Systemplattform Heisys

Die Systemplattform Heisys bietet neben voller Skalierbarkeit hinsichtlich Rechenperformance und Modularität kabelgebundener I/O-Schnittstellen die volle Flexibilität bezüglich kabelloser Übertragungstechniken, die über M.2-Schnittstellen gewährleistet werden. (Bild: Heitec)

Mobilfunktechnologien, die in der Industrie zum Einsatz kommen, lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen, zum einen in die Wide-Area-Netzwerke auf lizenzierten Frequenzen, angefangen bei GSM über das noch aktuelle LTE bis hin zum neuen Standard 5G.

Moderne Funkstandards im Vergleich

Zum anderen gibt es die Mobilfunktechnologien, die unlizenzierte Frequenzbänder nutzen und auf eine geringe Leistungsaufnahme optimiert sind. Diese werden als LPWAN-Netze (Low Power Wide Area Network), wie unter anderem NB-IoT, SIGFOX, LoRaWAN bezeichnet. Während bei regulierten Netzen, wie im Mobilfunk, ausschließlich ein kostenpflichtiger Zugang zu mehreren Providern mit einer sehr weitreichenden und guten Netzabdeckung möglich ist, gibt es im Bereich von LPWAN-Netzen sowohl Providerzugänge als auch die Möglichkeit eigene Netze providerunabhängig aufzubauen und zu nutzen.

LPWAN-Netzwerke für den IoT-Bereich

LPWAN-Netzwerke finden aufgrund ihrer begrenzten Datenrate fast ausschließlich im IoT-Bereich und zur M2M (Machine-to-Machine)-Kommunikation Verwendung, da deren Eigenschaft für Anwendungen wie Telefonie, Video, Audio u. v. m. nicht ausreicht. Sie sind zwar auf sehr geringe Datenmengen ausgelegt, haben dafür aber andere Vorteile wie ihre Energieeffizienz. Beim Anschluss der Sensorik ist eine lange Akkulaufzeit das Ziel, ohne dabei an Reichweite einzubüßen. Geräte im IoT sind häufig auf Batteriebetrieb angewiesen, d. h. eine hohe Energieeffizient ist für eine lange Batterielaufzeit essenziell.

Innerhalb der LPWAN-Technologien wie SIGFOX, NB-IoT sowie LoRaWAN gibt es allerdings gravierende Unterschiede. Um diese kurz zu skizzieren, wird im Folgenden das Beispiel einer einmalig versendeten Nachricht herangezogen. Inklusive Registrieren im GSM-Netz benötigt das Übertragen einer Textnachricht zirka 4 Ws. LPWAN-Module benötigen weniger Energie für die Übertragung einer solchen Datenmenge.

Die Systemplattform Heisys eignet sich für Edge Computing.
Die Systemplattform Heisys eignet sich für Edge Computing. (Bild: Heitec)

Bei SIGFOX wird jede Nachricht unabhängig von eventuellen Übermittlungsproblemen dreimal mit maximaler Leistung gesendet. Pro Sendepaket werden ca. 0,3 Ws, also 1 Ws pro Nachricht benötigt, selbst in unmittelbarer Nähe der Basisstation. SIGFOX überprüft nicht, ob der verwendete Kanal frei ist (Aloha-Prinzip). Durch dreimaliges Senden auf unterschiedlichen, aus 192 möglichen Kanälen zufällig gewählten Kanälen wird die Wahrscheinlichkeit der Kollision mit anderen Daten verringert. (Im Video-Interview: Warum die WAN-Übertragungstechnik von Sigfox kostengünstig ist.)

LoRaWAN nutzt ebenfalls das Aloha-Prinzip, ist jedoch in der Lage, nach jedem Senden zu kontrollieren, ob eine Empfangsbestätigung ankommt. Eine wesentliche Eigenschaft von LoRaWAN-Funkbausteinen ist die Separierung von Bandbreite und Bitrate. Durch einen Spreizfaktor kann das Verhältnis zwischen Bandbreite und Bitrate variabel verändert werden. Dadurch ergeben sich 21 mögliche Arbeitspunkte, aus denen nominale Bitraten von 290 bit/s bis 37,5 kbit/s hervorgehen. Je näher ein LoRaWAN-Modul an der Antenne des Gateways ist, umso weniger Zeit und Energie sind notwendig, um die Nachricht zu senden. Aufgrund dieser Anpassung ist ein besonders energiesparender Betrieb möglich. Hierbei werden beim dreimaligen Senden ca. 0,5 Ws benötigt. Wird lediglich ein Sendeversuch benötigt, reduziert sich der Energiebedarf auf ca. 0,15 Ws.

Ein NB-IoT-Modul benötigt bei der erstmaligen Netz-Registrierung etwa 6 Ws, anschließend nur noch 0,4 Ws für eine Nachricht. NB-IoT regelt ähnlich wie LoRaWAN die benötigte Energie zum Senden in Abhängigkeit von der Entfernung zur Basisstation. NB-IoT-Module haben im Durchschnitt einen ähnlichen Energiebedarf wie LoRaWAN-Module und liegen bei dreimaligem Senden bei ca. 0,6 Ws. Die Datenkapazität ist höher als bei LoRaWAN oder SIGFOX.

So unterscheidet sich LoRaWAN zu NB-IoT und SIGFOX

Der größte Unterschied von LoRaWAN zu NB-IoT und SIGFOX besteht im Aufbau der Netzwerkstruktur. Bei den beiden letzteren stellen Telekommunikationsunternehmen das erforderliche Netzwerk bereit und der Anwender benötigt nur einen kompatiblen Transmitter – vorausgesetzt, dass die Netzabdeckung in der eigenen Region ausreichend gut ist. Die Preisgestaltung liegt beim Provider. Ein LoRaWAN-Netzwerk kann Provider-unabhängig aufgebaut werden und stellt ein eigenständig funktionierendes System dar. (So profitieren Smart Cities durch LoRaWAN) Als weitere LPWAN-Technologie wurde MIOTY als softwarebasiertes Protokoll entwickelt und adressiert viele IoT-Knoten über große Reichweiten. Sensordaten werden dank des TSMA (Telegram Splitting Multiple Access) -Verfahrens, bei dem die zu transportierenden Datenpakete auf Sensorebene in kleine Teilpakete aufgeteilt werden, über lange Entfernungen energieeffizient und zuverlässig über verschiedene Frequenzen und Zeiten übertragen. In der Basisstation werden diese wieder zu einer vollständigen Nachricht zusammengesetzt. MIOTY erzielt Reichweiten von bis zu 15 km und ermöglicht mehr als eine Million Geräte pro Netz sowie bis zu 1,5 Millionen Nachrichten/Tag. Sicherheit, Störfestigkeit, Batterielebensdauer und Kosteneffizienz von LPWAN-Netzen werden damit deutlich verbessert, was neue Anwendungsfelder in fordernden Umgebungen erschließt.

Ist es das Ziel, eine Anwendung global zu vermarkten, sollte die jeweilige Verbreitung der Mobilfunkstandards und die Nutzung unterschiedlicher Frequenzbänder beachtet werden. Beispielsweise in den USA haben LoRaWAN oder SIGFOX nur eine begrenzte Verbreitung, sodass hier eine eigene Infrastruktur oder die Nutzung von vorhandenen Providernetzen eine bessere Option sein kann.

Übertragungsraten der verschiedenen Funktechnologien im Vergleich.
Übertragungsraten der verschiedenen Funktechnologien im Vergleich. (Bild: Heitec)

Bei der Funk-Übertragung geht es primär um die zum Senden notwendige Leistung, die Reichweite und die Datenrate sowie um Aspekte wie Wartbarkeit und Investitionsschutz. Gerade 5G wird dabei häufig als DER nächste Standard genannt. Je nach Anforderungen bezüglich Leistungsfähigkeit, Kosten, Time to Market etc. machen in vielen Anwendungen allerdings andere Funkstandards mehr Sinn.

Die aktuelle Netztechnologie 4G erreicht eine theoretische Datenrate von bis zu 1000 Mbit/s im Down- und bis zu 500 Mbit/s im Upload. Mit 5G sind theoretische Geschwindigkeiten von 20 Gbit/s prognostiziert. In der Praxis werden bislang allerdings nur deutlich geringere Datenraten erzielt. Die neue Mobilfunkgeneration 5G bringt dennoch Vorteile in puncto geringer Latenz, verbesserter Sicherheit und deterministischer Bereitstellung mobiler Breitbanddaten. 5G-Anwendungen lassen sich in den Frequenzbereichen vorheriger Mobilfunkstandards nutzen, wodurch ein Teil der bereits bestehenden Infrastruktur weiter genutzt werden kann. Zusätzlich lässt sich 5G auf deutlich höheren Frequenzen zwischen 24 und 52 GHz betreiben. (Wie profitieren Hersteller von IoT-Geräten von 5G?)

Da bei derlei Frequenzen die Wellenlänge des Funksignals bei wenigen Millimetern liegt, werden solche Applikationen auch als mmWave bezeichnet. Zwar erlauben diese Frequenzbänder höhere Datenraten und niedrigere Latenzen, allerdings stellen dessen Eigenschaften Hersteller und Kommunikationsanbieter auch vor neue Herausforderungen. Bei diesen kurzen Wellenlängen führt die Durchdringung von Wänden und Hindernissen zu erheblich höherer Signaldämpfung. Dies hat zur Folge, dass Funkzellen kleiner werden und Basisstationen daher engmaschiger angeordnet werden müssen. Um das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum effizienter nutzen zu können, greift 5G auf das MIMO (Multiple Input Multiple Output)-Verfahren zurück, wobei für eine Übertragung mehrere Antennen sowohl beim Sender als auch beim Empfänger eingesetzt werden.

Die schnellste Wireless-Verbindung bringt aber nichts, wenn man die Daten weder verarbeiten noch dem Senden zur Verfügung stellen kann. Als Quasi-Standard hat sich bei Funkmodulen der Standard M.2 herausgebildet. Hier stehen den Modulen je nach Codierung USB 3.0 oder auch PCIe mit 4 Lanes und noch weitere Signale/Busanbindungen wie SATA III, DP, I²C usw. zur Verfügung.

Übertragungsraten von bis zu 5 Gbit/s bei USB 3.0 und 64 Gbit/s mit 4 Lanes bei PCIe Gen4 eröffnen dem Modulmarkt auf Basis des M.2-Standards zusammen mit Standardschnittstellen wie COM Express, SMARC und COM-HPC auf Systemebene grundlegend neue Möglichkeiten. Mit der Entwicklung seiner Embedded-System-Plattform vereint Heitec diese Möglichkeiten in einem Gerät – multidimensional skalierbar, je nach Applikation.

Interfaces der Funktechnologien.
Interfaces der Funktechnologien. (Bild: Heitec)

Stärken und Schwächen der Funktechnologien

All die erwähnten Funktechnologien haben ihre Stärken und Schwächen. Netze, die von Providern zu Verfügung gestellt werden, sind direkt verfügbar, allerdings hat der Nutzer wenig Einfluss auf diese. Das gilt insbesondere in Bezug auf Netzabdeckung und Versorgungsstabilität. Netze, die auf eigener Infrastruktur aufbauen, erfordern hingegen größere Aufwendungen auf der Hardware-Seite, dafür ist eine bessere Kontrolle über das Netz möglich.

Auch je nach Anforderungen bezüglich zu übertragender Datenrate, Energiebudget und Übertragungssicherheit unterscheiden sich die genannten Funktechnologien, sodass die optimalen Funktechnologien je nach Anwendungsfall individuell ausgewählt werden müssen. Je nach Anwendung kann auch eine Kombination von Funktechnologien sinnvoll sein oder es kann nötig sein, die Funktechnologien anzupassen, wenn weitere Anwendungsbereiche unterstützt werden sollen.

Um eine solche individuelle Kombination aus verschiedensten Technologien zu nutzen, ist ein flexibel skalierbares Gateway notwendig, welches sämtliche Funkstandards unterstützt und es erlaubt, Funkstandards auszutauschen, um auf neue Anforderungen schnell reagieren zu können.

Gateway und Rechenzentrale zugleich

Eine All-in-One-Lösung, welche Gateway und Rechenzentrale zugleich sein kann, wurde kürzlich von Heitec vorgestellt. Die neue Systemplattform Heisys bietet neben voller Skalierbarkeit hinsichtlich Rechenperformance und Modularität kabelgebundener I/O-Schnittstellen die volle Flexibilität bezüglich kabelloser Übertragungstechniken, die über M.2-Schnittstellen gewährleistet werden. Ausgelegt ist die Plattform bezüglich der Wireless-Übertragung außerdem für die Nutzung von WLAN, GSM, UMTS, LTE, 5G, LPWAN, Bluetooth sowie GNSS (GPS/GLONASS/…). Die Entscheidung für oder gegen einen Mobilfunkstandard ist ab sofort also nicht mehr für Jahrzehnte in Stein gemeißelt, sondern kann individuell getroffen und flexibel geändert werden.

Je nach Komplexität des Designs und den Anforderungen an Datenrate, Signalvielfalt, Rechenperformance und Stromverbrauch können bei der Systemkonfiguration z. B. COM-Express-Boards gewählt und in Kombination mit FPGA-basierten SMARC-Modulen über das entsprechende FPGA-Design eine große Varianz an Schnittstellen abgebildet werden. Dies ermöglicht eine kundenspezifische Systemlösung auf Basis etablierter Standardkomponenten, welche notwendige Elemente einer neuen Infrastruktur wie eben Gateway/Rechenzentrale und Schnittstelle zur Cloud inklusive sicherer und zugleich schneller Datenübertragung in einem Gerät vereint.

Durch einfachen Austausch der Module wächst die Plattform mit ihren Aufgaben – auch künftig. Denn: Die Netzwerktechnologien entwickeln sich immer weiter. Sicherstellen auch zukünftiger Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz ist weiterhin ein Erfolgsgarant. (neu)

Autor

Niklas Duda ist Produktmanager, Geschäftsgebiet Elektronik bei Heitec.

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