Definition Was ist Helium?

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Helium ist der Name eines verteilten, drahtlosen Netzwerks für IoT-Geräte. Es basiert auf LoRaWAN und der Blockchain-Technologie. Die Endgeräte verbinden sich drahtlos mit Hotspots, die prinzipiell von jedem betrieben werden können. Die Betreiber von Hotspots werden in Form von HNT-Token beziehungsweise IOT, der Kryptowährung der Helium-Blockchain, entlohnt. Das Übertragen von Daten im Helium-Netzwerk ist ebenfalls in Form von digitalem Kryptogeld zu bezahlen.

Helium ist der Name eines Blockchain-basierten, drahtlosen, verteilten Netzwerks für Geräte des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT). Es wird aufgrund seines Peer-to-Peer-Charakters und der prinzipiell von jedem betreibbaren Hotspots auch als "The People's Network" bezeichnet.

Auf der physikalischen Übertragungsebene und für die funktechnische Systemarchitektur verwendet Helium LoRa und LoRaWAN. 5G-Mobilfunktechnik wird ebenfalls unterstützt. IoT-Endgeräte verbinden sich drahtlos mit den Helium-Hotspots und übertragen ihre Daten über das Internet zu IoT-Anwendungen. Für die Sicherstellung der Netzabdeckung und der Kommunikationsmöglichkeiten sowie die Entlohnung der Betreiber von Hotspots sorgt die Blockchain-Technologie.

Hotspot-Betreiber erhalten mit HNT-Token beziehungsweise IOT digitales Kryptogeld. Das Übertragen von Daten im Helium-Netzwerk ist ebenfalls in Form von digitalem Kryptogeld zu bezahlen. Die Vernetzung von IoT-Geräten über das Helium-Netzwerk ist preislich attraktiv. Die Hotspots bieten im Vergleich zu Wi-Fi-Hotspots eine hohe Reichweite und ermöglichen eine energieeffiziente Vernetzung der Endgeräte. Mittlerweile ist Helium nach eigenen Angaben mit rund einer Million Hotspots das größte LoRaWAN-Netzwerk weltweit. Es hat eine aktive Community und wächst kontinuierlich. Zahlreiche Hersteller bieten geeignete Hard- und Software für den Aufbau von Helium-Hotspots an. Darüber hinaus gibt es Roaming-Partner für LoRaWAN und 5G.

Die Ursprünge des Netzwerks reichen bis in das Jahr 2013 zurück. Gründer von Helium waren Amir Haleem, Sean Carey und Shawn Fanning. Die Bereitstellung von Hotspots sollte anfänglich den Betreibern noch konventionell entlohnt werden. Später erfolgte der Switch zu Kryptowährungen und zu individuell von jedem zu Hause oder in Geschäftsräumen betreibbaren Hotspots. Seit 2019 ist das Netzwerk in der aktuellen Form live in Betrieb.

Technik, Komponenten und Funktionsweise des IoT-Netzwerks

Helium kombiniert die Blockchain-Technologie mit der LoRaWAN-Funktechnik zu einem weltweiten Drahtlosnetzwerk für IoT-Geräte. Es basiert auf dem Internet und baut darauf ein dezentrales, verteiltes Netzwerk auf. Prinzipiell kann jeder drahtlose Konnektivität für IoT-Geräte bereitstellen. Die Architektur des Netzwerks besteht grundsätzlich aus den drei Komponenten Endgeräte, Hotspots und Router.

Endgeräte sind IoT-Geräte wie Sensoren, die sich drahtlos per LoRaWAN-Funktechnik oder 5G mit dem Helium-Netzwerk verbinden. Sie sind häufig batteriebetrieben. Aufgrund der energieeffizienten Arbeitsweise der LoRaWAN-Funktechnik reicht die Batterielebensdauer mehrere Jahre. Hotspots sind physikalische Netzwerkgeräte, die die drahtlose Netzabdeckung bereitstellen. Sie nehmen die drahtlosen Verbindungen der IoT-Geräte auf und übertragen deren Daten über Router im Internet zu IoT-Anwendungen oder anderen IoT-Geräten. Die Hotspots sind für die Ausführung der Blockchain-Transaktionen und den Proof of Coverage zuständig. Auf der Backhaul-Seite unterstützen sie TCP/IP über Ethernet, Wi-Fi oder Mobilfunktechnik. Per GNSS beziehungsweise GPS ermitteln die Hotspots ihre Position und erhalten Datum- und Zeitinformationen. Router sind Internetapplikationen, die Daten von IoT-Geräten über Hotspots empfangen und sie an Ziele wie HTTP- oder MQTT-Endpunkte weitersenden. Für das Helium-Netzwerk übernehmen die Router Funktionen wie die Authentifizierung der Endgeräte, Routingmechanismen zu Cloudservices von Drittanbietern wie Google oder Microsoft Azure, Blockchain-Funktionen, die Übermittlung von OTA-Updates und einiges mehr.

2023 erfolgte bei der verwendeten Blockchain-Technologie ein Umstieg von der Helium-Blockchain zur Solana-Blockchain. Token, Anwendungen und Management wurden auf die Solana-Blockchain übertragen. Laut Entwickler soll die Umstellung für eine bessere Skalierung, effizientere Transaktionen und mehr Stabilität, Zuverlässigkeit und Interoperabilität sorgen. Mit der Umstellung schürfen die Hotspots keine HNT-Token mehr, sondern IOT. HNT bleiben aber exklusive Token für die Nutzung des Netzwerks. Sie lassen sich zu Data Credits (DCs) "verbrennen".

Helium setzt auf das Konsensverfahren "Proof of Coverage" (PoC) und belohnt die Betreiber von Hotspots mit Kryptogeld für die Bereitstellung der Funkabdeckung und die Übertragung von Daten im Netzwerk. Der Zugang zu Daten ist über zu Data Credits "verbrannten" HNTs möglich. Helium unterstützt Micropayment-Transaktionen, mit denen die Nutzer die Leistungen des Netzwerks bezahlen. Helium kennt verschiedene Arten von Gebühren (Fees) wie Transport Fees, Transaction Fees und Staking Fees.

LoRa und LoRaWAN – die funktechnische Basis des Helium-Netzwerks

Die funktechnische Basis für die drahtlose Netzabdeckung der Helium-Hotspots bilden LoRa beziehungsweise LoRaWAN und mittlerweile auch 5G. LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network und ist ein Standard für Low Power Wide Area Networks (LPWANs). Ein LoRaWAN-Hotspot erzielt mit mehreren Kilometern deutlich höhere Reichweiten als ein WiFi-Hotspot. Die Technik arbeitet energieeffizient und ist für die Übertragung von Informationen mit relativ geringen Datenraten geeignet. Während LoRa die physikalische Schicht des LoRaWANs beschreibt, definiert LoRaWAN Protokolle höherer Ebenen wie den MAC-Layer und die Systemarchitektur. Das Modulationsschema LoRa wurde ursprünglich von Semtech entwickelt. Der proprietäre, patentierte Funkstandard ist unter Einhaltung bestimmter Bedingungen von jedem kostenfrei nutzbar. LoRaWAN arbeitet in lizenzfreien Funkbändern. In Europa ist das beispielsweise ein Frequenzband bei 868 MHz (863 MHz bis 870 MHz), in Nordamerika ein Frequenzband bei 915 MHz. Weitere Eigenschaften und Merkmale von LoRaWAN sind:

• Batterielebensdauer der IoT-Geräte von mehreren Jahren

• Funkkanalbandbreite 125 kHz

• Bruttopaketgröße 64 Byte (13 Byte Header, 51 Byte Nutzdaten)

• Datenraten von typischerweise 250 Bit/s bis 50 kbit/s

• AES-Ende-zu-Ende-Verschlüsselung (vom Sender bis zum Applikationsserver)

Für die Weiterentwicklung und das Voranbringen der Technik ist die LoRa Alliance zuständig. Zu den mit LoRaWAN vergleichbaren Technologien zählen NB-IoT, Sigfox, RPMA, Wi-Fi HaLow oder Mioty. Eine freie, von jedem kostenlos nutzbare Implementierung von LoRaWAN ist das TheThingsNetwork.

Einsatzmöglichkeiten von Helium

Helium ist speziell für die Vernetzung von IoT-Geräten und die Realisierung von IoT-Anwendungen vorgesehen. IoT-Geräte wie Sensoren oder Tracker lassen sich kostengünstig untereinander und mit IoT-Applikationen vernetzen. Über das Helium-Netzwerk werden IoT-Daten wie Messwerte, Statusinformationen und Steuerinformationen abgerufen und ausgetauscht. Typische Einsatzmöglichkeiten und Anwendungen für Helium sind die Smart City, das Smart Home, die Überwachungs- und Sicherheitstechnik, die Logistik, die Verkehrsflusskontrolle, die Umwelttechnik, das Gesundheitswesen, Predictive Maintenance oder die vernetzte Landwirtschaft (Smart Agriculture). Voraussetzung für den Einsatz ist die funktechnische Abdeckung durch Helium-Hotspots oder Helium-Roaming-Partner am jeweiligen Einsatzort.

Status des Helium-Netzwerks

Laut eigener Aussage ist Helium das weltweit größte LoRaWAN. Stand Mitte 2023 sind circa eine Million Hotspots in über 190 Ländern in Betrieb. Rund 77.000 große und kleinere Städte und Ortschaften sind netztechnisch abgedeckt. Nahezu vollständige Abdeckung wird in Städten wie Lissabon, London, Zürich, Amsterdam, Istanbul, Berlin, Los Angeles, New York, Washington oder Sydney erreicht. Zudem existieren mittlerweile mehr als 25 freigegebene Hersteller von Helium-Hotspots und vier LoRaWAN Roaming-Partner sowie eine Partnerschaft mit einem 5G-Betreiber.

Vorteile des IoT-Netzwerks Helium

Das IoT-Netzwerk Helium bietet unter anderem diese Vorteile:

• kostengünstige Vernetzung von Geräten (LoRaWAN- und 5G-kompatibel)

• gute Netzabdeckung in vielen Städten und Regionen

• große Reichweite der Hotspots

• jeder kann selbst Hotspots betreiben

• Entlohnung für den Betrieb von Hotspots in Form von digitalem Kryptogeld

• energieeffiziente Arbeitsweise

• aktive, weltweite Community

• Roaming der Endgeräte mit beliebigen Helium-Hotspots

• Bezahlung der Netzwerknutzung per Micropayment

• zahlreiche freigegebene Hersteller von Hotspots

• Verschlüsselung der übertragenen Daten

• Einsatz moderner, sicherer und performanter Blockchain-Technologie

• hoch skalierbares Netzwerk

• dezentraler, verteilter Netzwerkansatz mit hoher Resistenz

• Open-Source-basiert

• für viele IoT-Anwendungen einsetzbar

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