Mobilfunk für IoT- und M2M-Anwendungen Das Ende von 2G und 3G kommt

Durch neue Funknetze müssen die Entwickler ihre IoT- und M2M-Anwendungen auf die neue Kommunikation umsetzen.
Entwickler müssen ihre IoT- und M2M-Anwendungen auf die neue Mobilfunktechnik anpassen.

2G- und 3G-Netzwerke haben der Industrie gute Dienste geleistet, werden jetzt aber durch neue Funknetze ersetzt. Entwickler von IoT- und M2M-Anwendungen müssen sich also bezüglich der Kommunikation auf 4G und LTE konzentrieren – mit Blick auf 5G, das bereits am Horizont erscheint.

Die Mobilfunknetze 2G und 3G, noch vor zehn Jahren als Maß der Dinge in der Technik betrachtet, sind jetzt obsolet. Es gab zuvor sogar 1G, aber es wurde allgemein als »analog« bezeichnet und ermöglichte eine Datenübertragung mit nur 2,4 kbit/s. 2G war das erste Netz, das eine digitale Sprachübertragung beherrschte, aber keine Daten übertragen konnte – und mit einer Datenrate von 64 kbit/s war die Sprachqualität im Vergleich zu heute eher enttäuschend. Die 2 Mbit/s von 3G machten die Sprachübertragung mit begrenzter Unterstützung für Datenübertragung möglich, die hauptsächlich für Textnachrichten (SMS) und das Surfen im Internet genutzt wurde.

4G brachte Übertragungsraten von bis zu 100 Mbit/s. Damit war es das erste Mobilfunknetz, 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

Datenübertragungsraten von bis zu 500 Mbit/s für Mobilgeräte unterstützt.
Im Vergleich zu 2G und 3G sind 4G und LTE erheblich effizienter, erlauben eine höhere Endgerätedichte, nutzen das verfügbare Spektrum besser und bieten höhere Datenübertragungsraten. Die Netzbetreiber würden die 2G- und 3G-Netze gerne abschalten und das Spektrum für 4G und in naher Zukunft auch für 5G nutzen.

4G und LTE Cat NB1 für M2M-Daten

LTE Cat NB1 (auch als NB-IoT bekannt) ist eine Schnittstelle mit niedriger Übertragungsrate für einfache batteriebetriebene Geräte in M2M- und IoT-Anwendungen. Um die Netzwerkkommunikation noch weiter zu vereinfachen, ist es für die Verbindung und Kommunikation mit nur einer Basisstation ausgelegt. Es kann an vielen Stellen eingesetzt werden, an denen LTE vorhanden ist. Daher ist die Abdeckung hervorragend. Allerdings ist LTE Cat NB1 mit manchen Netzen aus der Frühzeit von 4G inkompatibel. Es arbeitet nicht auf IP-Basis. Es gibt bei 4G auch einige regionale Unterschiede, sodass LTE Cat NB1 möglicherweise nicht überall kompatibel ist. Damit ein 4G-Netz eine Kommunikation über LTE Cat NB1 erlaubt, ist eine Änderung der Transceiver-Schaltung am Funkmast erforderlich.

Um den Energiebedarf so gering wie möglich zu halten, legt der LTE-Standard für LTE Cat NB1 eine maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 50 kbit/s für Downlink und Uplink fest. Für eine weitere Senkung des Energiebedarfs sorgt die Tatsache, dass es sich um ein Halbduplex-Protokoll mit einer Latenzzeit von 10 s zwischen der Übertragung des letzten Datenpakets zum M2M-Endgerät und dem Erhalt der Bestätigung handelt.

Da LTE Cat NB1 nicht für eine einfache Übergabe zwischen Basisstationen ausgelegt wurde, eignet es sich in erster Linie für stationäre Endgeräte wie Verbrauchszähler und stationäre Sensoren. Wegen seiner relativ niedrigen Datenübertragungsraten sind Firmware-Updates per Funk (FOTA – Firmware Over The Air) bei LTE Cat NB1 nicht effizient.

LTE Cat M1 für IP-basierte M2M-Daten

Um bestimmte Nachteile von LTE Cat NB1 zu beheben, wurde parallel LTE Cat M1 eingeführt. LTE Cat M1 ist unter vielen anderen Bezeichnungen bekannt, darunter Cat-M, Cat-M1, eMTC, LTE-M und LTE-MTC (Machine Type Communications).

LTE Cat M1 ist für Uplink- und Downlink-Datenraten von bis zu 1 Mbit/s spezifiziert. Es werden Voll- und Halbduplex-Übertragungen mit einer Latenzzeit von unter 1 s unterstützt. Im Gegensatz zu LTE Cat NB1 ist das Protokoll IP-basiert und unterstützt die TCP/IP-Kommunikation. LTE Cat M1 unterstützt die Übergabe zwischen Basisstationen und kann deswegen für mobile M2M-Endgeräte eingesetzt werden, solange diese innerhalb der Reichweite des LTE-Netzes liegen.

Im Gegensatz zu LTE Cat NB1, das an fast allen Standorten mit 4G-Netz zum Laufen gebracht werden kann, funktioniert LTE Cat M1 also überall dort, wo ein LTE-Netz verfügbar ist. Damit ein vorhandenes LTE-Netz die Kommunikation über LTE Cat M1 erlaubt, ist eine Änderung der Firmware der Basisstation erforderlich.

Trotz seiner höheren Leistung entspricht die Energieeffizienz von LTE Cat M1 etwa der von LTE Cat NB1. Dies liegt daran, dass LTE-Cat-M1-Endgeräte Stromsparmodi beherrschen, die es ihnen erlauben, die Energieaufnahme zu reduzieren, wenn sie keine Daten senden oder empfangen, ohne sich vom Mobilfunknetz abzumelden.

Wahl des richtigen Datennetzwerks für eine M2M-Anwendung

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-Anwendung befindet, zu berücksichtigen.

Wenn LTE im Zielgebiet verfügbar ist, stellen Sie fest, ob LTE Cat NB1 unterstützt wird. Wenn TCP/IP benötigt wird, wählen Sie LTE Cat M1. Vergleichen Sie dann die Merkmale der einzelnen Standards mit den Anforderungen der Anwendung und ihrer Umgebung. Führen Sie vor der Entscheidung für ein Datennetzwerk zusätzlich Feldtests durch.

Beachten Sie, dass für jede mit einem Mobilfunknetz verbundene Einheit eine SIM-Karte mit einem geeigneten Tarif von einem Mobilfunkanbieter benötigt wird. SIM-Karten und Mobilfunktarife für vernetzte IoT-Geräte können beispielsweise auch bei Distributoren wie Digi-Key erworben werden – z.B. von Verizon, AT&T, Vodafone und T-Mobile, mit einem Datenvolumen von bis zu 5 GB/Monat.