Embedded-Geräte an Mobilfunknetze anbinden

Bei vielen Anwendungen kann die drahtlose Netzanbindung die Kosten senken und die Effizienz steigern. Man denke zum Beispiel an ein Krankenhaus mit mehreren hundert Infusionspumpen, die Patienten automatisch Medikamente intravenös verabreichen. Bei der Abgabe von Wirkstoffen greifen die Pumpen auf Medikamentenbibliotheken zurück, die die jeweilige Dosierung steuern. Für einen fehlerfreien Ablauf benötigen alle Pumpen stets die aktuellsten Medikamentenbibliotheken.

Unmittelbar nach der Aktualisierung der Bibliotheken kann für die zahlreichen Pumpen ein erneutes Update erforderlich sein. Mit drahtlos vernetzten Infusionspumpen könnte das Krankenhaus diesen manuellen und zeitaufwendigen Prozess eliminieren und die Pumpen im Rahmen eines geplanten Rollouts automatisch aktualisieren lassen.

Beispiel Automobilbranche

Auch in der Automobilbranche steigt der Bedarf für eine drahtlose Netzanbindung. Themen sind hier 4G LTE, drahtlos (Over the Air – OTA) ausgelieferte Software-Updates sowie Konformität mit neuen behördlichen Auflagen zur Anbindung an Notrufdienste wie eCall (Europa), Simrav (Brasilien) und GLONASS (Russland).

In einem typischen Auto befinden sich heute über 40 Mikroprozessoren und Millionen Zeilen Softwarecode mit steigender Tendenz und zunehmender Komplexität. Eine Netzanbindung per Mobilfunk und WLAN bietet im Zusammenspiel mit Over-the-Air-Updates einen kosteneffizienten Mechanismus, mit dem sich während der gesamten Nutzungsdauer des Fahrzeugs verbesserte Funktionen bereitstellen, Fehler korrigieren und neue Applikationen auf den Infotainment-Systemen einspielen lassen. Bei einem eventuellen Softwarefehler müssten Automobilhersteller dann nicht mehr Millionen Fahrzeuge zurückrufen, um ihn zu korrigieren.

Sofort einsatzbereite Software-Lösungen

Die drahtlose Netzanbindung bietet zahlreiche potenzielle Vorteile, stellt die Entwickler jedoch vor große Herausforderungen bei der Implementierung. So stehen die Gerätehersteller vor der Aufgabe, eine Netzanbindung mit derselben Qualität wie bei einem Smartphone bereitzustellen. Häufig fehlt es jedoch an tiefgreifenden Kenntnissen über die Drahtlostechnik. Hinzu kommen fehlende Geschäftsbeziehungen zu den Netzbetreibern – über beides verfügen eigentlich nur die großen Smartphone-Hersteller.

Bild 1: Die Höhe der Investitionen für eine Mobilfunkanbindung ist vom Ansatz für die Implementierung abhängig. Dieser reicht von einer Integration auf Chipsatzebene über Module bis hin zu konfektionierten Modemprodukten. QNX

Zur Bewältigung dieser Herausforderungen sind anpassbare und integrationsfertige Software-Lösungen erforderlich, die das Risiko und den Entwicklungsaufwand reduzieren können. Solche Lösungen können jedoch nur erfolgreich sein, wenn sie mehrere zentrale Anforderungen hinsichtlich Kosten, Flexibilität, Zuverlässigkeit und Akzeptanz durch die Netzbetreiber erfüllen.

Kosten für die Netzanbindung

Kosten bei der Netzanbindung entstehen durch Forschung und Entwicklung, Hardware-Komponenten, Software-Lizenzen und laufende Ausgaben für die Datenverbindung. Die Höhe der Investitionen ist vom Ansatz für die Implementierung abhängig. Dieser kann von einer Integration auf Chipsatzebene über Module bis hin zu konfektionierten Modems reichen (Bild 1).

Chipsatzlösung

Bei einer Chipsatzlösung entstehen die geringsten Stückkosten, dies jedoch auf Kosten eines wesentlich höheren Entwicklungs- und Zertifizierungsaufwands. Die Entwicklung umfasst Hardware-Design, Leiterplattenlayout, HF- und Antennen-Design sowie Software-Entwicklung. Zur Zertifizierung eines Mobilfunk-Chipsatzes sind eine langwierige und teure 3GPP-Zertifizierung zu durchlaufen und die Freigabe der Netzbetreiber einzuholen. Für einen WLAN-Chipsatz ist in der Regel eine Zertifizierung durch die Wi-Fi-Alliance erforderlich, was erhebliche Investitionen in Prüftechnik und -verfahren erfordern kann. Die Integration eines Mobilfunk-Chipsatzes lohnt sich deswegen erst ab Stückzahlen von einer Million oder mehr. Auch für die Integration eines WLAN-Chipsatzes sollte man Stückzahlen von mindestens 500.000 erreichen.

Modullösung

Durch Module entstehen im Vergleich zu Chipsätzen deutlich höhere Stückkosten. Allerdings sind Module in der Regel vorab zertifiziert, sodass sich nur minimale Risiken und Zertifizierungskosten ergeben. Ein Modul bringt außerdem ein nahezu komplettes Hardware-Design mit, das nur noch Antennen und eine Stromversorgung benötigt.

Modemlösung

Bild 2: Das QNX Wireless Framework ist eine umfangreiche und skalierbare Software-Lösung zur Bereitstellung einer Netzanbindung per Mobilfunk und WLAN. Das Framework eignet sich für eine Vielfalt von Embedded-Systemen. QNX

Eigenständige Modems, meist in der Form eines Dongles zum Anschluss über USB-Schnittstellen, PCIe oder Ethernet, eignen sich besonders für geringere Stückzahlen im Bereich von 10.000 bis 20.000.

Angesichts der hohen Investitionen ist der Aspekt der Wiederverwendbarkeit wichtig. Produktentwickler sollten die Möglichkeit haben, ihre Netzanbindungslösung über mehrere Produktgenerationen hinweg in allen Produktlinien einzusetzen. Daher ist es sinnvoll, in eine erweiterbare Middleware-Plattform zu investieren, die die Netzanbindung bereitstellt und flexibel genug für alle bestehenden und künftigen Anforderungen ist.

Flexibilität

Damit die Investition den gewünschten Nutzen bringen kann, benötigt eine Middleware-Lösung für eine drahtlose Netzanbindung einen hohen Funktionsumfang, eine einfach zu benutzende Programmierschnittstelle (API) und eine Hardware-Abstraktionsschicht. Die Programmierschnittstelle sollte die Integration vereinfachen, indem sie die Logik für Modemsteuerung, Gerätetreiber, Verbindungszustandsbehandlung, Hochfahren und Initialisierung, Zurücksetzen und Wiederherstellung nach Fehlern weitestgehend verbirgt.

Eine Hardware-Abstraktionsschicht erlaubt es den Geräteherstellern, ihre Wireless-Hardware zu ersetzen, ohne dass sich dies auf die Programmierschnittstellen des Common Service Layers oder die Anwendungen auswirkt, die diese APIs benutzen. Dies vereinfacht den Einsatz unterschiedlicher Chipsätze oder Module je nach Preis, Funktionsumfang oder regionalen Besonderheiten (zum Beispiel Unterschiede zwischen Europa und Nordamerika).

Die angestrebte Lösung sollte modular und somit skalierbar sein, damit sie die Anforderungen einer gesamten Produktlinie erfüllen kann. Ein Großteil der Software sollte in mehreren Produkten wiederverwendbar sein. Die Netzanbindung muss alle Anforderungen der Anwendung hinsichtlich Durchsatz, Volumen und Häufigkeit der Datenübertragungen sowie Reaktionsgeschwindigkeit, Energieverbrauch, Mobilität/Roaming und Zuverlässigkeit der Kommunikation erfüllen (Bild 2).

Zuverlässigkeit und Tests

Eine drahtlose Netzanbindung muss in jedem Fall stets funktionieren, selbst wenn das damit ausgerüstete Gerät extrem mobil ist und laufend den Ort wechselt. Mobilität hat interessante Konsequenzen – es kommt zwangsläufig zu Netzwerk-Timeouts, Zeiten ohne Netzabdeckung oder mit überlastetem Netz. Eine Lösung für eine drahtlose Netzanbindung muss mit diesem dynamischen Verhalten zurechtkommen und kontrolliert mit Fehlern umgehen können. Um eine zuverlässige Netzanbindung zu erreichen, sind zahlreiche Tests erforderlich.

So lässt sich mit Feldtests das Verhalten bei fehlender Netzabdeckung, Verbindungsabbrüchen und wechselnden Verbindungsarten überprüfen. Außerdem sind Tests von Durchsatz und Zuverlässigkeit bei langen aktiven Datensitzungen, bei automatischem Neuverbinden und bei stockendem Datenfluss durchzuführen. Auch Stresstests bei gleichzeitiger Nutzung – Anwendungen mit mehreren Datenverbindungen, paralleler Nutzung von Mobilfunk und WLAN sowie eventuell Telefonie – sind vorzunehmen. Mit einer bereits in Smartphones oder anderen mobilen Geräten im Feld erprobten Middleware-Lösung können Entwicklungsteams den Großteil dieses Aufwands vermeiden.

Freigabe durch die Netzbetreiber

Die Netzbetreiber lassen in ihren Mobilfunknetzen nur genehmigte Geräte zu, um den störungsfreien Betrieb der Netze nicht zu gefährden. Anders als bei Smartphones haben die Netzbetreiber M2M- und Telematikgeräten bisher wenig Hindernisse in den Weg gelegt. Mit zunehmender Intelligenz der Embedded-Geräte steigen die Anforderungskriterien, die Netzbetreiber auf solche Geräte anwenden.

M2M-Verbindungen geraten zunehmend ins Blickfeld, da die Netzwerkbetreiber sicherstellen müssen, dass ihre Netze über die Kapazität verfügen, Millionen Geräte zu unterstützen, und gewährleistet sein muss, dass diese Geräte innerhalb festgelegter Richtlinien operieren. Dieses Szenario erhöht die Nachfrage nach Mobilfunk- und WLAN-Modems, nach Modulen mit Betreiberfreigabe sowie nach Middleware-Lösungen, die sich bereits im Mobilfunknetz bewährt haben und hinter denen Anbieter mit viel Erfahrung bei der Zertifizierung durch Netzbetreiber stehen.

Drahtlostechnologie der nächsten Generation

M2M-Netzanbindungslösungen verwenden heute einfach einen Teil der bekannten Smartphone-Funktionen wieder. Mit dem Aufkommen neuer und spezialisierter Funktionen, die speziell auf die M2M-Kommunikation abzielen, dürfte sich dies bald ändern. Zu diesen Funktionen zählen IPv6, LTE Machine Type Communication, LTE Direct, WPA2, Passpoint und LTE-WLAN-Interworking sowie die Standardisierung der IoT-Service-Layer.

Außerdem können überall auf der Welt jederzeit neue Frequenzbänder hinzukommen, um das stets gut gefüllte Spektrum zu entlasten. Diese neuen Technologien dürfte die Mobilfunkbranche im Laufe der nächsten zehn Jahre einführen. Die technische Entwicklung schreitet jedoch in der Mobilfunkbranche viel schneller voran als in einigen vertikalen Märkten, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie oder in der Medizintechnik. Produktentwickler benötigen daher eine klare Strategie zur Integration dieser neuen Technologien.

Middleware-Produkte mit integrierter Unterstützung für drahtlose Netzanbindung sowie eine Vielzahl von Chipsätzen, Modulen und Modemprodukten sind eine wichtige Starthilfe für Produktentwickler. Auf den ersten Blick mag die Lizenzierung zusätzlicher Middleware als Kostentreiber erscheinen. Eine vorintegrierte Middleware-Lösung mindert jedoch den Entwicklungsaufwand und kann das Risiko und die Zeit bis zur Marktreife deutlich reduzieren. Das QNX Wireless Framework beruht auf einer Technologie, die bereits in Millionen Black-Berry-Geräten im Einsatz ist und von einem Team aus Mobilfunk-Experten mit Hunderten Personenjahren Erfahrung in der Entwicklung von Carrier-Grade-Mobilgeräten stammt. Diese Technologie hat sich bereits in Hunderten Betreibernetzen weltweit bewährt und ist in komplexen Wireless-Umgebungen im täglichen Einsatz.

(hb/av)