Cellular IoT: Orientierung im Dschungel mobiler Standards

IoT Lösungen für den Weltmarkt

Die Schweiz zählt zu den weltweit stärksten Exportnationen und es erstaunt daher nicht, dass die Produkte unserer Schweizer Industriekunden für einen internationalen Markt entwickelt werden. IoT-Lösungen weltweit zu verkaufen, hat einen entscheidenden Einfluss auf die Auswahl der Kommunikationstechnologie. Aspekte wie Netzabdeckung und die Nutzung aller verfügbaren Netze durch Roaming treten verstärkt in den Vordergrund. Sie sind entscheidend für gut funktionierende Kommunikation und damit für den Markterfolg.

Wenn der digitale Twin vom Radar verschwindet

IoT-fähige Maschinen oder Geräte, die wegen Funklöchern oder wegen eingeschränkten Roamings periodisch vom Radar verschwinden, sind für das Kundenvertrauen nicht hilfreich. 

Denn um die richtigen Entscheidungen fällen zu können, benötigt der Kunde aktuelle Daten. Praxisbeispiel IoT gestützter Wartungseinsatz für Reinigungsmaschinen: Damit der Servicetechniker nicht vergeblich an den Einsatzort fährt, muss er die aktuellen Positionsdaten der Maschine kennen.

Konnektivität: Diese Faktoren sind relevant

Das obige Beispiel zeigt, um den gewünschten Kundennutzen zu erzielen, ist eine gute Verbindung von zentraler Bedeutung. Und die wiederum wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, die hier kurz vorgestellt werden:

Sensitivität des Empfängers: Schmalband gewinnt

Jede Mobilfunk-Technologie hat ihre eigene Empfindlichkeitsschwelle für die zuverlässige Detektion von eingehenden Nachrichten. Selbstredend kann mit “sehr gut hörenden” Empfängern über weitere Strecken kommuniziert werden. Die IoT Schmalband Technologien CatM1 und NB-IoT haben hier die Nase vorn.

Wellenlänge: Dominierender Faktor bei Indoor Anwendungen

Um die Zuverlässigkeit der Kommunikation zu erhöhen, werden innerhalb eines Mobilfunkstandards unterschiedliche Bänder mit verschiedenen Wellenlängen verwendet. Längere Wellen werden beim Durchdringen von Mauern weniger absorbiert oder gestreut und können daher größere Entfernungen zurücklegen, bevor das Signal zu schwach wird. Dieser Umstand wird bei IoT Anwendungen für den Innenbereich zum dominierenden Faktor.

Roaming: Teamwork schlägt Einzelleistung

Kein einzelner Mobilfunkbetreiber verfügt über die Infrastruktur, um weltweit eine lückenlose Abdeckung zu gewährleisten. Deshalb haben die über 800 4G/5G-Betreiber zahlreiche Roaming-Vereinbarungen getroffen, die die Authentifizierung, den Zugriff und die Abrechnung in verschiedenen Netzwerken regeln. Diese Roaming-Vereinbarungen sind für IoT-Anwendungen besonders vorteilhaft, da sie die Netzabdeckung erheblich verbessern, indem sie die nahtlose Zusammenarbeit zwischen den Mobilfunknetzen ermöglichen.

 

Hier und jetzt: Die richtige Chip Lösung für ihre Cellular IoT Anwendung

Auch wenn die 5G Lösungen vor der Türe stehen. Aktuell ist das bestehende 4G LTE Netz für IoT Anwendungen noch immer das Mass aller Dinge, auch was die Kosten anbelangt. Letzten Endes sind die heute verfügbaren Chip Lösungen bestimmend für ihr nächstes Produkt. Chip und Modulhersteller wie Nordic (EU), Sequans (EU), ublox (CH), SimCom (CN), Telit (US) etc. bieten eine Palette von preislich attraktiven LTE Modems an, die sich mit der entsprechenden Erfahrung gut in jede IoT Anwendung integrieren lassen.

Zur Auswahl stehen Module für den Breitband Standard LTE Cat1bis oder Module für die IoT spezifischen Schmalband Standards LTE-M und NB-Iot. Jeder Standard hat seine spezifischen Eigenschaften und Anwendungsfelder. Sich mit den Vor- und Nachteilen der verschiedenen Standards auseinanderzusetzen ist unabdingbar, bevor ein Design-In für ein neues vorgenommen wird.

 

LTE Cat1bis: Trittbrettfahren auf dem Schnellzug mit internationalen Netz

Dieser Standard kommt mit nur einer Antenne aus und nutzt die bestehende Breitband-Infrastruktur, die wir tagtäglich auf unseren Mobile Phones nutzen. Cat1bis für gewöhnlich deutlich stromhungriger als die beiden anderen Schmalband Standards LTE-M und NB-Iot, die spezifisch für IoT Anwendungen definiert wurden. Dafür bietet die Breitband Technologie mit max. 10 MBit pro Sekunde eine sehr schnelle Verbindung, wenn zügige OTA (over the air) Firmware Updates realisiert, oder Bild- und Audiodaten übertragen werden müssen. Im Vergleich liegen die Datenraten bei 1MBit für Cat1M und bei 26kBit für IoT-M deutlich tiefer.

Aufgrund der zahlreichen Roaming Verträgen zwischen den mittlerweile über 800 verschiedenen LTE Operatoren profitieren Cat1bis basierende IoT Anwendungen von der unvergleichlichen internationalen Abdeckung. 

IoT Produkte für den internationalen Zielmarkt fahren sozusagen Trittbrett auf bestehender Mobilfunktechnologie und profitieren von der unvergleichlichen Stabilität und Redundanz zahlreicher Netze.

Beim Design-In von Cat1bis Breitband Modems sollte dem Peak Strombedarf, der bei der Netzwerkregistrierung auftritt, besondere Beachtung geschenkt werden. Einige Modul-Lösungen erfordern hier ein besonderes Stromversorgungskonzept.

LTE-M: Guter Leverage zwischen Stromverbrauch und Datenrate

Mit 1Mbit/s Download Rate bietet der Schmalband LTE-M Standard einen ausgewogenen Kompromiss zwischen Stromverbrauch und Datenrate. 

Wenn keine Kommunikation stattfindet, versetzt sich das Modem in einen stromsparenden Ruhezustand (PSM), bleibt aber dennoch im Netz registriert.  Aber auch während der Kommunikation wird der Stromverbrauch immer dann reduziert, wenn neue Daten aufbereitet werden und dadurch eine Sendepause entsteht. (eDRX). Diese IoT spezifischen Features ermöglichen batterieschonende Anwendungen. Zudem sinken gegenüber einer Cat1bis Lösung aufgrund der kleineren Peakströme Komplexität und Kosten der Stromversorgung deutlich.

Im Vergleich zu der noch sparsamen NB-IoT Technologie bleibt bei LTE-M die Möglichkeit für einen Zellwechsel bestehen, sodass mobile IoT Anwendungen wie  z.B. Asset Tracking unterstützt werden. 

NB-IoT: Ideal für kostensensitive, stationäre Anwendungen mit geringem Datendurchsatz.

Mit 26 kBit/s ist die Download-Datenrate von NB-IoT zwar sehr bescheiden. Für Anwendung wie SmartMetering, Parkuhren, Hochwasser-Meldeysteme etc. jedoch durchaus ausreichend. 

Übersicht: Die drei IoT Technologien im Vergleich

		Cat1bis		LTE-M		NB-IoT
Reichweite/Durchdringung (MCL)		Gut (141dB)		Sehr gut (156dB)		Hervorragend (164dB)
Datenrate (Peak Download)		hoch 10 MBit/s		mittel 1 MBit/s		tief 26 kBit/s
Internationale Abdeckung durch Netzwerk Roaming		Hervorragend		Mässig		Schwach
Globale Netzverfügbarkeit		Hervorragend		Gut		Moderat
Modulkosten		Tief bis Moderat CHF 12-35 / 100		Tief CHF 8-15 / 100		Tiefer als LTE-M
Im 5G Standard eingebettet		Nein  (LTE spezifisch)		Ja		Ja
Fallback wenn kein Netz verfügbar		2G (veraltet)		2G (veraltet)		Nein

Zusammenfassung: Das sollten Sie bei der Technologiewahl berücksichtigen

Sensitivität, Datenrate, Stromverbrauch etc. sind nicht voneinander unabhängig. Lassen Sie sich deshalb nicht von einzelnen Werten blenden. Beispiel LTE-M: Ist der Netzempfang schlecht, erhöht das Modem die Sendeleistung, wodurch der Stromverbrauch ebenfalls ansteigt. Gehen Pakete verloren, muss die Kommunikation wiederholt werden, was sich ebenfalls negativ auf den Stromverbrauch auswirkt.

Falls Sie nicht auf einen besonders tiefen Stromverbrauch angewiesen sind, haben Sie mit dem Cat1bis Standard eine Lösung, die Sie unkompliziert global ausrollen können. Mit der aktuell bestehenden Breitband Netzinfrastruktur inkl. Roaming erhalten Sie eine gute internationale Abdeckung. Die hohe Datenrate bietet mehr als genug Kapazität für alle denkbaren Anwendungsfälle.

Ist ein tiefer Stromverbrauch priorisiert, so bietet LTE-M einen guten Kompromiss zwischen Datenrate, Energieverbrauch und Hardwarekosten. Mobile Anwendungen bleiben möglich. 

Beachten Sie aber, dass bei Schmalband-Technologien aufgrund (noch) fehlender Roaming-Agreements die zur Zeit noch fehlende globale Abdeckung ein Problem darstellen könnte. Es ist daher wichtig, vor einem Hardware Design den geografischen Zielmarkt einzugrenzen. Das schützt sie vor bösen Überraschungen bei der Markteinführung ihres IoT Produkts.

Mit allen vorgestellten Lösungen haben Sie das IoT Gateway in die Cloud direkt auf Ihrem Produkt, sind unabhängig von der IT ihrer Kunden, womit support-intensive, aufwändige Inbetriebnahme Prozesse entfallen.