Globale Mobilnetzdienste für IoT Der Weg zu 5G für ein echtes Internet der Dinge

Avnet Memec
Gemeinsam mit Telecom Design als langjährigem Lieferanten für Sigfox-Modems, Semtech und Silicon Labs unterstützt Avnet Memec die Entwicklung eines IoT-Netzwerks in Europa.

Was wäre, wenn allein durch die Erweiterung des Marktes für anschlussfähige »Dinge« deren Anschlusskosten gegen Null gingen? Was, wenn Technik und Geschäftsmodell bereits zur Verfügung stünden und Netzbetreiber globale Mobilnetzdienste im lizenzfreien Bandbereich für Wissenschaft & Medizin anbieten?

Die Hälfte der Weltbevölkerung besitzt ein Mobil- oder Smartphone, Internetanschluss über Fest- oder Mobilnetz und bezahlt jeden Monat für Sprach- und Datendienste, die sich zu echten Grundbedürfnissen entwickelt haben. Damit die Mobilnetzbetreiber (MNO) und die virtuellen Mobilnetzbetreiber (MVNO) ihre durchschnittlichen Umsätze pro Nutzer (ARPU) halten können, müssen die Dienstleistungen an den Endverbraucher immer besser werden, um den natürlichen Preisverfall auszugleichen. Daher entstanden über die letzten 20 Jahre 2G, 2,5G, 2,75G, 3G und 4G, wobei jeder Nachfolger mehr Bandbreite, höhere Mobilität, bessere Netzabdeckung sowie bessere Qualität und Serviceleistungen anbot.

Auf der Suche nach dem Umsatz von Maschine zu Maschine

Mit inzwischen mehr SIM-Karten als Einwohnern in den entwickelten Ländern ist der Markt gesättigt. Aus diesem Grund arbeiten MNOs und MVNOs bereits seit zehn Jahren an der Entwicklung eines M2M-Markts (Machine-to-Machine). Aufgrund der hohen Verbindungs- und Modemkosten und der geringen Eignung der Technologie für langlebige, preiswerte, batteriebetriebene Systeme ist dieser über die herkömmlichen Mobilnetzwerke laufende M2M-Markt allerdings auf einige wenige vertikale Vertriebskanäle beschränkt (Fahrzeuge, Nachverfolgung, Automaten, Supermarktkassen, Sicherheitsfirmen usw.), bei denen diese Beschränkungen keine Rolle spielen.

Dadurch bleibt natürlich die große Mehrheit der Geräte oder »Dinge« unverbunden, mit denen wir täglich umgehen. Der Anschluss dieser Dinge entweder indirekt über ein Gateway, ein Smartphone oder eine Internetbox oder direkt über ein eigenes Mobilnetzwerk ist die Herausforderung des IoT.

Bedarf für eine neue Technologie

Zu den Dingen, die sich über herkömmliche mobile Netzwerke nicht so einfach anschließen lassen, gehören Messgeräte (Wasser und Gas), Industrielogistik (Paletten), erweitertes Flottenmanagement (Fahrräder, Anhänger), Sicherheit (Rauchdetektoren, Leckerkennung, Sabotageschutz), Umwelt (Abfallcontainer, Wetterstation), Landwirtschaft (Bewässerung, Sensoren), Gesundheitswesen (Medikamente, Notrufe) und zahlreiche andere Anwendungen, bei denen Batterie- und Anschlusskosten zu hoch sind.

In allen diesen Anwendungen ist nicht immer ein WLAN- oder BlueTooth-Smartrouter verfügbar, der die Verbindung von einem Gerät zum andern und zum Internet sicherstellen kann. Gleichzeitig wäre der Anschluss über eine 2G/3G-Verbindung wegen der Batterie- und Anschlusskosten zu teuer.

Dennoch haben alle diese Anwendungen Folgendes gemeinsam:

1. Es müssen pro Tag nur einige wenige Bytes an Daten pro Stunde übertragen werden.

2. Sie tolerieren eine hohe Netzwerk-Latenz in der Größenordnung von Sekunden.

3. Die angeschlossenen Geräte müssen mit dem Netzwerk weder ständig verbunden noch synchronisiert werden, da sie die meiste Zeit nicht aktiv sind.

4. Die Geräte müssen nicht untereinander kommunizieren.

5. Geräte senden ausschließlich Daten über das Netzwerk.

6. Der Verlust einzelner Datenpakete stellt kein Problem dar.

Unter diesen Bedingungen ist es möglich, mit einer sehr einfachen Netzwerkinfrastruktur zu arbeiten. Aufgrund der Vorteile von Punkt 1 und 2 kann das System physisch mit sehr niedriger Bitrate arbeiten (einige kBit pro Sekunde oder weniger), um die Kommunikation zwischen Gerät und einer Basisstation ohne hohe Netzbelastung über lange Zeit aufrechtzuerhalten. Daraus ergeben sich größere Zellen, eine leichtere Infrastruktur, geringere Investitions- und Betriebskosten für den Betreiber und geringere Kommunikationskosten für das einzelne Gerät.

Punkt 2 ermöglicht eine normale Zugriffssteuerung über eine Cloud. Warum sollten künftige Installationen nicht auch physisch über eine Cloud mit ihren vielfältigen Möglichkeiten laufen?

Punkt 3 und 4 bedeuten, dass die Geräte asynchron betrieben werden und Basisstationen zahlreiche Geräte kontinuierlich und gleichzeitig überwachen können, da diese nur selten senden.

Punkt 5 erlaubt die Installation eines sehr effektiven Netzwerks, indem Basisstationen im Halbduplexmodus arbeiten, bei denen die Uplink- und Downlinkbänder im lizenzfreien ISM-Band direkt nebeneinander sitzen. 

Schließlich erlaubt Punkt 6 den praktischen Nachweis der Machbarkeit des Konzepts zu relativ geringen Kosten auf Netzwerk- und Betreiberseite.

Die Technologie existiert bereits

Einige Funktechnologien könnten diese Netzwerke bereits unterstützen: private Netzwerke mit Schmalband-Frequenzumtastung/Mini-Frequenzumtastung über WmBUS, die LoRa-Modulatortechnologie von Semtech mit Chirp Sequence Spread Spectrum  (CSS), das RPMA-Netzwerk (Random-Phase-Multiple-Access) von On-Ramp-Wireless und das von Silicon Labs und anderen IEEE-Mitgliedern standardisierte DSSS (Direct-Sequence-Spread-Spectrum). In Europa entwickeln mehrere Versorger derzeit ihre eigenen privaten Netzwerke auf WmBUS-Basis. Andere wie Actility setzen auf die LoRa-Technologie und installieren eigene Netzwerke für Smart Grids und die künftige Smart City. Bisher hat allerdings nur ein einziges Unternehmen in die Einführung und Betreuung eines echten globalen und allgemein zugänglichen IoT-Netzwerks investiert, das auf der Basis seines Ultra-Schmalband-Frequenzumtastungsystems basiert: Sigfox. Zweifellos werden weitere Telekommunikationsunternehmen in den kommenden Jahren mit eigenen Technologien ebenfalls Lösungen präsentieren. Sehr wahrscheinlich werden die herkömmlichen Mobilfunkanbieter ebenfalls einige Hundert ihrer bislang teuer vermarkteten kHz-Bandbreiten mit ähnlicher Technologie umwidmen, sobald die ersten 100 Millionen Anschlüsse weltweit verkauft sein werden. Das wäre dann die Geburtstunde von 5G.

Gemeinsam mit Telecom Design als langjährigem Lieferanten für Sigfox-Modems, Semtech und Silicon Labs unterstützt Avnet Memec die Entwicklung eines IoT-Netzwerks in Europa und darüber hinaus mit einer der möglichen Technologien, die den Weg für ein 5G ebnen werden, um ein echtes Internet der Dinge Realität werden zu lassen.