Bei den IoT-LTE-Mobilfunkstandards NB1 und M1, auch unter den Begriffen NB-IoT (Narrowband-IoT) und LTE-M1 bekannt, handelt es sich um einfachere Versionen des normalen LTE (Long Term Evolution, 3.9G). Das heißt, sie nutzen ein weit geringeres Frequenzspektrum und verbrauchen dadurch sehr viel weniger Strom.

Mit einer Reichweite von mehreren Kilometern sowie einer hervorragenden Gebäudedurchdringung ermöglichen diese Standards völlig neue Applikationsfelder für das IoT. Die Technik eignet sich besonders für energieeffiziente Anwendungen, bei denen vereinzelt geringe Datenmengen zu übertragen sind. Denn bei LTE-M liegt der Down- und Uplink-Spitzenwert bei etwa 300 kbit/s bei einer maximalen Sendeleistung von 20/23 dBm; bei NB-IoT liegt dieser sogar nur bei rund 30/60 kbit/s bei der gleichen Sendeleistung.

LTE-Netze als Basis

Eck-Daten

Die LTE-Funkstandards NB1 und M1 nutzen ein weit geringeres Frequenzspektrum als andere Lösungen und sind daher auch weit weniger stromhungrig. Da beide Technologien auf LTE-Standards basieren, besteht die Möglichkeit, bereits bestehende LTE-Netze zu nutzen. Auch eine Datenübertragung aus schwer zugänglichen Orten stellt für beide Standards kein Problem dar. Der Beitrag von Rutronik gibt einen Einblick in die Grundlagen beider Funkstandards, erklärt typische Einsatzgebiete und stellt entsprechende Funkmodule und auch die Möglichkeit des Sendens von Daten ohne SIM im Detail vor.

Da beide Technologien auf den LTE-Standards basieren, lassen sich bereits bestehende LTE-Netze nutzen. Dies ist für die Unterkategorien ein entscheidender Vorteil, denn sie profitieren nicht nur von einer robusten und sicheren Datenübertragung, sondern der Netzausbau mit weltweitem Roaming lässt sich schnell und teilweise sogar mittels Software-Update durchführen. Die MNOs (Mobile Network Operators) organisieren die Frequenzen, dimensionieren die Einwahlknoten und bauen sie nach regionalen Bedürfnissen aus.

Schon heute ist die Netzabdeckung in den USA, Europa und Asien sehr gut, regional sogar meist besser als bei Long-Range-Versorgern. Das liegt auch daran, dass die Reichweite bei NB-IoT bis zu sieben Mal und bei LTE-M bis zu vier Mal weiter ist verglichen mit der Standard-LTE Reichweite.

Für schwer zugängliche Orte geeignet

Bild 1: Das Multimodus-Modul der nRF91-Familie von Nordic für LTE-NB1 und -M1 kommt mit einer ARM-Cortex-M33 MCU, Sensoren und Aktoren.

Bild 1: Das Multimodus-Modul der nRF91-Familie von Nordic für LTE-NB1 und -M1 kommt mit einer ARM-Cortex-M33 MCU. Rutronik

NB1 und M1 machen das 2G-Fallback überflüssig. Dank der höheren Reichweiten ist es nicht zwingend notwendig. Zudem lässt sich dadurch die Stromversorgung einfacher dimensionieren, da im Gegensatz zu GPRS keine Stromspitzen von 2 A abzufangen sind. Geringe Kosten der Module, der Außenbeschaltung, des Internetversorgers und die sorgenfreie Überall-Infrastruktur stechen alternative Long-Range-Technologien bei den meisten Anwendungsfällen klar aus.

NB-IoT und LTE-M sind speziell für das IoT geeignet, also überall dort, wo gelegentlich kleine Datenmengen auch aus schwer abzudeckenden Orten wie Kellern, Kanälen oder weiten Feldern übertragen werden sollen. Besonders für Sensoren, die regelmäßig geringe Datenmengen an eine Kontrollstation senden, ergeben sich viele Anwendungsmöglichkeiten. So ist beispielsweise im Smart-Metering-Bereich die Übertragung von Strom-, Wasser- und anderen Zählerdaten direkt an Versorgungsunternehmen möglich. Weitere Fokusbereiche sind Infrastruktur, Transport und Logistik, Land- und Forstwirtschaft, Wearables sowie Product-as-a-Service mit der vorausschauenden Wartung und Instandhaltung von Maschinen.

Dabei eignet sich das stromsparendste NB-IoT besser für Applikationen mit festem Standort, bei denen in der Regel kein Wechsel der Funkzellen während der Übertragung stattfindet, während LTE-M1 aufgrund der schnelleren Übertragungsrate die bessere Wahl für mobile Anwendungen ist.

nRF91: Sicher und NB-IoT-ready

Als Pionier der Ultra-Low-Power-Funktechnologien hat sich Nordic Semiconductor auch diesen Mobilfunkübertragungsarten verschrieben. Mit der nRF91-Familie bietet der Hersteller ein Multimodus-Modul für NB1 und M1. Das SiP (System in Package) kommt mit einem ARM-Cortex-M33-Mikrocontroller zur kundenspezifischen Programmierung der Anwendung, Sensoren und Aktoren (Bild 1). ARM-Trustzone und ARM-Cryptocell stellen sichere Speicherzugriffe sicher, während TLS und SSL die Ende-zu-Ende-Verschlüsselung der Datenübertragung gewährleisten. Die wiederbeschreibbare Flash-Speichertechnologie erlaubt zusammen mit der Möglichkeit für Over-the-Air-Updates (OTA) auch spätere Nachbesserungen an der Firmware, den Stacks und der Anwendung. Das Modul sucht selbstständig nach verfügbaren LTE-M- und NB-IoT-Netzen und schaltet zwischen diesen um.

Bild 2: Mit integriertem Assisted-GPS und in einem 10 × 16 × 1,2 mm³ kleinen Gehäuse verbaut, hat das Modul einen sehr geringen Platzbedarf auf der Leiterplatte.

Bild 2: Mit integriertem Assisted-GPS und in einem 10 × 16 × 1,2 mm³ kleinen Gehäuse verbaut, hat das Modul einen sehr geringen Platzbedarf auf der Leiterplatte. Rutronik

Mit integriertem Assisted-GPS oder ohne GPS-Einheit in einem nur 10 × 16 × 1,2 mm³ kleinen Gehäuse verbaut, hat das nRF91-SiP einen etwa vierfach kleineren Platzbedarf auf der Leiterplatte und ein etwa fünffach kleineres Volumen als andere LTE-M- und NB-IoT-Module und separate GNSS-Module (Bild 2). Weil der M33-Core in einem gewissen Rahmen richtiges Edge-Computing ermöglicht, lassen sich aus den gemessenen Daten im Feld bereits lokal Informationen generieren, die dann effizient über die Mobilfunkeinheit versendbar sind.  Dies optimiert die Gesamtenergiebilanz und hält den Online-Datenverbrauch gering. Das zugehörige nRF91-SDK (Software Development Kit) beinhaltet alle gängigen Stacks, wie MQTT, CoAP, http, LWM2M, IPv4, IPv6, DTLS, TLS und TCP.

Über 32 GPIOs lassen sich Sensoren, LEDs, Tasten oder Schaltrelais anschließen. Der Quarz, SAW-Filter und sämtliche passive Bauteile sind im SiP integriert – so fehlt nur noch eine 50-Ω-Single-Ended-Leitung als Antenne, um das Edge-Modul zu komplettieren.

Senden ohne SIM im LTE-Netz

Neue Entwicklungen im Connectivity-Bereich treiben NB-IoT und LTE-M weiter voran. Sollten bislang Daten über ein zellulares Netzwerk versendet oder empfangen werden, waren neben geeigneter Hardware auch ein SIM-Kartenhalter sowie eine physikalische SIM-Karte notwendig. Das bedeutet mehr Platzbedarf auf der Leiterplatte sowie eine größere BoM (Bill of Materials) – und damit auch höhere Kosten. Dazu kommt der manuelle Austausch der SIM-Karten bei einem Provider-Wechsel. Hier schaffen Embedded-SIM-Lösungen Abhilfe, beispielsweise iUICC (integrated Universal Integrated Circuit Card). Sie bieten den Vorteil, dass die SIM-Funktionen bereits auf dem Hardwaremodul integriert sind – das bedeutet weniger Platzbedarf, eine kleinere BoM und niedrigere Kosten, da sich Embedded-SIM-Lösungen aus der Ferne steuern und aktualisieren lassen.

Konkrete Embedded-SIM-Lösungen erhalten Kunden beim Rutronik-Partner Telit, einem Anbieter von zellularer Hardware, Connectivity- sowie Cloud-Lösungen, der seine 2G-Funk-Module unter der Bezeichnung Simwise anbietet. Perspektivisch sollen auch die LTE-M- und NB-IoT-Module mit Simwise ausgestattet sein, beispielsweise das ME910C1-LTE-M- und NB-IoT-Kombi-Modul.

Die IoT-Cloud-Plattform von Telit komplettiert die Simwise-Module. So entsteht eine individuell gestaltbare Cloud-Lösung mit Device-, Connectivity-, Daten- sowie System-Managementfunktionen.