2G und 3G sind auf dem Rückzug: Wählen Sie das richtige Protokoll für das IoT-Netzwerk aus

Während das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) immer mehr weiße Flecken erobert, verfeinern die Entwickler die nahezu allgegenwärtigen Funknetze für eine sichere, zuverlässige, weitreichende, energiesparende, drahtlose M2M-Kommunikation (Maschine zu Maschine). Die Wahl des Funknetzes ist dabei entscheidend. 2G- und 3G-Netzwerke haben in der Industrie gute Dienste geleistet, sind jetzt aber auf dem Rückzug. Die Entwickler müssen sich also bezüglich der M2M-Kommunikation auf 4G und LTE konzentrieren, wobei 5G bereits am Horizont erscheint.

Wi-Fi, Bluetooth und Zigbee haben sich für die M2M-Kommunikation über kurze Distanzen als nützlich erwiesen, aber die allgegenwärtigen Mobilfunknetze ermöglichen einen bequemen Zugriff auf das Internet mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Frequenzbänder lizenziert und die Netzanbieter für die Unterhaltung des Netzes zuständig sind. Auch sind bei IoT-Verbindungen selten Sprachübertragungen erforderlich. Daher reichen Übertragungsgeschwindigkeiten von weniger als 1 Mbit/s aus. Dies hat M2M-Schnittstellen mit niedriger Übertragungsgeschwindigkeit und niedrigem Energieverbrauch wie NB-IoT und LTE-M (Cat-M1) die Tür geöffnet. Mit ihnen wird Energie eingespart und die Laufzeit von Batterien verlängert.

In diesem Artikel wird der Rückzug der 2G- und 3G-Netze behandelt. Dann werden LTE-M und Narrowband-IoT (NB-IoT), die beiden kürzlich herausgekommenen Wireless-Schnittstellen für das IoT, besprochen. Danach werden einige LTE-M-Lösungen vorgestellt, mit denen die Entwickler schell ein IoT-Netzwerk an den Start bringen können.

Was geschieht mit 2G und 3G?

2G und 3G, noch vor zehn Jahren als Maß der Dinge in der Technik betrachtet, sind jetzt obsolet. Es gab sogar einmal ein 1G, aber es wurde allgemein als „analog“ bezeichnet und dümpelte mit einer Geschwindigkeit von nur 2,4 Kbit/s dahin. 2G war das erste Netz, das digitale Sprachübertragung beherrschte, aber keine Daten übertragen konnte – und bei einer Geschwindigkeit von 64 Kbit/s war die Sprachqualität enttäuschend. Die 2 Mbit/s von 3G machten die Sprachübertragung mit begrenzter Unterstützung für Datenübertragung möglich, die hauptsächlich für Textnachrichten (SMS) und das Browsen im Internet genutzt wurde.

4G brachte Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 Mbit/s. Damit war es das erste Netz, das in erster Linie für die mobile Datenkommunikation bestimmt war. Es wurde noch signifikant durch 4G Long Term Evolution (LTE), kurz als LTE bezeichnet, verbessert. LTE basiert auf dem Internet Protocol (IP). Jedes im Netz angemeldete Gerät erhält eine eigene IP-Adresse und es werden Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 500 Mbit/s für Mobilgeräte unterstützt.

Mit den Fortschritten der neuen Technologien und den ständig steigenden Anforderungen der Endbenutzer ist klar geworden, dass 2G und 3G die für die moderne Kommunikation erforderliche Datenübertragungsgeschwindigkeit und Sprachqualität einfach nicht unterstützen. 4G und LTE sind erheblich effizienter, bieten eine höhere Dichte, nutzen das verfügbare Spektrum besser und bieten höhere Geschwindigkeiten. Die Netzbetreiber würden die 2G- und 3G-Netze gerne abschalten und das Spektrum für 4G und in naher Zukunft auch für 5G umwidmen. Dies lohnt sich für die Netzbetreiber sowohl in finanzieller als auch in technischer Hinsicht. Das Ergebnis wäre eine größere Kundenzufriedenheit.

4G und NB-IoT für M2M-Daten

Da heute also 4G und LTE die Mobilfunkdatennetze der Wahl sind, wie ist es möglich, mit ihnen eine effiziente Datenübertragung für M2M zu erzielen? Die Effizienz hat hier einen direkten Bezug zur Stromaufnahme des M2M-Endpunkts bei einer Übertragungsgeschwindigkeit über eine gegebene Distanz. Für M2M sind selten Geschwindigkeiten von 100 Mbit/s erforderlich, daher wurden zunehmend Untermengen von LTE für Übertragungsraten, Reichweiten, Energieverbrauch, Nutzungsmuster für gelegentliche oder häufige Übertragungen optimiert.

NB-IoT ist eine Schnittstelle mit niedriger Übertragungsrate für einfache batteriebetriebene Geräte in M2M- und IoT-Netzwerken. Um die Netzwerkkommunikation noch weiter zu vereinfachen, ist es für die Verbindung und Kommunikation mit nur einem Funkmast ausgelegt. Es kann an vielen Stellen eingesetzt werden, an denen 4G vorhanden ist. Daher ist die Abdeckung hervorragend. Allerdings ist es mit manchen Netzen aus der Frühzeit von 4G inkompatibel. Es arbeitet nicht auf IP-Basis und ist daher nicht mit LTE-Netzen kompatibel. Es gibt bei 4G auch einige regionale Unterschiede, sodass NB-IoT möglicherweise nicht überall kompatibel ist. Damit ein 4G-Netz eine Kommunikation über NB-IoT erlaubt, ist eine Änderung der Hardware am Funkmast erforderlich.

Um den Energieverbrauch so gering wie möglich zu halten, legt der NB-IoT-Standard eine maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 50 Kbit/s für Downlink und Uplink fest. Für eine weitere Senkung des Energieverbrauchs sorgt die Tatsache, dass es sich um ein Halbduplex-Protokoll mit einer Latenzzeit von 10 Sekunden zwischen der Übertragung des letzten Datenpakts zum M2M-Endpunkt und dem Erhalt der Bestätigung handelt.

Da NB-IoT nicht für einen einfache Übergabe zwischen Funkmasten ausgelegt ist, eignet es sich in erster Linie für statische Endpunkte wie Verbrauchszähler und stationäre Sensoren in Gebieten mit einem starken Signal vom Funkmast. Wegen seiner relativ niedrigen Datenübertragungsraten sind „Firmware over the air“-Updates (FOTA) bei NB-IoT nicht effizient.

LTE-M für IP-basierte M2M-Daten

LTE-M wurde eingeführt, um bestimmte Mängel von NB-IoT zu beheben. LTE-M ist unter vielen anderen Bezeichnungen bekannt, darunter Cat-M1 (Category M1), Cat-M, LTE Cat M1, eMTC und LTE-MTC (Machine Type Communications).

LTE-M ist schneller als NB-IoT und ist für Uplink- und Downlink-Geschwindigkeiten von bis zu 1 Mbit/s spezifiziert. Es werden Voll- und Halbduplex-Übertragungen mit einer Latenzzeit von unter einer Sekunde unterstützt. Im Gegensatz zu NB-IoT ist das Protokoll IP-basiert und unterstützt die TCP/IP-Kommunikation. Es unterstützt die Übergänge zwischen Funkmasten und kann deswegen für mobile M2M-Endpunkte eingesetzt werden, solange diese innerhalb der Reichweite des LTE-Netzes liegen.

Während NB-IoT an fast allen Standorten mit 4G-Netz zum Laufen gebracht werden kann, funktioniert LTE-M also überall dort, wo ein 4G LTE-Netz verfügbar ist. Damit ein vorhandenes 4G-Netz die Kommunikation über LTE-M erlaubt, ist eine Änderung der Firmware am Funkmast erforderlich.

Trotz seiner höheren Leistung entspricht die Energieeffizienz von LTE-M etwa der von NB-IoT. Dies liegt daran, dass LTE-M-Endpunkte Stromsparmodi beherrschen, die es ihnen erlauben, den Energieverbrauch zu reduzieren, wenn sie keine Daten senden oder empfangen, ohne sich vom Mobilnetz abzumelden.

Wahl des richtigen Datennetzwerks für ein M2M-Projekt

Bei der Wahl eines geeigneten Datennetzwerks für eine M2M-Anwendung ist es wichtig, die Verfügbarkeit in der geographischen Region, in der sich der Standort der M2M befindet, zu berücksichtigen. Wenn LTE im Zielgebiet nicht verfügbar ist, stellen Sie fest, ob NB-IoT unterstützt wird. Wenn TCP/IP benötigt wird, wählen Sie LTE-M. Vergleichen Sie dann die Merkmale der einzelnen Standards mit den Anforderungen der Anwendung und ihrer Umgebung. Führen Sie vor der Wahl zusätzlich Feldtests durch.

Beachten Sie, dass für jede mit einem Mobilnetz verbundene Einheit eine SIM-Karte mit einem geeigneten Tarif von einem Mobilfunkanbieter benötigt wird. SIM-Karten und Mobilfunktarife für vernetzte IoT-Geräte können bei DigiKey erworben werden. Es sind Tarife von Verizon, AT&T, Vodafone und T-Mobile (weitere Tarife kommen im Laufe des Jahres 2019 hinzu) mit einem Datenvolumen von bis zu 5 GB/Monat verfügbar.

Digi International bietet ein breites Spektrum von Produkten für die IoT- und M2M-Kommunikation an, darunter die XBee®-Produktfamilie von Mobilfunkmodulen, die kaum größer als eine 50-Eurocent-Münze sind. Sie werden als Tochterplatinen mit branchenüblichen 10-Pin-Anschlüssen für die Durchkontaktierung geliefert.

Das XBee3-Mobilfunkmodem XB3-C-A2-UT-001 unterstützt LTE-M und ist für batteriebetriebene Kommunikationsanwendungen bestimmt (Abbildung 1). Das XBee3 hat einen Einschub für eine SIM-Karte und ist FCC-zertifiziert. Was den Netzbetreiber betrifft, so ist es für AT&T und Verizon zertifiziert und mit allen LTE-M-Netzen kompatibel.

Abbildung 1: Das Mobilfunkmodem XB3-C-A2-UT-001 XBee3 LTE-M von Digi ist nur etwas größer als eine 50-Eurocent-Münze und verfügt über einen Einschub für eine SIM-Karte. (Bildquelle: Digi International)

Das XBee3 kann mit der Programmiersprache MicroPython programmiert werden. Die 10-Pin-Standardanschlussklemmen unterstützen SPI, UART und USB-Steuerungsschnittstellen. Das Modem unterstützt auch Bluetooth Low Energy (BLE).

Für eine Standardreichweite von einigen Kilometern in der Nähe eines Funkmasts sind 3,3 oder 4,3 V erforderlich. Die maximal benötigte Stromstärke beim Senden mit Standardreichweite bei 4,3 V beträgt nur 550 Milliampere (mA) mit deaktiviertem Bluetooth und 620 mA mit aktiviertem Bluetooth. Das Modem zieht im Stromsparmodus Ruhemodus) 20 Mikroampere (µA).

LTE-M hat eine Reichweite von bis zu 50 km, aber für so große Reichweiten ist eine Stromversorgung mit 5.5 Volt erforderlich. Im Modus für große Reichweite mit 5,5 V zieht das Modem 800 mA mit deaktiviertem Bluetooth, 860 mA mit aktiviertem Bluetooth und 60 µA im Ruhemodus. Da alle Funksignale auf der XBee3-Tochterplatine verarbeitet werden, ist kein HF-Layout auf der Hauptplatine erforderlich. Allerdings empfiehlt sich für eine bessere Rauschunempfindlichkeit eine Masseebene auf der Hauplatine unter dem XBee3.

Zum Testen dieses Modems eignet sich das Entwicklungskit XK3-C-A2-UT-U XBee3 LTE-M von Digi (Abbildung 2). Das Kit enthält vollständige schrittweise Anweisungen zur Einführung in die M2M-Mobilfunk-Kommunikation mit LTE-M.

Abbildung 2: Das Entwicklungskit XK3-C-A2-UT-U XBee3 hat alles an Bord, was zum Experimentieren mit M2M-Endpunkt-Kommunikation mit LTE-M nötig ist. Das XBee3 selbst ist das Modul auf der Hauptplatine. (Bildquelle: Digi International)

Das XBee3 Modem-Entwicklungskit wird mit einem XBee3 LTE-M-Mobilfunkmodem und einer AT&T-SIM-Karte geliefert, die 6 Monate kostenlosen Mobilfunk-Service einschließt. Bevor Sie die Entwicklungsplatine und das XBee3 LTE-M-Modem einrichten, legen Sie die SIM-Karte in das XBee-Modem ein. Stecken Sie dann das XBee-Modem an die Klemmen der Entwicklungsplatine. Sobald das XBee3-Modem eingesteckt ist, schließen Sie die beiden Antennen vorsichtig an die beiden U.FL-Steckverbinder der Entwicklungsplatine an. Halten Sie den Steckverbinder der Antenne über den U.FL-Steckverbinder der XBee3-Platine und drücken Sie ihn vorsichtig mit dem Finger ein.

Der Steckverbinder schnappt hörbar ein, wenn er richtig sitzt. U.FL-Steckverbinder sind sehr empfindlich und nur für etwa ein Dutzend Steckvorgänge ausgelegt. Seien Sie also beim Stecken dieser Verbinder sehr vorsichtig.

Sobald die beiden Antennensteckverbinder fest sitzen, verbinden Sie das 12 V-Netzteil mit dem Netz und stecken Sie dann den Hohlstecker in die Entwicklungsplatine. Schließen Sie dann ein USB-Kabel mit der einen Seite an einen laufenden PC und mit der anderen Seite an die Entwicklungsplatine an. Der PC beginnt dann, den Treiber für die Platine zu installieren.

Die Entwicklungsplatine wird mit dem XBee Configuration and Test Utility (XCTU) von Digi geliefert, das unter Windows®, Mac und Linux läuft. Starten Sie XCTU, sobald die Installation des Treibers beendet ist. Folgen Sie den Schritt-für-Schritt-Anweisungen auf dem Bildschirm, um die Schnittstelle zwischen dem PC und der Entwicklungsplatine einzurichten und das XBee3-Modem zu konfigurieren. XCTU aktualisiert dann ggf. die XBee3-Firmware, bevor das Cloud-basierte Echo Server Demo ausgeführt wird.

Erstellen eines industriellen M2M-Netzwerks

Für industrielle Netze in Fabriken oder anderen Industrieanlagen kann eine Vielzahl von Protokollen verwendet werden. Dazu zählen Wi-Fi, LTE und sogar das ältere HSPA+ für Altsysteme. Die Produktlinie von LTE-Transport-Routern und -Gateways von Digi International sind für den rauen industriellen Einsatz bestimmt.

Transport-Router und -Gateways sind extrem schnell. Der TransPort WR44 von Digi International ist beispielsweise ein robuster Transport-Router mit zwei SIM-Einschüben und Unterstützung von Wi-Fi nach 802.11ac/a/b/g/n. Er unterstützt VPN-Verbindungen und verfügt über eine voll konfigurierbare Firewall. Als Gerät für den industriellen Einsatz hat er einen großen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C und ist so robust, dass er sich für den Einsatz für die Eisenbahn eignet. Im Gegensatz zu Heim-Routern wird dieser Router mit M12-Steckverbindern an das Internet angeschlossen.

Die 63xx-Serie von LTE-Transport-Routern und -Gateways von Digi International ist speziell für den Einsatz als IoT-Gateway bestimmt. Der ASN-6350-SR06-GLB ist ein Hochgeschwindigkeits-Router und LTE-Funkmodem mit LTE-M-Unterstützung (Abbildung 3). Er verfügt über zwei SIM-Karten-Einschübe und unterstützt 4G, LTE, 3G und HSPA. Er hat eine automatische Umschaltfunktion, mit der er zwischen verschiedenen Netzbetreibern wechseln kann.

Abbildung 3: Der LTE-Router mit Funkmodem 6350-SR06 von Digi verfügt über zwei Dipol-Antennen für Mobilfunkdaten und über zwei Dipol-Antennen für Wi-Fi nach 802.11b/g/n. (Bildquelle: Digi International)

Stellen Sie den Router an einem zentralen Standort ohne Metallhindernisse auf, die die Datenübertragung stören könnten. Da M2M- und IoT-Endpunkte oft nur kleine Antennen haben, ist die Wahl des Aufstellungsorts von Routern oder Gateways, die Verbindungen mit diesen Endpunkten herstellen müssen, wichtiger als bei Heimgeräten. Planen Sie das Netzwerk unter Berücksichtigung des Aufstellungsorts von Routern und Gateways und denken Sie nicht erst dann daran, wenn das Netzwerk fertig ist.

Der Router wird über eine Cloud-basierte Steuerkonsole oder über SMS an die Telefonnummer einer der SIM-Karten gesteuert.

Was ist mit 5G?

5G, das Mobilfunknetz der fünften Generation, ist eine Ansammlung von modernsten Technologien, die unter anderem eine umfangreiche Unterstützung von IoT und M2M mitbringt. Seine URLLC-Funktion (Ultra Reliable Low Latency Communications, Ultrazuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz) garantiert eine erfolgreiche Datenübertragung mit einer Latenz von 1 Millisekunde in 99,999 % der Fälle. Dies ist insbesondere für unternehmenskritische Anwendungen wichtig. 5G wird besonders wichtig für medizinische Sensoren sein, die eine ständige Kommunikation zwischen Patient und Arzt aufrechterhalten müssen, sowie für Anwendungen In Industrie und Verkehr.

Bei Mobilgeräten wird das verbesserte mobile Breitband (eMBB) von 5G Datenübertragungsraten von voraussichtlich 10 Gbit/s erreichen. Mit 5G können die Funkmasten Verbindungen mit bis zu 100 Mal so vielen Geräte wie mit 4G und LTE herstellen. Dies führt zu geringeren Kosten für Netzanbieter und zu einer zuverlässigeren M2M- und IoT-Vernetzung.

Fazit

NB-IoT über 4G und LTE-M über LTE für den IoT- und M2M-Einsatz kann sehr viel technisches Kauderwelsch enthalten. Es ist wichtig, vor dem Start eines IoT- oder M2M-Projekts die Unterschiede zwischen diesen Mobilfunknetzen zu kennen, damit die richtigen Komponenten gewählt werden können.

Mit einigen Grundkenntnissen und „Application-to-Core“-Entwicklungstechniken können sich die Entwickler dank der vielen verfügbaren Kits und Module für die LTE-M-IoT-Vernetzung schnell mit Netzwerken mit mehreren Netzbetreibern vertraut machen.