M2M-Kommunikation per LTE NB-IoT, NB-LTE oder LTE Cat NB1?

Reichweite bei LTE Cat NB1

Die Physik kann keiner überlisten. Je tiefer die Sendefrequenz gewählt wird, desto größer wird die Reichweite. Das spricht für den Sub-GHz-Bereich. Die Reichweite wird bei der Funkübertragung von der Leistungsübertragungsbilanz begrenzt. Die Übersicht in der Tabelle zeigt deutlich, dass LTE Cat NB1 in diesem Punkt klar vorne liegt.

Allen Modulationsarten ist gemein, dass mit langsamer Modulation die Empfindlichkeit steigt. Um eine Leistungsübertragungsbilanz von 164 dB zu erreichen, ist bei 20 dBm Sendeleistung eine Empfängerempfindlichkeit von 20 dBm – 164 dB = –144 dBm nötig.

Bei GSM lag die Empfindlichkeit der Empfänger gerade einmal im Bereich von –110 dBm. Ein LTE-Cat-NB1-Funkmodul wird empfindlicher sein können als ein GSM-Funkmodul. Hinzu kommt, dass die Sendeleistung des Funkknotens und der Basisstation asymmetrisch gewählt wurde. Außerdem sendet ein LTE-Cat-NB1-Funkmodul bei 20 dBm mit niedrigerer Datenrate (48 kbit/s, 64 kbit/s), als es empfängt (128 kbit/s). Um die reduzierte Empfindlichkeit des Empfängers auszugleichen, sendet die Basisstation einfach mit mehr als 20 dBm Sendeleistung. Die Leistungsübertragungsbilanz bleibt mit diesem Trick unverändert bei 164 dBm. Die höhere Sende-Datenrate der Basisstation (Download) ermöglicht somit Software Updates per Funk.

LTE Cat NB1 bietet eine höhere Leistungsübertragungsbilanz als Sigfox oder LoRaWAN, wenn die europäischen Funkvorschriften eingehalten werden müssen. Bei 14 dBm effektiver Strahlungsleistung (ERP – Effective Radiated Power) ist für Funkmodule im 868-MHz-Band auf den meisten Kanälen Schluss. Die LPWA-Netze im 868-MHz-Band konkurrieren zudem mit Garagentoröffnern, Alarmanlagen und Hausnotruf­systemen um die mögliche Sendezeit.

Im Gegensatz zu LTE gibt es bei den LPWAN-Techniken im lizenzfreien Frequenzband keine Dienstgüte (Quality of Service). Eine Fahrzeugflotte mit 500 Kfz beispielsweise blockiert bei LoRaWAN mit Spreizfaktor (SF) 12, 14 dBm Sendeleistung, Nutz-Bandbreite 125 kHz und 20 Byte den Kanal für 500 × 1253,38 ms = 10,44 min (Bild 3). Hierbei sind die Sendepausen zwischen den Funkmodulen nicht berücksichtigt. Mit den notwendigen Pausen dauert diese Übertragungsprozedur noch viel länger. Ein Quittungsbetrieb ist in diesem Anwendungsszenario unmöglich. Das Versenden von Empfangsbestätigungen geht zu Lasten der für das Senden von Daten zur Verfügung stehenden Sendezeit, sodass die Aktualisierung der Daten pro Funkknoten – bei 500 Kfz – extrem langsam abläuft.
Für das Werksgelände eines großen Unternehmens mit eigener IT-Abteilung und Funkplanung auf dem Werksgelände mag ein LPWA-Netz auf Basis von LoRa oder Weightless sinnvoll sein. Dort lassen sich in der Planungsphase Kollisionen auf dem Funkkanal vermeiden. Sigfox dagegen käme nicht in Frage, weil das Unternehmen Sigfox stets die Basisstationen selbst betreibt. Da Weightless P im Gegensatz zu LoRaWAN Narrow Band (NB) nutzt und somit viel weniger Bandbreite belegt, kann dies von Vorteil sein. Obendrein nutzt Weightless P wie Bluetooth ein Frequenzsprungverfahren. Allen genannten Funktechniken ist gemeinsam, dass für die Implementierung eine Beratung durch einen unabhängigen Funk-Experten nützlich sein kann, um unnötige Kosten und Fehlinvestitionen zu vermeiden.

Auswahl der Antennen

LoRaWAN, Sigfox, Weightless P oder LTE Cat NB1 – alles funktioniert nur mit der richtig gewählten Antenne. Für viele Entwickler ist eine Antenne nur ein Stück Draht. Für eine Alarmanlage, die nur auf einem Kanal des 868-MHz-Bandes sendet, mag das zutreffen. Beim Garagentoröffner ist das ähnlich. Dort ist aber der Aufwand bereits größer. Um eine hohe Reichweite zu erzielen, werden eine gut angepasste Antenne und genügend Massefläche benötigt. Die Massefläche ist beim Handsender für einen Torantrieb aber stark reduziert.

An der Reichweite oder an der Batterielaufzeit trennt sich beim Funk-IoT die Spreu vom Weizen. Bei LPWAN müssen wir alle noch durch das Tal der Tränen und werden feststellen, dass sich zum Beispiel ein Wearable doch nicht so einfach bauen lässt. Die Bandbreite und der Wirkungsgrad der integrierten Antenne hängen von der Größe der Massefläche ab. Die Größe einer Antenne und der benötigten Massefläche ist aber auch abhängig von der Wellenlänge. Ein Fitnessarmband, das mit Bluetooth Low Energy (BLE) auf 2,4 GHz arbeitet, lässt sich also nicht so einfach auf den Sub-GHz-Frequenzbereich adaptieren. Die Sendeleistung für BLE liegt bei IoT-Geräten meist nur bei 0 dBm bzw. 4 dBm. LPWAN-Funkmodule senden aber mit 14/20/23 dBm. Die Stromaufnahme beim Senden ist folglich bei LPWAN um ein Vielfaches höher als bei BLE. Eine Knopfzelle vom Typ CR2032 reicht für BLE. Sie wird beim Senden im besten Fall nur mit ca. 4 mA belastet. Im Sub-GHz-Bereich und bei 20 dBm Sendeleistung wird ein vielfach größerer Strom im Sendebetrieb von der Batterie gefordert. Strom sparen und zehn Jahre Batteriebetrieb funktionieren dann nur noch mit Optimierung der Antennen und der passenden Massefläche.

Mehr zur Herausforderung Antennen erfahren Sie auf dem Elektronik Wireless Congress, der am 9. und 10. November 2016 parallel zur electronica in München stattfindet.

Tutorial: Antenna
Der Autor Harald Naumann wird am 10. November 2016 in einem Tutotial des Elektronik Wireless Congress die Herausforderungen bei der Integration von Antennen in kompakte Embedded-Systeme beleuchten. Das Tutorial in englischer Sprache ist in zwei sich thematisch ergänzende Blöcke geteilt. Im ersten Teil stehen Antennen, ihre Eigenschaften und Kenngrößen (z.B. Rückflussdämpfung) sowie die Charakterisierung (Smith-Diagramm) im Vordergrund, im zweiten Teil wird die Messtechnik, speziell der Einsatz eines preiswerten, PC-basierten Netzwerkanalysators (VNA – Vector Network Analyzer) zur Messung von Antennen­eigenschaften demonstriert. Mit dem im Tutorial vermittelten Wissen können Entwickler die richtige Antenne für ein Embedded-System einfacher, schneller und besser auswählen und integrieren.
Elektronik Wireless Congress: Systems & Applications
ICM – Internationales Congress Center München
10. November 2016
14:30 Uhr – 18:00 Uhr