Die Mobilfunk-Branche vermittelt gerne den Eindruck, dass technische Fortschritte nur in größeren Zeitabständen erfolgen, dafür aber enorm große Sprünge vollziehen. Dies spiegelt sich in der verwendeten Terminologie wider – nach 2G kamen 3G und 4G sowie mittlerweile 5G. Jede neue Stufe wird dabei als eine neue „Generation“ angesehen, woraus sich schließen ließe, jede neue Iteration der Mobilfunk-Netze sei vollkommen neu und mit ihrem Erscheinen gehöre die vorige Generation zum alten Eisen.

Bild 1. Die wichtigste Entwicklung bei den Mobilfunk-Netzen war die Einführung der Schmalband-Technik.

Bild 1. Die wichtigste Entwicklung bei den Mobilfunk-Netzen war die Einführung der Schmalband-Technik. Future Electronics

Bezüglich des Marketings funktioniert dies hervorragend, denn so lässt sich aus jeder neuen Generation ein Hype entwickeln, der den Absatz neuer Mobiltelefone und der für sie erforderlichen Infrastruktur ankurbelt.

Wie hilfreich ist diese Sichtweise aber für die Entwickler von IoT-Equipment, das per Mobilfunk mit der Cloud verbunden werden soll? Wie sehr beeinflusst außerdem der Start der nächsten Generation von 5G-Anlagen schon heute die Hersteller von Embedded-Geräten, die in vielen Fällen noch auf 2G-, 3G- oder 4G-Netze setzen, um ihre Produkte mit dem Internet zu verbinden?

Evolution statt Revolution

Es steht außer Zweifel, dass die Einführung der 5G-Technik einschneidende Folgewirkungen für die Hersteller von IoT-Geräten hat, denn schließlich wurde die 5G-Technik zu einem Teil genau für den Zweck entwickelt, die Vision der allgegenwärtigen Netzanbindung zu verwirklichen. Zum Beispiel prognostizieren Technologieplaner im Bereich der Smart-City-Lösungen, dass es eine hohe Konzentration von Millionen von IoT-Geräten geben wird – unterstützt durch Tausende von Mikro-Basisstationen. Gerade die 5G-Technik aber macht es möglich, dass Tausende von Geräten über ein und dieselbe, gemeinsam genutzte Basisstation Zugang zum Internet erhalten. Insofern stellt die Smart-City-Technologie, in der jede Straßenleuchte, jede Verkehrsampel, jedes Werbedisplay, jede Bus- oder Straßenbahnhaltestelle und jede E-Ladestation über eine eigene Internetanbindung verfügen, einen idealen Anwendungsfall für die 5G-Technik dar. Für die Hersteller von IoT-Geräten prägt diese Vision einer massenweisen Cloud-Anbindung die Programme zur Entwicklung künftiger Produkte.

Bild 2: Anwendungen der drei Hauptvarianten der 5G-Technik.

Bild 2: Anwendungen der drei Hauptvarianten der 5G-Technik. Future Electronics

Wichtig ist es, sich nicht von den Marketing-Tricks der Mobilfunk-Industrie in die Irre führen zu lassen, denn in Wirklichkeit entwickelt sich die Mobilfunk-Technik nicht in wenigen Generationssprüngen weiter, sondern in einer größeren Zahl kleinerer Entwicklungsschritte, in denen nach und nach neue Features und Fähigkeiten eingeführt, erprobt und verfeinert werden und schließlich Eingang in künftige Iterationen finden.

Zum Beispiel sind komplexe Antennendesigns, die unter dem Kürzel MIMO (Multiple In, Multiple Out) bekannt sind, schon ein Merkmal der jüngsten Generation der zur vierten Generation (4G) zählenden LTE-Netze (Long Term Evolution), aber erst in der 5G-Infrastruktur können sie ihre Stärken richtig ausspielen.

Für die Designer von IoT-Geräten ist die deutliche, wirklich signifikante Änderung nicht der Umstieg von 4G auf 5G, sondern ein Schritt, der bereits hinter uns liegt. Gemeint ist die am 4G-Knoten vollzogene Aufspaltung zwischen mobiler Breitband- und mobiler Schmalband-Vernetzung (siehe Bild 1).

Wie die Abbildung verdeutlicht, kam es am 4G-Knoten zu einer plötzlichen Verzweigung: Ab hier war es Maschinen mit geringem Datenaufkommen und der Forderung nach niedrigem Stromverbrauch nicht mehr möglich, dieselben Netzwerksysteme zu nutzen wie Consumer-Mobiltelefone, die nach mobiler Bandbreitefähigkeit verlangen und über eine große Batteriekapazität verfügen. Aus Bild 1 geht ebenfalls hervor, dass die 5G-Schmalbandtechnik eine logische Weiterentwicklung früherer Schmalbandsysteme wie Cat-M1 und NB-IoT ist.

Unterstützung von 5G für IoT-Anwendungen

Wie aktiv müssen sich also die Designer von IoT-Geräten dafür rüsten, mit ihren Produkten die Fähigkeiten der 5G-Technik zu nutzen? Tatsächlich hat in größeren Städten auf der ganzen Welt bereits die Einrichtung von 5G-Netzen begonnen. Die Architektur der 5G-Vernetzung sieht dabei drei Haupt-Anwenderkategorien vor (Bild 2):

  • eMBB (enhanced Mobile Broadband) unterstützt sehr hohe Datenübertragungsraten, damit beispielsweise Konsumenten auf ihren Endgeräten Inhalte in HD- oder UHD-Qualität ansehen können.
  • uRLLC (ultra-Reliable and Low-Latency Communications) bietet deterministische Datentransfers mit geringer Latenz für sicherheitskritische und hochzuverlässige Anwendungen wie etwa autonome Fahrzeuge und die Vehicle-to-Vehicle-Kommunikation.
  • mMTC (massive Machine-Type Communications) ist jene 5G-Spielart, die eine sehr hohe Dichte von IoT-Geräten, nämlich bis zu einer Million vernetzter Geräte auf einer Fläche von nur 1 km² unterstützt.

Für Geräte, die derzeit noch per LPWAN (Low Power Wide Area Networking), also beispielsweise per CATM oder NB2 angebunden sind, bietet das mMTC-Element der 5G-Netze die benötigte Kombination aus stromsparendem Betrieb und zuverlässiger Anbindung.

Bild 3: Die drei Spielarten der 5G-Technik zeichnen sich durch gegensätzliche und einander ergänzende Merkmale aus.

Bild 3: Die drei Spielarten der 5G-Technik zeichnen sich durch gegensätzliche und einander ergänzende Merkmale aus. Future Electronics

Schon jetzt werden Merkmale der neuen 5G-Technik in Bauteile eingeführt, die für die Verwendung in derzeit entwickelten Embedded-Produkten vorgesehen sind. Bereits Anfang 2020 waren beispielsweise neue HF-ICs verfügbar, die dank der Implementierung neuer Features wie Power Saving Mode (PSM) und extended Discontinued Reception (eDRX), die zentrale Elemente der mMTC-Spezifikation von 5G sind, sowohl eine verbesserte Konnektivität als auch einen geringeren Stromverbrauch bieten.

Welche Variante der 5G-Technik in einem Embedded-Gerät genutzt wird, richtet sich natürlich ausschließlich nach dem Anwendungsfall. Bei der Wahl der passenden 5G-Technik für ein IoT-System sollten daher die in Bild 3 aufgeführten, sieben wichtigen Kriterien Berücksichtigung finden.

Wie das Diagramm deutlich macht, kann mMTC in Sachen Batterielebensdauer und Verbindungsdichte, nicht aber bezüglich der Mobilität punkten. IoT-Geräte, die beispielsweise im mobilen Asset Tracking zum Einsatz kommen, sind daher oftmals besser mit einer anderen 5G-Technik, wie etwa uRLLC, bedient, auch wenn dabei ein höherer Stromverbrauch in Kauf zu nehmen ist.

Roadmap für die Anbieter von 5G-Komponenten

Die Mobilfunk-Technik ist ein Umfeld, das sich in kommerzieller wie in technischer Hinsicht durch große Dynamik auszeichnet. Dennoch gibt es für die Hersteller von Embedded-Geräten einen klar vorgezeichneten Weg, die schmalbandigen und stromsparenden Eigenschaften der 4G-Technik in das 5G-Zeitalter zu übertragen. Gleichzeitig wird der industrielle Markt von den uRLLC- und mMTC-Varianten von 5G profitieren, um neue Konnektivitäts-Anwendungen in der Fabrikautomation und im Bereich Industrie 4.0 zu ermöglichen.

Parallel dazu werden die stromsparenden Eigenschaften der 5G-Modems längere Batterielebensdauern und kürzere Zeiten für den Auf- und Abbau der Netzwerkverbindung gestatten, sodass Geräte die Möglichkeit haben, zum Übertragen von Informationen hochzufahren, die Verbindung nach dem Datentransfer sofort zu trennen und in den Sleep-Modus zurückzukehren.

Aus der Sicht der Komponenten-Zulieferer ist die kurzfristige Netzwerkabdeckung etwas unklar, weshalb sie auf die Entwicklung von Kombi-Modems setzen, die CATM, NB und 2G als Rückfallebene unterstützen. Auf diese Weise lassen sich die Entwicklungsrisiken für Projekte, die in naher Zukunft auf den Markt kommen sollen, minimieren.

Die 5G-Netze und das 5G-Ökosystem werden jedoch in den nächsten Jahren sowohl für das IoT als auch für den mobilen Breitband-Betrieb stark expandieren, sodass die Entwickler von Embedded-Geräten dafür gerüstet sein sollten, umgehend davon zu profitieren.

Darüber hinaus kann Future Electronics die Entwickler auf ihrem Weg zur 5G-Technik unterstützen. Zu diesem Zweck bietet das Unternehmen bereits heute 5G-bereite LPWAN-Produkte und Module von Herstellern wie Gemalto (einem Unternehmen der Thales Group), Fibocom, Murata und Renesas an. Future Electronics unterstützt den Entwickler und Anwender auch bei der Umstellung auf 5G überdies mit fachkundiger technischer Beratung durch die Spezialisten von Future Connectivity Solutions in Paris.