Zukunftsicheres Hardwaredesign für LTE und mobile Datennetze

Bild 1: Ein hohes Datenaufkommen ist jetzt die treibende Kraft für mobile Konnektivität und der Grund für die rasante Nachfrage nach LTE.U-Blox

Die digitale Mobilkommunikation entstand Ende der achtziger Jahre als Ableger der über hundertjährigen Festnetztelefonie. Der weltweite GSM-Standard konzentrierte sich zunächst auf die Sprachübertragung. Später kam ein Short Message Service (SMS) als nachrangige Zusatzfunktion hinzu und wurde zum ersten weltweiten mobilen Datendienst. Es mag überraschen, dass dieser erste mobile Datendienst im vergangenen Jahr weltweit einen Umsatz von rund 100 Milliarden Dollar erzielt hat.

Seitdem hat sich jedoch viel verändert. Sprach-Telefonie ist selbstverständlich geworden und wird in der Gesellschaft sogar durch verschiedene Internet-Datendienste wie Instant Messaging und soziale Netzwerke abgelöst. Heute findet Wachstum im großen Maßstab im Bereich der Multimedia-zentrierten Anwendungen und Dienste statt. Zu Zeiten von 3G hatten Mobilfunkbetreiber zunächst Mühe, Daten in bare Münze zu verwandeln. Heute erschließt der Wert von zuverlässigem mobilem Breitband hoher Qualität jedoch neue Umsatzmöglichkeiten. Daher forcieren Netzbetreiber die Einführung von 4G LTE, dem am schnellsten wachsenden Standard in der Geschichte der Telekommunikation (Bild 1).

LTE bietet Bandbreite und Servicequalität (QoS) auf bisher unerreichtem Niveau sowohl für mobile Geräte, mit denen Menschen untereinander kommunizieren, als auch für Anwendungen in der Kommunikation von Mensch zu Maschine beziehungsweise von Maschine zu Maschine. Erschwingliche Wireless-Konnektivität mit hoher Bandbreite, hoher Qualität und geringen Latenzzeiten schafft viele neue Geschäftsmöglichkeiten, die vor wenigen Jahren noch undenkbar waren.

Umsatzchancen für Mobilfunkbetreiber

Mobilfunkbetreiber haben von jeher einen harten Kampf um Zeittarife für die Sprachkommunikation geführt und Versuche mit nutzungsabhängigen Abrechnungsmodellen (Pay-per-use) für den Datenverkehr unternommen. Der Siegeszug des Mobiltelefons hat jedoch die durchschnittlichen Kundenumsätze im Rennen der Wettbewerber um Marktanteile gesenkt.

Datendienste boten zwar die Chance, den Negativtrend bei den Erlösen aus dem Sprachdienst umzukehren, aber Netzbetreiber versuchten, eine nutzungsabhängige Abrechnung der Datenübertragung zu etablieren und produzierten ihre eigenen markengeschützten Inhalte und Dienste (bekannt unter dem Begriff Walled Garden). Den wenigsten gelang es jedoch, die Verbraucher zu überzeugen. Als dann schnelle DSL- und Kabelnetzwerke zunehmende Verbreitung fanden, bewirkte dies einen spektakulären Anstieg des Internetverkehrs und der Internetanwendungen. Diese Multimedia-zentrierte Breitband-Internet-Erfahrung wurde innerhalb kurzer Zeit für Hunderte Millionen von Menschen in der technologisch entwickelten Welt zu einem wesentlichen Bestandteil des Alltags.

Bild 2: Zunahme des Internetverkehrs (2011 - 2016).Cisco

Mit der Einführung des Apple iPhone im Jahr 2007 kam das erste Mobiltelefon auf den Markt, das uneingeschränkten Internetzugang ermöglichte und so die mobile Internet-Revolution einläutete. Die erste iPhone-Generation unterstützte lediglich EDGE (mit 236 kBit/s), aber trotz der relativ niedrigen Bandbreite war es ein riesiger Erfolg, weil es vollen Web-Zugriff bot und somit den Walled-Garden-Ansatz der Mobilfunkbetreiber umging. Auf einmal schwenkten die Mobilfunkbetreiber auf Flatrate-Abos für den Datendienst um, und in Verbindung mit dem Aufkommen einer verwirrenden Vielzahl neuer Apps war dies der Beginn der Smartphone-Revolution.

LTE bewältigt hohes Datenaufkommen fürs Video-Streaming

Mehrere iPhone-Generationen später erwarten mobile Internetnutzer einen Internetzugang über eine direkte Verbindung oder über Hochgeschwindigkeits-Wi-Fi in derselben Qualität, wie sie es vom Festnetz gewohnt sind.

Bild 3: Ausbau des weltweiten LTE-Netzes.Gsma

Videos auf Youtube, IPTV, Netflix, Hulu und weiteren haben den größten Bandbreitenverbrauch gefolgt von File-Sharing mit Diensten wie Google Drive, Mediafire, Filestube und Rapidshare. Der übrige Datenverkehr, unter anderem durch Websurfen, VoIP und Online-Spiele, macht nur 20 % der gesamten Bandbreitennutzung aus, wie aus Bild 2 ersichtlich.

2G-Netze sind längst nicht mehr ausreichend und viele werden auf 4G umgerüstet. 3G-Netze haben mit protokolleigenen Beschränkungen zu kämpfen, und Mobilfunkbetreiber beeilen sich daher, 4G-LTE-Infrastruktur für Kunden mit hohem Bandbreitenbedarf einzuführen.

Hohe Bandbreite nur ein erster Vorteil von LTE

LTE bietet vier Hauptvorteile gegenüber früheren Technologien:

1. Von Grund auf für hohe Bandbreite mit bis zu 150 MBit/s im Download und 50 MBit/s im Upload auf einer Trägerfrequenz oder mit 300 MBit/s + 100 MBit/s in 2 × 20 MHz Aggregationsmodus konzipiert. Das reicht aus, um acht HDTV-Kanäle gleichzeitig zu übertragen – ein Bedarfsniveau, das in der Praxis selten vorkommt.

Bild 4: Weltweiter mobiler Datenverkehr.Cisco VNI Mobile 2015

2. Effiziente Aufteilung der Bruttobandbreite unter einer großen Zahl von Benutzern. Das ermöglicht eine kostengünstige Zuteilung des Datenverkehrs entsprechend den Anforderungen unterschiedlicher Endgeräte und die gleichzeitige Abwicklung des Datenverkehrs von Mensch zu Mensch mit hoher Bandbreite und Maschine zu Maschine-Verkehr mit niedriger Bandbreite.

3. Senkung der Betriebsausgaben (Opex) durch eine einfachere Netzwerkarchitektur und eine höhere spektrale Effizienz (doppelt so hoch wie bei HSPA und dreißigmal so hoch wie bei UMTS).

4. Echtzeit-Latenz ermöglicht Telekonferenzen, Video-Streaming und Spieleanwendungen. Garantierte Obergrenze für die Latenzzeiten, typischerweise etwa 10 ms, also unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle.

Im Zusammenspiel ermöglichen diese Attribute die Bereitstellung erschwinglicher mobiler Datendienste mit hoher Servicequalität und zufriedenstellendem Reaktionsverhalten, die Inhalts-zentrierte, interaktive Anwendungen wie Video-on-Demand, Social Media, Sprachkommunikation und Online-Spiele sowie Web- und Cloud-basierte Anwendungen unterstützen.

Mit LTE drahtlos auf die letzte Meile

LTE bietet Nutzern mobiler Geräte die gleiche Breitbanderfahrung, die sie von Kabel- und DSL-Anschlüssen gewohnt sind. Mit sinkenden Kosten werden LTE-Verbindungen auf der letzten Meile Kabel- und DSL-Anschlüsse über alte Kupfer-Telefonleitungen ersetzen. Dadurch wird eine nahezu ausschließlich drahtlose Umgebung an der Internet-Peripherie entstehen.

Bereits jetzt wird LTE in mobilen Routern eingesetzt, die Wi-Fi-Hotspots in öffentlichen Verkehrsmitteln, bei Veranstaltungen, in Stadtzentren, Wohngebäuden und an abgelegenen Orten bereitstellen, wo keine andere Kommunikationsnetzinfrastruktur vorhanden ist.

Mensch-zu-Mensch-Anwendungen

Ob unterwegs oder an einem festen Standort greifen Nutzer normalerweise auf ganz ähnliche Inhalte zu. Die Kombination mit Ortungsdaten ermöglicht allerdings neue Nutzungsmodelle wie eine standortbezogene Suche und Augmented Reality. LTE macht sich dafür ein genaues Positionierungssystem mit GPS/GNSS (oder einer anderen Technologie) zunutze und kann mobile Nutzer auf diese Weise mit einer ganzen Reihe visuell angereicherter, ortsbezogener Dienste versorgen. Dazu gehören Informationsdienste beim Einkaufen und auf Reisen sowie Multimedia-gestützte Navigation, die Nutzern eine Ansicht und Interaktion mit Reisezielen erlaubt, bevor sie dort eintreffen. Neue Anwendungen sozialer Medien werden ebenfalls entstehen, und diejenigen, die für den Austausch von Text und Fotos gedacht sind, werden in zunehmendem Maße Videos integrieren, wenn dieses Medium immer leichter verfügbar wird.

Cloud-Computing trifft mobiles Endgerät

Datenspeicherung und Anwendungen von Unternehmen und Verbrauchern migrieren zur Cloud. Beispiele reichen von Google Drive bis hin zu Salesforce und Gotomeeting.

Viele Anwendungen im Konsumgütersegment ermöglichen es Nutzern, miteinander zu kommunizieren und Datenspeicherung und -verarbeitung in die Cloud auszulagern. Die Server können Tausende von Kilometern entfernt sein. Daher kommt es vor allem auf schnellen Zugriff und geringe Verzögerungen (Latenzzeiten) bei Uploads und Downloads an, um eine als umgehend empfundene Reaktion zu erhalten. LTE ist das erste Mobilfunknetz, das in dieser Hinsicht die geforderte Leistungsfähigkeit aufweist. Cloud-Computing und LTE sind somit sich ergänzende Technologien, die für gegenseitige Akzeptanz auf dem Markt sorgen.

LTE und Maschine-zu-Maschine-Anwendungen

Bild 5: Prognosen zufolge wird bis 2020 die Zahl der drahtlos angebundenen M2M-Geräte die Zahl aller anderen Arten angeschlossener Geräte übersteigen.U-Blox

Im Gegensatz zu menschlicher Interaktion geht es bei der Maschinenkommunikation normalerweise um relativ niedrige Datenraten. Im Vordergrund stehen dabei vor allem ein niedriger Energieverbrauch und eine kostengünstige Installation. Aus diesem Grund werden neue LTE-Spezifikationen erstellt, um LTE für Machine Type Communications, das sogenannte LTE-MTC, zu ermöglichen. Bei dieser Konfiguration bietet die neue LTE-Spezifikation Kategorie 0 (Cat0) ein abgespecktes System mit Datenraten, die eher der herkömmlichen 2G-GSM-Technologie entsprechen, welche bislang für M2M-Anwendungen verwendet wurde. Die Spezifikation LTE Cat0 und die nächste Generation Cat00 werden jedoch langfristig leistungsfähiger, verbrauchsärmer und kostengünstiger sein und sich in die vorhandene LTE-Netzwerkinfrastruktur und das LTE-Spektrum der Netzbetreiber integrieren lassen.

Durch eine Kombination von Breitband-LTE und Schmalband-LTE-MTC ergeben sich bereits einige neue M2M-Anwendungsmöglichkeiten:

• Überwachung von Verkaufsautomaten und digitaler Werbebildschirme
• Verkaufsterminals im Einzelhandel mit Anzeige von Produkt-Demos und Live Helpdesks
• Drahtlose Fernüberwachungskameras
• Telemedizin-Systeme für Ferndiagnose und Gesundheitsversorgung aus der Ferne
• Multimedia-gestützte Werbe- und Informationsanzeigesysteme
• Gesichtserkennungssysteme für den Zivilschutz
• Wireless-Router für Infotainmentsysteme in Fahrzeugen
• Selbsttätig navigierende, mit Videokamera ausgerüstete Mini-Drohnen für die Sicherheits-, Verkehrs-, Unfall- und Brandüberwachung sowie die Beobachtung und Lenkung von Menschenmengen

Die bei LTE garantierten geringen Latenzzeiten sind besonders für zeitkritische Anwendungen interessant, beispielsweise in den Bereichen Industriesteuerung, Fahrzeugsicherheit, Verkehrsüberwachung und Finanzwirtschaft, denn Industrieroboter und automatisierte Finanztransaktionen erfordern Reaktionen innerhalb von Sekundenbruchteilen. Bald werden LTE-Geräte die menschlichen Nutzer zahlenmäßig überholen.

Es werden keinerlei Kabel benötigt, was die sofortige und einfache Einrichtung eines Unternehmensnetzwerks mit hoher Bandbreite und seine Verwaltung aus der Ferne ermöglicht, und das praktisch ohne Hardware-Konfiguration und zu erheblich gesenkten IT-Kosten.

Bei all diesen neuen Kapazitäten und den faszinierenden Möglichkeiten, die sich dadurch eröffnen, wird der Datenverkehr, wie bei jedem bisherigen mobilen Standard einer neuen Mobilfunkgeneration, zunehmen und die gesamte verfügbare LTE-Bandbreite ausschöpfen. Jedoch ist mit den zahlreichen neuen Techniken, die erforscht werden, wie Carrier-Aggregation, Mehrantennentechnik MIMO und Strahlformung dieser Zeitpunkt, soweit erkennbar, zum Glück noch nicht erreicht.

Zukunftssichere Konnektivität

LTE wird langfristig die Zukunft aller Mobilfunknetze sein, während die 2G- und 3G-Netze allmählich auslaufen. Viele M2M-Betreiber betrachten LTE schon jetzt als einzige Wahl für langfristig angelegte Dienste, und laut Fierce Wireless gab es im Dezember 2014 bereits 497 Millionen LTE-Teilnehmer.

Bild 6: Nested Design von U-Blox: Layout-kompatible Modulreihen SARA (2G), LISA (3G) und TOBY (4G).U-Blox

Bei großräumig verteilten und in abgelegenen Gebieten installierten Systemen ist die Nachrüstung Hunderter wenn nicht Tausender dezentraler Geräte mit hohen Kosten verbunden. Daher dürfte es sinnvoll sein, die Technologie der Zukunft bereits jetzt in das Design einfließen zu lassen. Das bedeutet, entweder von vornherein LTE-Modems vorzusehen oder zumindest für ein zukunftssicheres Hardware-Design zu sorgen, um die Kosten späterer Modem-Upgrades so gering wie möglich zu halten.

Als führender Hersteller von Mobilfunkmodems löst U-Blox die Frage der Zukunftssicherheit mit ihrem Angebot auf Platinen montierter Modems nach dem Nested-Design-Konzept. Das bedeutet, dass Module der 2G-, 3G- und 4G-Mobilfunkmodems alle auf derselben Leiterplattenfläche untergebracht werden können. Kunden müssen nicht jedes Mal, wenn U-Blox eine verbesserte Version ihrer Module auf den Markt bringt, ihr Platinen-Design ändern.

Zusätzlich bietet U-blox eine Reihe von steckbaren Modulen in den beiden Formfaktoren Mini-PCle und dem neueren PCle-M.2.

Darüber hinaus stellen portfolioweite Standard-APIs Upgrades und Evolution mit minimalem Aufwand sicher.

Bild 7: Module der Reihe TOBY-L2 ermöglichen es Produktherstellern, zuverlässige LTE-Konnektivität rasch zu ergänzen.U-Blox

Was von den neuesten 4G LTE-Modemmodulen zu erwarten ist

Die TOBY-L2-Familie ist die neueste Reihe von LTE-Datenmodems von U-Blox, die für Cat.4-Betrieb konzipiert ist. Die oberflächenmontierten Module im LGA-Format, von denen es mehrere Varianten gibt, sind 24,8 mm × 35,6 mm × 2,8 mm groß. Dadurch sind sie auch bei begrenztem Platzangebot sehr leicht zu installieren. Je nach ausgewählter Version können sie in den meisten großen LTE-Netzwerken Nordamerikas, Europas und Asiens und einigen in Südamerika eingesetzt werden.

Zusammenfassung

Die rasche Implementierung von LTE-Infrastruktur hat den Grundstein für die nächste Revolution in mobiler Konnektivität gelegt. Dank der leichten Verfügbarkeit kleiner, wirtschaftlicher, netzwerkzertifizierter Modem-Module ist es einfacher denn je, mehrere Geräte mit dem Internet zu verbinden und die Vorteile der jetzt vorhandenen geringen Latenzzeiten und hohen Bandbreite auszuschöpfen, auch wenn man in der ganzen Welt unterwegs ist. Neue Produkte und Services kommen auf den Markt, die Verbrauchern, Unternehmen und öffentlichen Einrichtungen greifbare Vorteile bieten, während 4G zur Norm wird und 5G eine noch spannendere vernetzte Zukunft verspricht.

(jwa)