Bild 3: Globale Mobilfunkmodule (im Bild das Sara-R412M von Ublox) sind im besten Fall für eine Reihe von Netzbetreibern vorzertifiziert in einer einzigen Software-Version.

Bild 3: Globale Mobilfunkmodule (im Bild das Sara-R412M von U-blox) sind im besten Fall für eine Reihe von Netzbetreibern vorzertifiziert in einer einzigen Software-Version. (Bild: U-blox)

| von Patty Felts

Globale Technologien für die Mobilfunkkommunikation entwickeln sich weiter, und es kommen immer neue hinzu. Das gilt auch für die LPWAN-Technologien (Low-Power-Wide-Area Network), die auf die Anforderungen des IoT (Internet of Things) zugeschnitten sind. Mit einer Hardware, die in Bezug auf Stromverbrauch, Abdeckung, Kosten und Zuverlässigkeit zu Lasten des Datendurchsatzes und der Latenz optimiert ist, positionieren sich LPWAN-Mobilfunktechnologien als starke Konkurrenten zu proprietären Technologien, die in ganz unterschiedlichen, vorwiegend professionellen und kommerziellen Anwendungsfällen zum Einsatz kommen. Da LPWAN-Mobilfunktechnologien von garantierter Servicequalität profitieren, werden sie die Konnektivität vermutlich auf ganz neue Märkte ausweiten und die Reichweite und den Einfluss des IoT ausbauen.

Zuverlässiges LPWAN

Bild 1: Die Vorteile der LPWAN-Mobilfunktechnologien im Überblick: unter anderem sorgt die 3GPP-Standardisierung für eine vereinfachte Hardware-Zertifizierung.

Bild 1: Die Vorteile der LPWAN-Mobilfunktechnologien im Überblick: unter anderem sorgt die 3GPP-Standardisierung für eine vereinfachte Hardware-Zertifizierung. U-blox

Die LPWAN-Mobilfunktechnologien – LTE-M und NB-IoT – bieten mehrere Vorteile gegenüber den proprietären Technologien wie Sigfox, Lora-WAN, RPMA und anderen (Bild 1). Sie setzen auf lizenzierten Teilen des Mobilfunkkommunikationsspektrums auf, wodurch sichergestellt ist, dass die Kommunikation auch bei starker Frequentierung nicht gestört wird. Standardisiert sind sie durch das 3GPP, was die Hardware-Zertifizierung in bedeutenden Märkten vereinfacht. Außerdem setzen sie auf der weltweit bereits vorhandenen Infrastruktur der Mobilfunknetze auf, sodass der Betrieb häufig nach nur einem geringfügigen Software-Upgrade starten kann. Dadurch sind LPWAN-Mobilfunktechnologien extrem zuverlässig, sicher und vergleichsweise leicht zu implementieren und zu unterhalten.

LPWAN-Mobilfunktechnologien bieten zwar die unkomplizierteste Kommunikationslösung für weltweite IoT-Anwendungen, jedoch sehen sich Gerätehersteller schnell mit einer stark zersplitterten technologischen, kommerziellen und regulatorischen Landschaft konfrontiert. Durch die wichtigsten Netzwerkbetreiber wurde LTE-M unter anderem in den USA und Mexiko landesweit implementiert. Demgegenüber bevorzugen Asien, einschließlich China, sowie Europa NB-IoT.  Die Branche steht an einem Wendepunkt: Laut der GSMA wird es im Zuge des Ausbaus von IoT-Netzwerken aktuell wahrscheinlich sehr viel mehr Netzwerkeinführungen geben.

 

Welche Funktechnologien zur Auswahl stehen und warum Flexibilität beim Design ausschlaggebend ist, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Geeignete Technologie wählen

Eck-Daten

Die Entwicklung von langfristig erfolgreichen LPWAN-Lösungen erfordert Flexibilität und die Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie die optimale Auswahl von Kommunikationsprotokollen und Energieanforderungen. Bei der derzeit rasanten technologischen Entwicklung kann die Möglichkeit, die optimale Technologie und den Anbieter jederzeit zu wählen, zu einer kostenoptimalen hohen Leistungsfähigkeit beitragen. U-blox gibt im Beitrag einen Überblick über die Vor- und Nachteile der einzelnen Mobilfunktechnologien und zeigt, wie sich mit den jüngsten IoT-Optimierungen durch 3GPP-Mobilfunk langfristige und energiesparende Lösungen realisieren lassen.

Während LPWAN-Netzwerke rund um den Globus ihren Betrieb aufnehmen, ist für die Produktentwickler die Abdeckung bei der Wahl der Kommunikationstechnologie weiterhin ein ausschlaggebendes Kriterium. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale der einzelnen Technologien sind Reaktionsschnelligkeit, Reichweite, Sprachunterstützung, Datenraten, Mobilität und Batterielaufzeit.

Mit Sprachunterstützung, vollständigem Handover von einer Netzwerkzelle in die nächste und einer Latenz im Sekunden- bis Millisekundenbereich, jedoch ohne FOTA-Fähigkeit und tiefer Durchdringung, erfüllt 2G die Anforderungen in Anwendungsbereichen wie Flottenmanagement, Tracking-Systeme und Verbrauchszähler von Versorgungsunternehmen. Dem attraktiven Preis einerseits stehen der relativ niedrige Datendurchsatz und das zukünftige Abschalten der Technologie andererseits gegenüber.

Basierend auf LTE-Technologie liefert LTE-M Mobilfunkkonnektivität mit geringen Latenzzeiten, erweiterter Reichweite, auch in Kellergeschossen, und Unterstützung von Sprachkommunikation sowie höheren Datenübertragungsraten. Damit ist LTE-M ideal geeignet für eine Vielzahl von Anwendungen, etwa in Smart Buildings und Smart Cities, sowie in den Bereichen Konsumgüter, Connected Health sowie Fahrzeug- und Güterlokalisierung.

NB-IoT ist vollständig auf die M2M-Kommunikation ausgerichtet. Den niedrigen Datenraten und der hohen Latenz stehen als Pluspunkte seine Durchdringung bis tief unter die Erde und eine Batterielaufzeit von mehr als zehn Jahren gegenüber. Damit ist sie die Technologie der Wahl für stationäre Anwendungen, bei denen ein niedriger Energieverbrauch gefragt ist. Das können Zähler von Versorgungsunternehmen, Anwendungen für Smart Cities und andere Anwendungen mit extrem geringem Stromverbrauch sein, die sich die meiste Zeit im Schlafmodus befinden und lediglich in großen Abständen aktiviert werden, um kleine Datenpakete zu senden.

Vorsprung durch Flexibilität

Bild 2: Die Anwendungsbereiche für LPWA sind vielfältig. Für Entwickler stellt jedoch die Verfügbarkeit und Anwendbarkeit der Technologien in bestimmten Regionen ein Problem dar.

Bild 2: Die Anwendungsbereiche für LPWA sind vielfältig. Für Entwickler stellt jedoch die Verfügbarkeit und Anwendbarkeit der Technologien in bestimmten Regionen ein Problem dar. U-blox

Verfügbarkeit und Anwendbarkeit dieser drei Technologien gegeneinander abzuwägen (Bild 2), stellt für Gerätehersteller ein Problem dar, wenn sie eine Anwendung für Regionen entwickeln, in denen eine Abdeckung mit der optimal angepassten Technologie fehlt. Sollten sie bis zur Einführung der Technologie warten, bevor sie ihre Lösung vorstellen? Oder sollten sie stattdessen eine erste Produktversion liefern, die eine suboptimale Kommunikationstechnologie verwendet, um sich ihren Platz am Markt zu sichern?

Entwickler haben dann einen Wettbewerbsvorsprung gegenüber denjenigen, die ihre Kunden auf eine einzige Technologie festlegen, wenn sie für eine gewisse technologische Flexibilität ihrer Produkte sorgen. Dies geschieht, wenn sie die Option geben, auf die optimale Technologie umzustellen, sobald diese verfügbar ist. Entscheidender ist dies noch bei globalen Anwendungen, die in den unterschiedlichsten Umgebungen zum Einsatz kommen und sich selbst aktualisieren müssen.

Langlebigkeit von Geräten

Um in globalen Anwendungen erfolgreich zu sein, müssen Geräte sicher, auf dem aktuellen Stand und vielseitig verwendbar sein. LWM2M (Light Weight Machine to Machine) entwickelt sich gerade zum De-facto-Standard für Remote Device Management. Der von der Open Mobile Alliance freigegebene LWM2M-Standard wurde entwickelt, um Sensornetzwerke aus der Ferne drahtlos zu steuern, von der Ausführung von Firmware-Updates über Sicherheitspatches bis hin zur Aktualisierung von Treibern und der Änderung der Gerätekonfiguration bei zahlreichen Geräten und ohne physischen Eingriff. LWM2M ist optimiert für Geräte mit eingeschränktem Stromverbrauch und niedrigen Datenraten. Es ist daher ideal geeignet für LTE-M und NB-IoT-Geräte, die auf einen Betrieb von fünf bis über zehn Jahren ausgelegt sind.

Mit LWM2M können Benutzer LPWAN-Geräte effizient verwalten, indem sie mit Device Management Objects interagieren. Dabei handelt es sich um Datenstrukturen, die logisch gruppierte Werte enthalten. Sie sind im Gerät gespeichert, um Standard- oder kundenspezifische Funktionen auszuführen wie etwa Beobachten, Benachrichtigen, Steuern, einen Befehl ausführen oder eine Aktion auslösen. So lassen sich an Leihfahrrädern montierte Tracking-Geräte abfragen, um verlorene Fahrräder aufzufinden. Alarmsysteme lassen sich so konfigurieren, dass Türen und Fenster eines Wohnhauses überwacht werden und eine Benachrichtigung bei Öffnung eines Fensters versendet wird. Auch Vorrichtungen wie Klimageräte für zuhause lassen sich per Fernzugriff ein- und ausschalten.

 

Auf der folgenden Seite beschreibt der Artikel, welchen Herausforderungen sich wirklich globale Mobilfunkmodule stellen müssen und welche Vorteile sie Produktentwicklern bieten.

Eine Welt, ein Modul

Das LTE-Spektrum ist in Dutzenden von Frequenzbändern stark fragmentiert, sodass Gerätehersteller weltweit mehrere Varianten verwalten müssen. Dies mag aus regionaler Sicht eine Möglichkeit sein, die Netzwerkfragmentierung zu handhaben. Als weltweite Lösung ist sie jedoch nicht praktikabel, denn dazu muss für die Übertragung gesammelter Daten, für das Remote Management und für Sicherheits-Updates überall Konnektivität vorhanden sein.

Bild 3: Globale Mobilfunkmodule (im Bild das Sara-R412M von Ublox) sind im besten Fall für eine Reihe von Netzbetreibern vorzertifiziert in einer einzigen Software-Version.

Bild 3: Globale Mobilfunkmodule (im Bild das Sara-R412M von U-blox) sind im besten Fall für eine Reihe von Netzbetreibern vorzertifiziert in einer einzigen Software-Version. U-blox

Dieser Herausforderung sollen sich wirklich globale Mobilfunkmodule wie beispielsweise das Sara-R412M von U-blox stellen (Bild 3). Sie ermöglichen es Produktentwicklern, die Konfiguration auf die Stunde Null zu legen, LTE-Bänder zu aktivieren oder zu deaktivieren, neue Mobilfunknetzbetreiber-Profile ohne Änderung der Host-Software hinzuzufügen, die Funkzugangstechnologie zu wählen und das Gerät laufend nach FOTA-/LWM2M-Standard zu aktualisieren. Im besten Fall sind sie vorzertifiziert für eine ganze Reihe von Mobilfunknetzbetreibern in einer einzigen Software-Version.

MQTT (über TCP) und CoAP (über UDP)

Zwei Anwendungsschichtprotokolle setzen sich aktuell bei LPWAN-Applikationen durch: Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), das auf dem TCP/IP-Protokoll aufsetzt, und das Constrained Application Protocol (CoAP), das auf dem UDP/IP-Protokoll aufsetzt. Die Auswahl des Anwendungsschichtprotokolls wird dabei weitgehend von der Wahl eines Transportschichtprotokolls diktiert.

Das Transmission Control Protocol (TCP) bietet ein gewisses Maß an Kontrolle. Es stellt eine erfolgreiche Verbindung zum Empfänger sicher, sorgt für eine zuverlässige Datenübermittlung in der richtigen Reihenfolge, beinhaltet die Fehlererkennung und -korrektur und gewährleistet eine einwandfreie Trennung. Der Preis für diese erhöhte Zuverlässigkeit, die eine Voraussetzung für viele Anwendungen ist, ist ein relativ hohes Datenvolumen, das zwischen Client und Server ausgetauscht wird (im Vergleich zu UDP), und ein entsprechend hoher Stromverbrauch.

Das User Datagram Protocol (UDP) ist demgegenüber sowohl verbindungs- also auch zustandslos. Das bedeutet, dass Datenpakete einfach an den Empfänger gesendet werden, ohne dass vorher eine Verbindung aufgebaut und der erfolgreiche Datenempfang sichergestellt wird. Es gibt keine Garantie, dass alle Pakete zugestellt werden, keine Möglichkeit, verlorene Pakete wieder herzustellen und Duplikate zu erkennen. Dafür reduziert UDP jedoch den Daten-Overhead auf ein Minimum und sorgt so für Einsparungen bei der Datenübertragung und beim Stromverbrauch.

Non-IP Data Delivery

Um die Entwicklung des Internet of Things und die geringen Datenmengen seiner Anwendungen zu unterstützen, hat der 3GPP Release 13 im Rahmen der CIoT-EPS-Optimierungen mehrere neue Verfahren für den Datenverkehr zwischen dem Anwendergerät und einem Anwendungsserver eingeführt. Eins davon ist die Non-IP Data Delivery (NIDD), die die direkte Übertragung geringer Datenmengen über die Steuerebene mittels sicherer Server-APIs statt eines IP-Internet-Protokolls ermöglicht. Da Daten direkt auf dem Signaling Radio Bearer gesendet werden, entfällt die Notwendigkeit, einen Data Radio Bearer einzurichten. Das spart Overhead ein. Somit ist dieser Ansatz ideal für typische NB-IoT-Anwendungen, die sporadisch kleine Datenpakete übertragen.

Patty Felts

Principal Product Manager und Product Strategy Celllular bei U-blox Americas

(na)

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