mioty® – Ein LPWAN-Protokoll für Massive IoT-Szenarien

Was ist mioty®?

Bei mioty^® handelt es sich um ein softwarebasiertes Low Power Wide Area Network (LPWAN)-Protokoll. Entwickelt wurde es initial vom Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS).

Das wichtigste Feature von mioty^® ist der Einsatz eines sogenannten Telegram Splitting Multiple Access (TSMA)-Verfahrens – eine besondere Form der Funkübertragung, die dafür sorgt, dass die Übertragungen von mioty^® Sensoren sehr resistent gegen Störereignisse sind – auch über große Distanzen hinweg.

Die Technologie ermöglicht zudem den Versand von Daten im lizenzfreien Funkspektrum (EU868 MHz – US915 MHz), wodurch für die Datenübertragung – ähnlich wie bei LoRaWAN-Architekturen – keine zusätzlichen Kosten anfallen.

Dadurch lassen sich zu günstigen Konditionen sehr große Funknetze mit zahlreichen Geräten für kleine Datenmengen realisieren, weswegen die Technologie besonders in den folgenden Bereichen gefragt ist:

• Smart Metering
• Industrie 4.0 (IIoT / M2M-Kommunikation)
• Smart City / Smart Home
• Smart Health
• Massive IoT-Anwendungen

Die Vermarktung und Weiterentwicklung der Technologie erfolgen heute durch die mioty alliance und ihre Mitglieder, die auch über die Lizenzierung und Zertifizierung von Geräten bestimmt.

Telegram Splitting erklärt – Das Kernstück der mioty®-Technologie

Das zentrale Merkmal des mioty^® Protokolls ist das dafür entwickelte Telegram Splitting Multiple Access-Verfahren (TSMA). Beim Telegram Splitting wird ein Datenpaket nicht als durchgehendes Funkpaket vom Sensor versendet, sondern in viele kleine Sub-Pakete zerlegt. Diese Sub-Datenpakete wiederum werden anschließend über unterschiedliche Frequenzen und zu verschiedenen Zeitpunkten ausgesendet.

Die jeweilige Basisstation scannt das Spektrum fortlaufend nach diesen Sub-Paketen, erkennt die einzelnen Fragmente und setzt sie wieder zu einer vollständigen Nachricht zusammen. Durch die redundant versandten Informationen innerhalb der Sub-Pakete benötigt die Empfangsstation nur ca. 50% des Pakets, um dessen gesamten Inhalt daraus zu rekonstruieren (Forward Error Correction).

Dadurch ist sichergestellt, dass auch im stark frequentierten (lizenzfreien) Funkspektrum, in urbanen Umgebungen und bei einer Vielzahl an Sendern (Stichwort: Massive IoT) die übermittelten Informationen einzelner mioty^® Sensoren korrekt versandt und durch die Basisstation empfangen werden.

Zentrale Vorteile der mioty® Technologie – Ein Überblick

In diesem Abschnitt widmen wir uns den besonderen Eigenschaften bzw. Stärken der Technologie. Dabei stehen gerade die folgenden Punkte im Fokus:

• Hohe Effizienz im Betrieb
• Starke Skalierbarkeit des Netzes
• Widerstand gegen Interferenzen
• Große Reichweite & Abdeckung

Hinzu kommt, dass die Technologie hinter Mioty auf dem ETSI 103 357-Standard basiert. Unternehmen können Geräte für diesen spezifischen Standard entwickeln und damit deren Kompatibilität im mioty-Netzwerk sicherstellen – nach der entsprechenden Zertifizierung durch die mioty Alliance.

Hohe Effizienz der Geräte

Die im Netzwerk eingesetzten Sensoren arbeiten überwiegend im Stand-by-Modus und werden lediglich zum Senden der Datenpakete aktiv. Diese kurzen Sendeintervalle reduzieren den Stromverbrauch der Geräte und ermöglichen so Laufzeiten von vielen Jahren bis (theoretisch) Jahrzehnten.

Diese Sparsamkeit im Energieverbrauch sorgt dafür, dass mioty Sensoren auch in abgelegenen / schwer zugänglichen Arealen ohne ständige Stromversorgung installiert werden können. Wartungsaufwände lassen sich so auf ein Minimum reduzieren.

Starke Skalierbarkeit der Netzgröße

Die mioty-Technologie wurde gezielt für die Einrichtung enorm großer Netzwerke entwickelt (Massive IoT). Sie ermöglicht die Anbindung und Verknüpfung großer Sensorflotten innerhalb eines einzigen Netzes.

Je nach Bedarf und Einsatzszenario (Smart Metering / Tracking & Tracing) kann die Anzahl der Sensoren in einem Netzwerk problemlos im vier- bis fünfstelligen Bereich liegen. Die Unterstützung so vieler Sensoren sorgt zudem dafür, dass einmal eingerichtete Netzwerke auch nachträglich noch auf- und ausgebaut werden können.

Hoher Widerstand gegen Interferenzen

In Umgebungen mit zahlreichen Sendern – etwa in großen Industrieanlagen – ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass gesendete Datenpakete durch Interferenzen, Kollisionen oder Abschattungen verloren gehen. Je mehr Funksysteme in einem Areal zum Einsatz kommen, desto höher die Wahrscheinlichkeit für solche Störungen.

Durch die Nutzung des TSMA-Verfahrens mit zeitlich versetzten Sende-Intervallen in zahlreichen Sub-Paketen kann die ursprüngliche Nachricht mit mioty bereits mit etwas mehr als 50% der Datenpakete vollständig rekonstruiert werden. So ist auch in kritischen Funkumgebungen immer eine sichere Datenübertragung bei geringer Eigenstörung gegeben.

Große Sendereichweite

mioty® wurde gezielt für flächendeckende IoT-Kommunikation entwickelt. Die einzelnen Sensoren weisen nicht nur eine hohe Reichweite (5 – 15 Kilometer), sondern auch eine gute Gebäudedurchdringung auf. Auch im mobilen Einsatz (Mautmanagement etc.) arbeiten die Sender bei bis zu 120 km/h zuverlässig.

Von Technikräumen und Industrieanlagen bis zum Untertagebau können große Sensornetzwerke mit nur wenigen Basisstationen sicher – und vor allem sehr wirtschaftlich – betrieben werden.

Nachteile der mioty® Technologie

Mioty weist zum jetzigen Zeitpunkt noch ein paar Nachteile auf – einige von diesen sind tatsächlich kaum vermeidbar:

• Junge Technologie: Es besteht aktuell noch keine große Marktdurchdringung. Im Vergleich zu anderen LPWAN-Technologien bestehen weniger Vergleichs- und Referenzprojekte, was wiederum potenziell die Akzeptanz für ein solches “neues System” bei interessierten Partnern schmälert
• Geringe Datenraten: Die maximal mögliche Größe eines Mioty-Pakets beträgt 250 Byte, typische Übertragungsraten für Sub-Pakete umfassen 512 bits/s. Dies ist ideal für Telemetrie-, Mess- und Sensordaten, schließt aber andere Datenübertragungen nahezu aus
• Fokus auf Uplink-Kommunikation: Die Technologie wurde primär für Anwendungen entwickelt, bei denen viele Sensoren kleine Datenmengen an das Netzwerk senden (Uplink). Für Szenarien mit häufigen Steuerbefehlen (Downlink) oder permanenter Zwei-Wege-Kommunikation (Bidirektionalität) ist das Netzwerk aufgrund stärkerer Latenzen nicht ausgelegt.

Ob und in welchem Maße solche technischen “Einschränkungen” in Zukunft von Seiten der mioty alliance aufgegriffen werden, wird sich im Zuge der weiteren Entwicklung der Technologie zeigen.

In welchen Branchen Mioty zum Einsatz kommt

Seine größten Stärken spielt mioty dort aus, wo eine Kombination aus großer Reichweite, hoher Störfestigkeit, langer Batterielaufzeit und einer hohen Anzahl an Endgeräten gefragt ist.

• Smart Metering und Versorgungsnetze: Wasser-, Gas-, Wärme- und Stromzähler können ihre Messwerte zuverlässig aus Kellern, (Minen-)Schächten oder anderen schwer zugänglichen Bereichen übertragen.
• Industrie 4.0 und Condition Monitoring: Produktionsanlagen, Maschinen und technische Einrichtungen lassen sich kontinuierlich überwachen. Selbst in Umgebungen mit vielen Funkquellen oder metallischen Strukturen bleibt die Kommunikation (auch in Echtzeit) zuverlässig.
• Smart Cities: Städte und Kommunen nutzen LPWAN-Technologien für Parkplatzsensoren, Umweltmessstationen, Straßenbeleuchtung, Abfallmanagement oder Infrastrukturüberwachung.
• Umwelt- und Infrastrukturmonitoring: Pegelmessungen, Hochwasserwarnsysteme, Wetterstationen oder die Überwachung kritischer Infrastruktur erfordern oft batteriebetriebene Sensoren an abgelegenen Standorten.
• Landwirtschaft: Sensoren für Bodenfeuchte, Temperatur, Bewässerung oder Tiertracking können über große Flächen verteilt werden, ohne dass eine aufwendige Kommunikationsinfrastruktur benötigt wird.
• Logistik und Asset Tracking: Container, Werkzeuge, Betriebsmittel oder auch mobile Anlagen lassen sich über große Areale hinweg überwachen und verfolgen.

Gerade in Szenarien mit mehreren tausend oder sogar zehntausenden Sensoren pro Netz zeigt mioty seine Vorteile gegenüber vielen klassischen Funktechnologien. Je höher die Dichte an Sendern, desto eher lohnt sich das gezielte Investment in diese LPWAN-Technologie.

mioty® und LoRaWAN im Vergleich

Sowohl mioty als auch LoRaWAN gehören zur Klasse der LPWAN-Technologien und wurden entwickelt, um Sensoren über große Entfernungen energieeffizient zu vernetzen. Während LoRaWAN insbesondere durch sein großes Ökosystem und seine (welt-)weite Verbreitung überzeugt, wurde mioty gezielt für anspruchsvolle Massive-IoT-Szenarien mit hoher Gerätedichte und schwierigen Funkbedingungen entwickelt.

• Robustheit: mioty nutzt Telegram Splitting (TSMA) und ist dadurch besonders widerstandsfähig gegenüber Interferenzen, Kollisionen und Funkstörungen. LoRaWAN nutzt die Modulationstechnik Chirp Spread Spectrum (CSS) bietet ebenfalls eine robuste Kommunikation, kann in sehr dichten Netzen mit vielen Sendern jedoch stärker von Kollisionen beeinflusst werden.
• Skalierbarkeit: mioty wurde gezielt für Massive-IoT-Szenarien mit sehr vielen Endgeräten entwickelt. LoRaWAN unterstützt ebenfalls große Netzwerke, erfordert bei steigender Gerätedichte jedoch eine sorgfältige Netzplanung.
• Reichweite: Beide Technologien ermöglichen die Kommunikation über mehrere Kilometer. mioty zeigt gerade beim Einsatz in Kellern, Schächten und schwer zugänglichen Installationsorten eine hohe Leistungsfähigkeit.
• Batterielaufzeit: Unter typischen Gegebenheiten können sowohl mioty als auch LoRaWAN Sensoren über mehrere Jahre bis Jahrzehnte praktisch wartungsfrei betrieben werden. Je kürzer und seltener diese senden, desto geringer fällt der Energieverbrauch aus.
• Mobilität: mioty unterstützt mobile Anwendungen und Datenübertragungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 120 km/h. Dadurch eignet sich die Technologie besonders für Logistik-, Tracking- und Drive-by-Szenarien. Für LoRaWAN ist kein solches “Tempolimit” in der Übertragung ausgewiesen.
• Ökosystem: LoRaWAN verfügt aktuell über die größere Marktverbreitung und ein sehr umfangreiches Ökosystem aus Geräten, Gateways und Plattformen. Das mioty-Ökosystem wächst kontinuierlich und ist insbesondere im Smart Metering und industriellen Umfeld stark vertreten.

Kurz gesagt: Die LoRaWAN-Technologie verfügt bereits über eine etablierte Community und stellt eine gute Wahl für alle IoT-Anwendungen “in der Breite” dar. Ist absehbar, dass etwa in einer Industrieanlage auf kleinem Raum zahlreiche Sensoren für kritische Informationen eingerichtet werden sollen, ist mioty^® die zuverlässigere und weniger störanfällige Wahl.

Wie erhalten Produkte eine mioty® Zertifizierung?

Unternehmen können ihre Produkte direkt über die mioty-Allianz zertifizieren lassen. Dafür hat diese eine eigene Produktzertifizierungsseite geschaffen. Der Prozess läuft dabei wie folgt ab:

• Unterzeichnung eines Rahmenvertrags – danach Zugang zum Zertifizierungsportal
• Bereitstellung von technischen Unterlagen / Testergebnissen / Konformitätserklärung
• Prüfung der Konformität des Produkts durch die mioty alliance
• Bereitstellung des “mioty logos” und eines Zertifikats

Nach Abschluss dieses Verfahrens darf das Logo der mioty alliance in Verbindung mit dem Produkt genutzt werden. Für eine entsprechende mioty Zertifizierung müssen Unternehmen übrigens nicht Mitglied der mioty^® alliance sein – sie profitieren in diesem Fall jedoch von deutlich vergünstigten Konditionen bei der Produktprüfung.

Darüber hinaus ist es außerdem erforderlich, eine Lizenz für die Nutzung der MIOTY Technologie zu erwerben. Dafür gibt es nochmals eine separate Lizenz-Plattform der Firma Sisvel.

mioty® – FAQ zum LPWAN-Protokoll

Über welche Distanzen sind Datenübertragungen möglich?

Dank der enormen Störfestigkeit des Protokolls können Daten in urbanen Umgebungen über Distanzen von gut 5 Kilometern und im ländlichen Raum gute 15 Kilometer weit versendet werden.

Wie lange können mioty® Sensoren betrieben werden?

Da die Technologie außerordentlich energieeffizient ist, können einzelne Sensorknoten nach aktuellem Sachstand theoretisch bis zu 20 Jahre betrieben werden – je nach Setup. In der Regel bleiben auch stark beanspruchte mioty^® Sensoren über sehr lange Zeiträume voll einsatzbereit.

Auf wie viele Geräte / Sensoren ist ein Netzwerk ausgelegt?

mioty wurde speziell für Massive-IoT-Anwendungen entwickelt. Je nach Netzdesign und Anwendungsfall können sehr große Sensornetze ohne Probleme mehrere tausende bis zehntausende Endgeräten umfassen.

Ist mioty® standardisiert?

Ja. Die mioty-Technologie basiert auf dem Standard ETSI 103 357.

Was ist der Unterschied zwischen mioty und LoRaWAN?

Beide Technologien stammen aus dem LPWAN-Bereich. Zum heutigen Stand ist LoRaWAN stärker international verbreitet und im Markt enorm breit aufgestellt. Mioty ist jünger, stärker auf Massive-IoT-Anwendungszwecke ausgelegt und besonders für industrielle Kunden / Großkunden von Interesse.