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Vorteile von Mobilfunk für Wireless IoT Stuart Cording

Quelle: Nordic Semiconductor/Mouser

Im Bereich IoT gibt es eine Vielzahl von Wireless-Protokollen, die um die Aufmerksamkeit der Anwender buhlen. Dabei hat jedes von ihnen seine Vor- und Nachteile: großer Datendurchsatz, aber geringe Reichweite; große Reichweite, aber unterschiedliche Frequenzbänder auf der ganzen Welt; oder das gleiche Frequenzband weltweit, das aber ein dediziertes Gateway erfordert, welches ebenfalls entwickelt, zertifiziert und mit Updates unterstützt werden muss.

Wenn Sie Ihr Gerät weltweit einsetzen möchten, ziehen Sie wahrscheinlich eine Mobilfunkverbindung in Betracht. Die datenzentrierten Protokolle sind jedoch inzwischen zu einem ziemlichen Sammelsurium geworden, was zu Verwirrung führt. Und da es sich um Mobilfunktechnologie handelt, könnte es schwierig werden, die Anforderungen an die Lebensdauer der Batterien von IoT-Geräten zu erfüllen. Aber ist das wirklich der Fall?

Ein Blick auf die Abkürzungen im Mobilfunkbereich

3GPP, das 3rd Generation Partnership Project, ist die Dachorganisation, die die Entwicklung von Mobilfunkprotokollen überwacht. Sie wurde gegründet, um 3G-Standards (UMTS) zu entwickeln, ging dann zur Entwicklung von 4G (LTE) über und beschäftigt sich jetzt mit 5G. Während andere Wireless-Technologien in der Regel zunächst einen Standard entwickeln und diesen dann einführen, entwickelt sich 5G ständig weiter. Die erste vollständige Reihe von 5G-Standards war Teil von „Release 15“, das 2018 fertiggestellt wurde.

Derzeit wird in parallelen Arbeitsgruppen an Release 18 und 19 gearbeitet, um den Funktionsumfang zu erweitern und zu verfeinern, da sich die Anforderungen der Nutzer ändern und sich die Technologie weiterentwickelt. Vieles davon ist möglich, weil ein Teil des Funktionsumfangs des Netzwerks in Software implementiert ist, die leicht erweitert werden kann.

5G bietet durchschnittliche Datenraten von mehr als 100 Mbit/s, aber für die meisten IoT-Bauteile würde ein Durchsatz im Bereich von kbit/s ausreichen. Für diese Applikationen gibt es zwei interessante Standards (Abbildung 1), die für 4G entwickelt wurden und in 5G übernommen wurden:

  • LTE-M (LTE Cat M2) - Mit Spitzenwerten im Uplink von 7 Mbit/s und im Downlink von 4 Mbit/s liegen die Latenzen unter 100 ms. Auch Voice-over-LTE wird unterstützt. Geräte können wie ein Smartphone zwischen Basisstationen weitergereicht werden.
  • NB-IoT (LTE Cat NB2) - Bietet Spitzenwerte im Uplink von 160 kbit/s und im Downlink von 127 kbit/s, die Latenzzeiten liegen unter 10 s. Voice-over-LTE wird nicht unterstützt. Handover zwischen Basisstationen wird nicht unterstützt.

 

Abbildung 1: Vereinfachter Vergleich der Technologien LTE-M und NB-IoT. (Quelle: Nordic Semiconductor)

Wie sieht es mit dem Stromverbrauch aus?

3GPP hat sich für seine IoT-Mobilfunkstandards zum Ziel gesetzt, mit einer 5-Wh-Batterie eine 10-jährige Batterielebensdauer zu erreichen. Für Entwickler ist dieses Ziel jedoch nicht ausreichend, um ein Produkt zu bauen. Tests haben gezeigt, dass NB-IoT unter gleichen Bedingungen weniger Strom verbraucht als LoRa mit höheren Spreizungsfaktoren (d. h. Kommunikation mit größerer Reichweite). Und bei Feldtests hat sich gezeigt, dass LTE-M weniger Strom für die Übertragung derselben Datenmenge benötigt als NB-IoT (Abbildung 2), da sein Funksignal weniger lange eingeschaltet ist.

Abbildung 2: Vergleich von Energieverbrauch und Reichweite für LTE-M und NB-IoT unter Verwendung eines nRF9160. (Datenquelle: Nordic Semiconductor)

Für das zellulare IoT gibt es eine Reihe attraktiver, hochintegrierter Chipsätze auf dem Markt, wie das neueste System-in-Package (SiP) von Nordic Semiconductor. Das nRF9151 gehört zur etablierten Serie nRF91und ist ein fortschrittliches zellulares IoT-Bauteil mit einem 20 % kleineren Footprint als sein Vorgänger (nRF9161). Es unterstützt außerdem eine Ausgangsleistung der Klasse 5 (20 dBm) und ergänzt damit die Klasse 3 (23 dBm). Damit bietet es mehr Flexibilität bei Designs, die auf eine längere Lebensdauer der Batterien abzielen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das nRF9151-SiP von Nordic Semiconductor für LTE-M- und NB-IoT-Mobilfunk-Applikationen. (Quelle: Nordic Semiconductor)

Dieses neue SiP unterstützt sowohl LTE-M- als auch NB-IoT-Protokolle. Aufgrund der unterschiedlichen Einsatzschwerpunkte des IoT auf der ganzen Welt unterstützen einige Regionen nur eine der beiden Technologien. Das nRF9151 sorgt also dafür, dass die Verbindungsfähigkeit quasi weltweit gewährleistet ist. Es bietet außerdem einen weiteren Vorteil: Falls für den Anwendungszweck Ihrer Applikation NB-IoT geeignet ist, aber gleichzeitig Over-the-Air-Updates (OTA) unterstützt werden müssen, kann das nRF9151 auf LTE-M schalten, um den höheren verfügbaren Datendurchsatz zu nutzen.

Bereitstellung und Einsatz

Ein lästiger Aspekt der Mobilfunktechnologie ist die Registrierung bei den Netzwerkanbietern. Als Verbraucher sind wir es gewohnt, uns für einen Netzwerkanbieter zu entscheiden, auf eine SIM-Karte zu warten und diese dann umständlich in unser Smartphone zu stecken. Der Gedanke, dies täglich für Hunderte von IoT-Bauteilen zu tun, ist nicht sehr reizvoll.

Zum Glück hat sich einiges getan: Zum einen gibt es die eUICC (Embedded Universal Integrated Circuit Card), eine Technologie, mit der OTA-Updates für Ihre SIM-Karte möglich sind. Wenn Sie also den Mobilfunkanbieter wechseln oder andere Konfigurationen ändern möchten, können Sie dies per Fernzugriff tun, anstatt die SIM-Karte physisch auszutauschen. Solche SIM-Karten werden als eSIMs bezeichnet, und eine Bauweise, die MFF2, wird in einem lötbaren Halbleitergehäuse angeboten. Diese 6 × 5 × 0,9 mm großen Bauteile benötigen weniger als 30 % der Fläche einer Nano-SIM.

Eine andere Möglichkeit ist die Einbettung des SIM-Funktionsumfangs in die Software, die sogenannte iSIM. Nordic Semiconductor ist genau diesen Weg gegangen, hat sich mit Onomondo zusammengetan und bietet Entwicklern seine SoftSIM-Funktion für weltweites Roaming an. Es wird weder Hardware noch Platz auf dem Board für die SIM benötigt. Die Bereitstellung erfolgt in der Software, und die erforderlichen Schlüssel sind Teil der Firmware des Geräts, die in einem sicheren Bereich gespeichert ist. Hinzu kommt, dass der Stromverbrauch sinkt, da alle APDU-Befehle (Application Protocol Data Unit) auf dem SiP und nicht über eine serielle Schnittstelle mit einer externen Hardware-SIM ausgeführt werden.

Abbildung 4: nRF Cloud unterstützt die Bereitstellung, Verwaltung, Wartung und Stilllegung von drahtlosen IoT-Geräten. (Quelle: Nordic Semiconductor)

Bisherige Erfahrungen sind von Vorteil

Um einen reibungslosen Entwicklungsprozess zu gewährleisten, wird das nRF9151 von denselben Development Tools unterstützt, die auch für die weiteren Bauteile der Baureihe nRF91 verwendet werden. Dazu zählen das Memfault Firmware SDK zum Debuggen anhand von Backtraces, nRF Cloud für das Lifecycle-Management und andere Dienste (Abbildung 4) sowie nRF Connect zur Überwachung des Verhaltens des Mobilfunkmodems. Wenn sich also LoRa, Bluetooth, Zigbee oder Z-Wave weiterhin als ungeeigneter Ansatz für Ihre Anforderungen herausstellen, könnte ein zellularer IoT-Ansatz genau das Richtige für Sie sein.



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Stuart Cording ist Elektronik-Ingenieur und technischer Autor mit den Schwerpunkten Halbleiterindustrie und Embedded Systeme


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