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Die Evolution für die breite IoT-Masse

»LTE der Kategorien NB1 und M1!«

17. April 2018, 14:23 Uhr | Karin Zühlke

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Long-Range-Technologien

Long-Range-Technologien

Long-Range-Technologien wie LoRa oder Sigfox verbrauchen zwar weniger Energie als klassischer Mobilfunk, für Ortungsaufgaben ist der Netzausbau jedoch absolut unzureichend – erst recht über Ländergrenzen hinweg. „Zudem ist die Frequenz für jedermann ohne Lizenzen nutzbar und wird auch für Garagentoröffner, Autoschlüssel und viele andere Funkanwendungen verwendet. 600 kHz Bandbreite und Duty-Cycle würden bei immer verbreiteter Nutzung irgendwann für Datenstau und einen verstopften Luftkanal sorgen. Doch die Technologien wurden auch speziell für nicht zeitkritische industrielle Sensornetzwerke entwickelt und sollten sich auf eben diese Fälle beschränken, damit das System nicht kollabiert“, so Brucker. „Die Evolution für die breite IoT-Masse lautet hingegen: LTE der Kategorien NB1 und M1!“

Neue LTE-Kategorien läuten nächste Evolutionsstufe ein

Die neuen unteren LTE-Kategorien NB1 und M1 – bzw. NB-IoT und Cat M, wie sie auch genannt werden – sind für viele IoT-Geräte wie maßgeschneidert. Die MNOs managen die Frequenzen, dimensionieren die Einwahlknoten entsprechend und bauen sie nach regionalen Bedürfnissen aus. „Die Netzabdeckung ist in den USA, Europa und Asien bereits heute sehr gut, regional sogar meist besser als bei Long-Range-Versorgern“, weiß Sarah Brucker.

Der geringere Energieverbrauch von NB-IoT und Cat-M ermöglicht eine Gerätenutzung von bis zu mehreren Monaten mit einer Akkuladung. Roaming stellt eine Ortung über Ländergrenzen hinweg sicher. „So können Gegenstände, batteriebetriebene Geräte und kleine Gadgets nun ständig mit dem Internet verbunden sein, ohne auf eine Smartphone-Verbindung oder ein WiFi-Netz angewiesen zu sein.“

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LTE-M erlaubt Datenraten bis zu 360 kbit/s und eine etwa vierfache Reichweite gegenüber herkömmlichen LTE-Netzen. Möglich machen dies 23 dBm Sendeleistung und –108 dBm Empfangsempfindlichkeit. Je nach Region werden Netze von 700 MHz bis 2,2 GHz unterstützt. Bei NB-IoT wächst die Reichweite sogar auf bis zur siebenfachen LTE-Distanz.

„Als Pionier der Ultra-Low-Power-Funktechnologien mit langer Historie vom ASIC-Hersteller, Sub-GHz- und 2,4-GHz-Spezialisten bis zum maßgeblichen Wegbereiter des Bluetooth-Low-Energy-Erfolges hat sich Nordic Semiconductor nun diesen neuen Mobilfunkübertragungsarten verschrieben“, so Brucker. Die nRF91-Familie kommt mit einem ARM-Cortex-M33-Mikrocontroller zur kundenspezifischen Programmierung der Anwendung, Sensoren und Aktoren. ARM TrustZone und ARM CryptoCell stellen sichere Speicherzugriffe sicher, während TLS und SSL die Ende-zu-Ende-Verschlüsselung der Datenübertragung gewährleisten. Die wiederbeschreibbare Flash-Speichertechnologie erlaubt zusammen mit der Möglichkeit für Over-the-Air-Updates auch spätere Nachbesserungen an der Firmware, den Stacks und der Anwendung. Das Modul sucht selbstständig nach verfügbaren LTE-M- und NB-IoT-Netzen und schaltet zwischen diesen um.

Das nRF91 SiP (System in Package) ist mit integriertem Assisted-GPS oder ohne GPS-Einheit in einem nur 10 x 16 x 1,2 mm3 kleinen Gehäuse ab Mitte des Jahres als Muster bei Rutronik erhältlich. Damit hat es einen etwa vierfach kleineren Platzbedarf auf dem PCB und ein etwa fünffach kleineres Volumen als andere LTE-M- und NB-IoT-Module auf dem Markt und separate GNSS-Module.

Der M33-Core ermöglicht in einem gewissen Rahmen richtiges Edge-Computing. Somit lassen sich aus den gemessenen Daten im Feld bereits lokal Informationen generieren, die dann effizient über die Mobilfunkeinheit versendet werden können. Dies optimiert die Gesamtenergiebilanz und hält den Online-Datenverbrauch gering. Das zugehörige nRF91-SDK (Software Development Kit) beinhaltet alle gängigen Stacks, wie MQTT, CoAP, http, LWM2M, IPv4, IPv6, DTLS, TLS und TCP.

Über 32 GPIOs lassen sich Sensoren, LEDs, Tasten oder Schaltrelais anschließen. Der Quarz, SAW-Filter und sämtliche passive Bauteile sind im SiP integriert – nur noch eine 50-Ω-Single-Ended-Leitung als Antenne, und das Edge-Modul ist komplett.