Die Zukunft von Modulen für drahtlose Verbindungen

Die Technologien für drahtlose Verbindungen befinden sich in einem grundlegenden Veränderungsprozess. Der Mobilfunkmarkt bewegt sich von 3G zu LTE, LTE Advanced und LTE Advanced Pro, um die Datenraten zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken, und beobachtet gleichzeitig die nächste Generation der 5G-Technologie. Diese bringt mit vielen weiteren Bändern mit höheren Frequenzen noch höhere Datenraten. Dies umfasst auch weitere Technologien, die in nicht lizenzierten Frequenzbändern eingesetzt werden, z. B. Wi-Fi.

Gleichzeitig beobachten Betreiber und Entwickler die Fortschritte der Technologien drahtloser Kommunikation für Mobilgeräte, denn sie interessieren sich für kostengünstige, zuverlässige und skalierbare Verbindungen für das Internet der Dinge (IoT). Für diese Anwendungen sind Energieverbrauch und lange Batterielaufzeit die entscheidenden Faktoren, und Schmalband-Lösungen werden jetzt aktuell. Daneben haben auch die neuesten Entwicklungen von Spezifikationen wie Bluetooth und ZigBee IoT-Anwendungen im Blick. Bluetooth 5 verspricht eine größere Reichweite und höhere Datenraten bei geringerem Energieverbrauch, während ZigBee 3.0 niedrigeren Energieverbrauch für Maschennetzwerke bringt.

All dies kann Entwicklern heftige Kopfschmerzen bereiten. Die Auswahl eines Protokolls zur drahtlosen Kommunikation für kostengünstige, globale Anwendungen mit niedrigem Energieverbrauch kann sehr schwierig sein und ist oft nicht dauerhaft.

Ein Weg, den viele Modulhersteller gehen, um sich dieser Herausforderung zu stellen, sind einheitliche Abmessungen. Sierra Wireless hat beispielsweise absichtlich einen Modulansatz für alle Entwicklungen in der drahtlosen Kommunikation gewählt, um dies zu berücksichtigen. Die Embedded-Module der Produktfamilie AirPrime HL für 2G, 3G und 4G bieten beispielsweise alles, was Hersteller zur Erfüllung der wesentlichen Konnektivitätsanforderungen benötigen. Mit einem gemeinsamen Formfaktor für alle unterschiedlichen Mobilfunktechnologien, geringen Abmessungen, niedrigem Stromverbrauch und hoher HF-Leistung bieten sie sich auch zur GNSS-Navigation vom US-amerikanischen GPS und vom russischen GLONASS-Satellitensystem bis zu weltweiter Abdeckung an.

Abbildung 1: Einheitliche Abmessungen von Modulen für drahtlose Kommunikation ermöglichen den problemlosen Einbau einer neuen Technologiegeneration in eine Platine.

Mit nur einem Platinenlayout können die Hersteller Daten- und Sprachverbindungen integrieren und in jeder beliebigen Region und für jedes drahtlose Mobilnetzwerk bereitstellen (siehe Abbildung 1). Sierra hat beim Formfaktor auch daran gedacht, dass das Modul bei effizienter Massenproduktion gelötet und für hohe Flexibilität beim Prototyping oder bei kleineren Serien über einen Schnappsockel auf denselben Lötflächen befestigt werden kann (Abbildung 2). Dieser Schappsockel ermöglicht den Herstellern wegen der einheitlichen Abmessungen das Bereitstellen oder Austauschen von Modulen in jedem Stadium der Produktion oder des Produktlebenszyklus.

Die einheitliche Anschlussbelegung aller Modelle sorgt auch für Aufwärts- und Abwärtskompatibilität zwischen den verschiedenen 2G-, 3G- und 4G-Modulvarianten. Dies bedeutet, dass derselbe physische Pin bei allen Serien die gleiche Funktion hat. Darüber hinaus ist die Anschlussbelegung der HL-Serie kompatibel mit der WP-Serie für Anwendungsverarbeitung.

Abbildung 2: Ein Schnappsockel erlaubt das Testen ähnlicher Module in Prototypsystemen bzw. den Einsatz bei der Produktion in Kleinserien.

Bei der Zukunft von Modulen für drahtlose Verbindungen geht es aber nicht nur um Hardware. Software und Firmware werden mehr und mehr zu lebenswichtigen Systemkomponenten. Der Cloud-basierte Over-The-Air-Dienst AirVantage von Sierra ermöglicht eine einfache Verbindung und Verwaltung eines ganzen Maschinenparks beliebiger Größe per Fernzugriff. Dies ermöglicht die Integration von Maschinendaten in das System des Unternehmens mithilfe offener M2M-Entwicklungswerkzeuge und Standards.

Sierra führt die Arbeitsgruppe Eclipse IoT an, die die Standards entwickelt, und stellt auf dem Open-Source-Repository Github Programmierschnittstellen (APIs) bereit, darunter ein Beispiel für eine Node.js-Datei für die AirVantage API. In diesem Beispiel werden die Airvantage REST API in Clojure und ein einfacher OAuth2 + JSon-Client in Go zum Abrufen einer Liste von Gateways von AirVantage verwendet. Es enthält Zugriffsmöglichkeiten auf die AirVantage-API aus Ruby, PHP und Java sowie ein kleines und flexibles Shellskript, das eine Interaktion mit der AirVantage M2M-Cloud-API von der Befehlszeile ermöglicht.

Auch das Modem Skywire LTE CAT1 von NimbeLink zielt auf langlebige Anwendungen ab und muss daher die sich verändernden Technologien für drahtlose Kommunikation berücksichtigen. Das Modem ist wie alle Modelle der Skywire-Familie klein und verfügt über eine XBEE-Schnittstelle. Es ist mit den Entwicklungskits und Mikroprozessor-Schirmungen von NimbeLink kompatibel und ermöglicht die schnelle und einfache Integration von Mobilfunk in ein Produkt. Die Verwendung einer Standard-XBEE-Schnittstelle vereinfacht die Migration zu anderen Mobilfunktechnologien und verlängert so die Lebenszeit des Produkts, wenn sich neue Technologien bewähren.

Die Mobilfunkwelt ist sich der Bedrohung durch nicht lizenzierte Technologien wie Bluetooth, Wi-Fi und ZigBee bewusst und hat an seinem Standard mit niedrigen Datenraten gearbeitet. Ausgabe 13 der 3GPP-Spezifikation umfasst den Schmalband-IoT-Standard (LTE Cat. NB1), der zum ersten Mal die Verwendung von Mobilfunknetzen für IoT ermöglicht. 

Dies ermöglicht Batterielaufzeiten von 10 bis 20 Jahren für Anwendungen wie intelligente Gebäude und Städte, Verbrauchsmessung, Haushaltsgeräte, Verfolgung von Gütern sowie landwirtschaftliche und Umweltüberwachung. Versuche von Vodafone, Deutsche Telekom und Huawei mit intelligenten Messsystemen und Parkraumüberwachung waren erfolgreich und haben nachgewiesen, dass NB-IoT-Netzwerke effizienter als GPRS arbeiten. Ende 2016 kommen NB-IoT-Module mit maximalen Downlink-Raten von bis zu 227 Kbit/s und Uplink-Raten von bis zu 21 Kbit/s auf den Markt. Diese Module senken den Stromverbrauch und ermöglichen Batterielaufzeiten von 10 bis 20 Jahren. Da drei HF-Bänder gleichzeitig unterstützt werden, kann das Modul in den meisten geografischen Regionen verwendet werden.

Abbildung 3: Ende 2016 sollen Schmalband-IoT-Module auf den Markt kommen (Quelle: 3GPP)

NB-IoT bietet weniger komplexe Geräte, extrem niedrigen Energieverbrauch und Unterstützung von bis zu 150.000 Geräten pro Funkzelle. Das wesentliche Merkmal der Technologie ist eine Verbesserung der Leistungsübertragungsbilanz von 20 dB gegenüber GPRS. Dies garantiert eine ausgezeichnete Leistung auch bei schlechter Abdeckung, z. B. in der U-Bahn oder innerhalb von Gebäuden.

Auch die Technologien drahtloser Kommunikation im nicht lizenzierten Band entwickeln sich weiter. Bluetooth 5 verspricht beim Aufbau eines „verbindungslosen“ IoT die vierfache Reichweite und die doppelte Bandbreite gegenüber aktuelleren Versionen. Bluetooth 5 stellt sich einigen der Herausforderungen, die vorherige Version bei der Bereitstellung von IoT-Netzwerken gebremst haben.

Die neue Technologie kommt Ende 2016 oder Anfang 2017 mit Modulen auf den Markt, die eine auf das Vierfache signifikant gesteigerte Reichweite mit 50 Metern als Zielvorstellung und Geschwindigkeiten von 2 Mbit/s bieten. Die höhere Reichweite sorgt für robuste, zuverlässige IoT-Verbindungen, die eine Abdeckung in einer ganzen Wohnung, in einem Gebäude und sogar im Freien Wirklichkeit werden lässt, wobei die Daten aufgrund der höheren Geschwindigkeit schneller gesendet und die Reaktionszeiten verkürzt werden.

Allerdings bestimmt die Implementierung der Technologie in Form von Chips und Modulen den Gesamtverbrauch und die Batterielaufzeit.

Es gibt auch Pläne, die Komplexität des Internets der Dinge noch weiter von Hardwaremodulen zu abstrahieren und ein Intelligentes Heim als Dienst (Smart Home as a Service, SHaaS) bereitzustellen. Dadurch kann die Gesamtzahl der erforderlichen Sensoren reduziert werden. Dies führt zu geringerer Redundanz und weniger Wartung, da ein einziger Sensor für mehrere Anwendungen eingesetzt werden könnte. Ein Bewegungssensor könnte z. B. in einem Sicherheitssystem, zur Beleuchtungssteuerung, zur Verwaltung der häuslichen Umgebung, zur Steuerung der Unterhaltungselektronik und des Familien-Lifestyles und vielleicht sogar zur Fütterung des Haustiers verwendet werden.

Abbildung 4: Neben den verfügbaren HF-Standards auf der Kommunikationsebene herrscht auch auf Anwendungsebene starke Konkurrenz.

Mit SHaaS muss kein eigenes Netzwerk mehr aufgebaut werden. Es handelt sich um eine Ansammlung von Diensten, die die Eingangsdaten der Sensoren des intelligenten Heims analysieren, Informationen über das Leben und Wohnen der Familie sammeln und intelligente Entscheidungen treffen können, die das Heim wohnlicher, sicherer und energieeffizienter machen.

Die von Sensoren in und um die Wohnung herum erfassten Daten werden über einen drahtlosen Hub sicher an einen intelligenten Cloud-Dienst übertragen, der sie sammelt und analysiert. Nach der anfänglichen Installation kann der Algorithmus in der Cloud in ein bis zwei Wochen genügend Daten sammeln, um etwas über das Familienleben zu „lernen“, und bei unerwarteten Ereignissen oder drastischen Veränderungen Alarmmeldungen senden.

Alle diese verschiedenen Dienste müssen in einer einzigen Benutzeroberfläche konsolidiert werden, etwa in einem benutzerfreundlichen Dashboard, während sich der Dienstanbieter um den Kundensupport, die Abrechnung, die Abonnements sowie um Änderungen und Upgrades von Software und Diensten kümmert.

Damit wird das intelligente Heim einfach zu bedienen und einfach zu verwalten und effektiv darin, die Bewohner mit Sicherheit und Wohlbefinden zu versorgen. Es wird auch zu einer beachtlichen Einkommensquelle für den Dienstanbieter. Die Entwickler von Geräten und Systemen müssen zusammenarbeiten, um die für dieses Dienstniveau erforderliche Hardware, Software und Web-Intelligenz zu entwickeln.

Fazit

Die Zukunft von Modulen für drahtlose Verbindungen wird sowohl von den Anwendungen als auch von der Technologie bestimmt, und die Software spielt bei dieser Evolution eine immer größere Rolle. Neue Hardwarestandards wie NB-IoT bieten Vorteile, die, zusammen mit einheitlichen Modulabmessungen, die Entwicklung von drahtlosen Verbindungsknoten vereinfachen.  Die Komplexität bewegt sich in Richtung der Software auf dem Modul. Dabei eröffnen OTA-Updates und die Integration in Anwendungen völlig neue Marktfelder wie „Smart Home as a Service“.