public-Key-Authentication und vollverschlüsselte Datentunnel. Dank mehrstufiger Verschlüsselung der M2M-Router und -Brücken auf Geräteebene werden Konfigurationsdaten effektiv geschützt.

Bei M2M-Diensten mit Mobilfunkverbindungen sind Sicherheitsmaßnahmen und Authentifizierung normalerweise in die LTE-Standards eingelassen. Physikalische Sicherheit wird durch das direkte Verlöten der eSIMs auf die Platine gewährleistet, was ein Entfernen oder eine Manipulation nahezu unmöglich macht.

Die SIMs der M2M-Anwendungen führen uns zum letztenThema: M2M-Datentarife und die Frage nach dem richtigen Tarif für die jeweilige Anwendung.

M2M-Datentarife

Da alle großen Mobilfunkanbieter M2M-Datentarife und -pläne anbieten, steht man als M2M-Entwickler vor einer großen Auswahl an Optionen. Allerdings gibt es einige für die Beurteilung relevante Schlüsselkriterien, darunter auch die Anpassungsmöglichkeiten für bestimmte Anwendungen.

Manche Mobilfunkanbieter spezialisieren sich sogar auf M2M-Dienste. Diese werden oft MVNOs (Mobile Virtual Network Operators) genannt. Diese Mobilfunkanbieter bieten für M2M-Verbindungen Fernversorgung und -management über OTA-Dienste (Over-the-Air) an.

Anders als bei herkömmlichen SIMs wird hier eine spezielle M2M-SIM durch einen Fachbetreiber bereit gestellt, die dem Nutzer Einsicht in die Nutzungsdaten, Aktivitätsüberwachung und SIM-Sperrung ermöglicht. Diese SIMs können außerdem durch Netzwerk-Tunneling mit einem ausgewählten Anwendungsserver verbunden werden.

Einige dieser Mobilfunkanbieter bieten sogar ganze M2M-Lösungspakete an, z.B. Datentarife inklusive Modem oder anderer M2M-Komponenten wie z.B. Gateways. Diese M2M-Betreiber sind in der Regel trägerunabhängig und ermöglichen eine anwendungsspezifische Netzabdeckung.

So reicht einem Gesundheitsüberwachungssystem möglicherweise ein einziges Mobilfunknetz – eine LKW-Flotte würde damit jedoch nicht auskommen Als M2M-Nutzer sollte man außerdem sicherstellen, dass der Dienstleister zuverlässige und ferngesteuerte Fehlerbehebungen in Echtzeit anbietet.

Tarifübersicht

Die Art der M2M-Anwendung hat großen Einfluss auf die Kosten des Datentransfers und damit auch auf die Auswahl des Datentarifs. M2M-Anwendungen wie beispielsweise bargeldlose Verkaufsstellen oder Parkuhren nutzen sporadisch kleine Datenpakete. An dieser Stelle ist ein Pay-Per-Use-Tarif sinnvoller als feste Tarife oder solche, die pro Gerät abrechnen.

Feste Tarife mit geringem monatlichen Volumen von 50 Kilobyte (KB) bis zu 3 Megabyte (MB) können für M2M-Anwendungen wie automatisierte Zählerauslesung, Anlagen- und Fahrzeugverfolgung sowie Alarmanlagen ausreichen. Dem gegenüber stehen M2M-Datentarife mit einem erhöhten Volumen von 5 Mbyte bis zu 150 Mbyte pro Monat, die für Verkaufsautomaten, im Einzelhandel und für Anwendungen im Gesundheitswesen verwendet werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Übersicht über die verschiedenen M2M-Datentarifmodelle. (Bildquelle: Data2Go Wireless)

Für Anwendungen wie digitale Leitsysteme, Gebäudeautomationsmanagement oder PLCs für industrielle Überwachung und Steuerung gibt es Tarife mit großem Datenvolumen. Sie reichen von 300 Mbyte bis zu 4 Gigabyte (Gbyte) und werden oft für solche M2M-Geräte benötigt, die in Echtzeit über weite Entfernung große Datenmengen transferieren oder streamen.

Für Anwendungen mit intensiver Nutzung gibt es M2M-Tarife mit einem Volumen von 8 bis 100 Gbyte. Sie kommen dann zum Einsatz, wenn M2M-Geräte rund um die Uhr große Datenvolumen streamen müssen. Videoüberwachung sowie Backup- und Redundanzverbindungen gehören zu den typischen Anwendungen dieser Art.

Darüber hinaus gibt es M2M-Datentarife, die eine Datennutzung über mehrere SIMs ermöglichen. Sollte ein Gerät sein Datenvolumen ausgeschöpft haben, ermöglichen solche Tarife eine Umverteilung noch verfügbarer Datenvolumen von anderen Geräten. Abhängig von der Anwendung und dem Betreiber stehen dem Benutzer verschiedene Verbindungstechnologien zur Verfügung: GPRS, 2G, 3G und LTE 4G Datennetze.

Fazit

Bei genauerer Betrachtung des IoT und M2M wird deutlich, dass sie sich in Sachen Netzwerkarchitektur und Implementierungsvoraussetzungen grundlegend unterscheiden. Trotzdem fußen sie auf gemeinsamen Bausteinen wie HF-Modulen, Modems, Switches, Routern und Gateways. Mobilfunkverbindung und die dazugehörigen Datentarife sind weitere Gemeinsamkeiten dieser beiden Netzwerktechnologien.

Umso wichtiger ist es deshalb zu verstehen, wo die Grenze zwischen den IoT- und M2M-Systemen verläuft, denn der Erfolg einer industriellen Automatisierung steht und fällt mit der Wahl der richtigen Option in Bezug auf Sicherheit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Verbindung, Anschlussoptionen und Robustheit der HF-Systeme.