Funktechnologien für vernetzte Städte

Der mobile Datenverkehr wächst mit enormer Geschwindigkeit, zugleich steigt die Zahl vernetzter Geräte. Laut Ericsson Mobility Report 2017 soll es im Jahr 2023 etwa 20 Milliarden vernetzte Geräte im Internet der Dinge (IoT) geben. Entsprechend prognostiziert der Report ein rasantes Wachstum bei Mobilfunkanschlüssen und der mobilen Datennutzung. So soll die Zahl der 5G-Abonnements für erweitertes mobiles Breitband bis 2023 rund eine Milliarde erreichen. Auch die Zahl der LTE-Abonnements wächst; bis zum Jahresende könnte sie die dominierende mobile Zugangstechnologie werden.

Überforderte Mobilfunknetze

Ericsson Mobility Report 11/2017 Ericsson

Längst haben alle namhaften Mobilfunkbetreiber IoT/M2M-Geschäftsbereiche für Unternehmen eingerichtet. Größere Betreiber haben Akquisitionen getätigt, um den größeren Teil der Wertschöpfungskette zu bedienen und Einnahmen über die reine Konnektivität hinaus zu erfassen. Während der Markt wächst, zeichnet sich jedoch ab, dass viele mobile IoT-Use-Cases für existierende Mobilfunknetze nicht geeignet sind. Die Gründe hierfür sind schnell aufgezählt: mangelnde Abdeckung in der Fläche, zu geringe Akkulaufzeiten und hohe Gerätekosten.

Bestehende Mobilfunknetze bieten in reifen Märkten bereits eine gute Flächendeckung. Jedoch befinden sich viele potenziell „verbundene Objekte“ in abgelegenen Gebieten, weit entfernt von der nächsten zellularen Basisstation. Ist eine Abdeckung vorhanden, ist sie oft schwach. Dies wird zwar durch eine erhöhte Sende- und Empfangsleistung der Gerätesender kompensiert, doch bedeutet das einen erhöhten Energiedarf, also verkürzte Akkulaufzeiten. Zudem sind zellulare Netzwerke nicht für Anwendungen optimiert, die nur gelegentlich kleine Datenmengen übertragen, wie das etwa in Sensornetzwerken der Fall ist.

Eine Batterielebensdauer von fünf bis zehn Jahren, kombiniert mit einem kostengünstigen Gerät, lässt sich auf bestehenden breitbandigen zellularen Standards nicht realisieren, da diese die erforderlichen Energiesparmechanismen nicht unterstützen. Der dritte Aspekt der Gerätekosten – mobile Geräte, die auf GSM, 3G und LTE arbeiten – sind für eine Vielzahl von Diensten konzipiert. Diese Features werden nur durch komplexe Multimode Chipsets möglich, die entsprechend höhere Kosten verursachen.

Ein Standard für LPWA-Technologien

Vor diesem Hintergrund hat sich 3rd Generation Partnership Project, das Standardisierungsgremium für 2G-/3G-, LTE-sowie 5G-Mobilfunk-Systeme unter der Ägide der ITU, zum Ziel gesetzt, Rahmenbedingungen für eine standardisierte Low-Power-Wide-Area-Technologie (LPWA) zu erarbeiten. Zwar existiert der LPWA-Markt bereits seit etwa zehn Jahren, doch die zugehörigen Technologien sind zersplittert und nicht standardisiert. Defizite wie schlechte Zuverlässigkeit, mangelhafte Sicherheit oder hohe Betriebs- und Wartungskosten sind die Folge. Zudem ist die neue Overlay-Netzwerk-Implementierung sehr komplex.

Beim IoT oder auch Internet of Everything (IoE) geht es darum, Dinge in das Internet zu bringen, deren Anbindung bisher zu aufwendig und zu teuer war. Abgelegene Maschinen wie Wasserzähler, mobile Anwendungen von Fahrzeugen oder auch Healthcare sind Wunschkandidaten der Vernetzung. Hier kommt bevorzugt Funk zum Einsatz, da kabelgebundene Lösungen zu komplex oder teuer sind.

Die Standards LTE-Cat M1 oder Narrowband-IoT (NB-IoT) überwinden die genannten Mängel mit Vorteilen wie flächendeckender Verfügbarkeit, schnellem Upgrade des bestehenden Netzwerks und geringerer Komplexität der Single-Mode-Modems. Dies geht mit einem geringeren Stromverbrauch einher. So werden erstmals Akkulaufzeiten von bis zu zehn Jahren Laufzeit möglich. Der Auswahl der geeigneten Akku-Technologie kommt in diesem Zusammenhang wachsende Bedeutung zu.

Sigfox und Lora

Die Sprach- und datenorientierte GSM- und UMTS-Lösungen (2G und 3G) eignen sich nur bedingt für diese einfachen M2M-Dienste. Aus diesem Grund versuchen sich auch andere Alternativen im LPWA-Bereich, wie etwa das Lora-WAN (Long Range Wide Area Network) und Sigfox. Beide arbeiten im lizenzfreien 868 MHz-Band. Auf den ersten Blick haben diese Netzwerk-Services gute Chancen, weil ihre Technik bereits im Feld erprobt ist. Das Lora-Netz stützen etwa Netzbetreiber, die zusammen etwa 180 Millionen Teilnehmer zählen.

Demgegenüber steht jedoch die NB-loT-Technik der 3GPP, die bereits 20 der weltweit größten Netzbetreiber hinter sich versammelt. Diese decken laut Vodafone 90 Prozent der IoT-Versorgungsfläche ab und binden mehr als 2,9 Milliarden Teilnehmer an. Angesichts dieser Übermacht klingen Vertreter der Lora Alliance und der Sigfox-Technik zurückhaltend.

Potenziale des Narrowband-IoT

Analysys Mason rechnet damit, dass es im Jahr 2023 mehr als drei Milliarden NB-IoT-Verbindungen geben könnte. Bereits heute hat etwa die Deutsche Telekom Metropolregionen wie Berlin, Dresden oder Hamburg mit NB-IoT abgedeckt und will bis Ende 2018 60 Prozent der deutschen Bevölkerung versorgt haben. Zur Datenübertragung nutzt das NB-IoT die 900 MHz-Frequenzen und somit Teile des noch verbliebenen GSM-Bandes. Zudem ist geplant, 800 MHz-Frequenzen hinzuzunehmen.

Auch im IoT bestehen unterschiedliche Anwendungen mit entsprechenden Bedürfnissen. Kritische M2M-Kommunikation, wie etwa bei der Fernsteuerung von Maschinen, braucht Echtzeitkommunikation über hochverfügbare Verbindungen. Dafür eignet sich LTE- oder 5G-Mobilfunktechnologie. Überall dort jedoch, wo klassische Netze unrentabel und ineffektiv sind, kann künftig NB-IoT zum Einsatz kommen. Das ist etwa beim Smart Metering, beim Tracking von Containern, der Überwachung von Tanks oder der Vernetzung von Mülltonnen und Parkplätzen in der Smart City der Fall.

Weitere Vorteile liegen in der Planbarkeit, einem hohem Security-Grad und ausgeprägter Betriebssicherheit. Zudem lassen sich mit dem NB-IoT die Kosten für Hardware und den Netzbetrieb senken. Wir sprechen hier von sehr niedrigen Datenraten von unter 100 bit/s bis hin zu wenigen kbit/s. Der Netzbetrieb ist in einem Spektrum von lediglich 200 kHz möglich.

Chips für den Wechsel auf NB-IoT

M2M-Kommunikation auf Grundlage des LTE-Standards M1 ermöglicht das Funkmodul BG96 von Quectel für LTE Cat M1. Quectel

Lange war offen, wann es Chips im Low-Cost-Bereich geben wird, die den Wechsel auf LTE-Cat M1 oder NB-IoT ermöglichen. Qualcomm als Anbieter von Cellular Chips sowie Wi-Fi- und Bluetooth-Technologien hat sein Portfolio und die Konvergenz der Technologien in diesem Bereich erweitert. Das Unternehmen entwickelte etwa den MDM9206-Chip, um die LTE-Kategorie M1 (eMTC) zu unterstützen. Darüber hinaus ist der MDM9206 auf die Dual-Kategorie M1/NB-1-Modus per Software-Update erweiterbar.

Die einfacheren Schmalband-LTE-Kategorien sollen die Segmente Low Cost, Low Power, geringere Bandbreite und eine größere Abdeckung für die nächste Generation von IoT-Produkten und -Diensten unterstützen und zugleich die Batterielaufzeit im Vergleich zu früheren LTE-Generationen erhöhen.

Eines der wichtigsten Argumente für die LTE-Cat-M1- oder Cat-NB-IoT-Technologie im Vergleich zu proprietären Lösungen ist, dass die Infrastruktur bereits weitestgehend besteht oder lediglich SW-Updates dafür eingespielt werden müssen.

Zusammen mit Qualcomm hat Hersteller Quectel das Multimode-Modul BG96 entwickelt, das auf dem Chipsatz MDM9206 basiert. Es unterstützt den eMTC- beziehungsweise LTE-M-Mode wie auch NB IoT und GPRS. Somit kann das Modul ebenfalls in strukturschwachen Gebieten mit der 2G-Technologie eingesetzt werden. Zugleich ermöglicht es den Anschluss an künftige NB-IoT-Technologien. Es eignet sich etwa für den Einsatz in Smart-Home- und Smart-City-Anwendungen, für die industrielle Steuerung und Überwachung oder zur Lokalisation von Gütern und Personen.

Das BG96 weist einen niedrigen Stromverbrauch aus, was Applikationen mit einer langen Batterielebensdauer von sechs bis zehn Jahren ermöglicht. Die gesamte Lebensdauer von IoT-Geräten wird somit verlängert.

Quectel hat mit dem BC66 auch ein vielseitigeres LTE-Cat.-NB1-Modul auf den Markt gebracht. Es zeichnet sich durch das SMD-LCC-Package mit einem Formfaktor von lediglich 17,7 mm ×15,8 mm × 2,3 mm aus, das den Abmessungen des M66 (GSM/GPRS) entspricht. Somit eignet sich das BC66 für platzsparende, robuste PCB-Designs, die den Übergang von GSM/GPRS zum NB-IoT-Netz vereinfachen. Zudem bietet das BC66 mit SPI, I2S oder PWRKEY weitere Schnittstellen sowie die Unterstützung mehrerer Frequenzbänder. Mit dem industriellen Arbeitstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C und einem geringen Stromverbrauch lässt sich das BC66 in zahlreichen Bereichen einsetzen, wie etwa in der Sicherheitsüberwachung oder im Smart Metering.

Durch den fortgeschrittenen Ausbau der Infrastruktur auf Basis des LTE-Netzwerkes und die bereits jetzt breite Palette an verfügbaren Modulen – allein Quectel hat bereits vier NB-Module entwickelt – beschreibt die NB-IoT-Technologie im Vergleich zu proprietären LPWAs, ein funktionierendes Netzwerk.

Eine Plattform für das IoT

Mit der Low-Cost-Single-Chip-MCU QCA4010/12 bietet Qualcomm eine intelligente Plattform für das Internet of Things (IoT) an. Dank umfassendem ThreadX-RTOS-Netzwerk-Stack, bietet diese Plattform eine voll funktionsfähige Dual-Band-WLAN-Lösung für eine Vielzahl von IoT-Anwendungen, von Geräten, Fernbedienungen bis hin zu anspruchsvollen Hausautomatisierungs-, Sicherheits- und Energiemanagement-Systemen.

Der QCA4010/12 verfügt über einen integrierten Applikationsprozessor mit einem 1,5 MB-SRAM-Speicher, wodurch keine zusätzliche MCU benötigt wird. Mehr als 800 kB sind frei für Benutzeranwendungen und Pufferung von Video- und Audiodaten. Des Weiteren werden unterschiedliche Standardschnittstellen wie SPI, UART, ADC, PWM, I2S und I2C angeboten. Das Software-Development-Kit QCA4010 enthält einen IPv4/ 6 Netzwerk-Stack zur Unterstützung der IPv4/v6-Header-Verarbeitung; UDP / TCP-Socket-Unterstützung; DHCP, Multicast, HTTP/SSL-Client/Server und viele andere Funktionen. Integrierte Ready-to-use-Protokolle wie Alljoyn, Homekit und Weave ermöglichen die Interoperabilität mit vernetzten Geräten, Diensten und Anwendungen.

Mehr Spielraum durch Bluetooth 5

Mit der Spezifikation Bluetooth 5 (BT5) hat die Bluetooth SIG (Special Interest Group) den Anwendungsbereich dieser Technologie im IoT-Sektor erweitert. Über das relativ kleine Feature der Vergrößerung der Advertising-Pakete lassen sich im Mesh-Modus unterschiedliche Anwendungen realisieren. Ohne den Connecting-Mode zu verwenden, wird es möglich, über das Broadcastverfahren viele Szenarien abzuwickeln, die für Licht-, Klima-Heizungssteuerungen oder Metering-Applikationen erforderlich sind. Ebenfalls geht mit BT5 eine Reichweitenerweiterung und erhöhte Bandbreite von bis zu 2 Mbps einher. Damit kann sich die Bluetooth-Technologie bei den Funknetzwerklösungen für die Gebäudevernetzungen gegenüber Zigbee, Zwave oder 868 MHz-Lösungen absetzen.

Im Vergleich mit der WLAN-Technik weist Bluetooth Low Energy beziehungsweise die Bluetooth-Smart-Technologie einen deutlich geringeren Stromverbrauch auf sowie eine weniger komplexe Chip-Mikrocontroller-MAC-Funktionalität. Der Hersteller Flairmicro bietet mit dem BTM020 ein nRF52832-basiertes Single-Mode-Modul an, das sich vielseitig in diversen Applikationen für Gebäudevernetzungen für Sensor-Aktoren sowie auch in Consumer-Anwendungen anwenden lässt. Das Modul ist mit einer Chip-Antenne ausgestattet und wird mit CE, FCC und einer QDID vorzertifiziert angeboten.

Kommunikationsmodule für die Smart City

Digi XBee Cellular 3G Global. Digi International

Ein weiterer Hersteller, der sein Engagement im Bereich Smart City verstärken will, ist Digi International. Mithilfe von City-Mesh-Wireless-Control-Plattformen wie dem Digi XBee Cellular 3G Global Modem lassen sich etwa Straßenlaternen über größere geographische Distanzen hinweg verbinden und verwalten.

Das Mobilfunkmodul Digi XBee Cellular 3G Global findet in Technologien Verwendung, die den Zugang zu Daten vereinfachen und beschleunigen. Sie stellen eine Möglichkeit für Entwickler dar, mobile HSPA/GSM-Konnektivität mit 2G-Fallback-Konnektivität in ihre Geräte zu integrieren. Digi XBee Cellular 3G Global Modems sind FCC/IC- und PTCRB-zertifiziert. Aufgrund des einheitlichen XBee-Formfaktors können Entwickler für ihre zu vernetzenden Produkte je nach Region und Anwendung zwischen dem Cellular-3G-Global- und einem Digi-4G-LTE-Modem wählen.

(tm)