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Informations- & Kommunikationselektronik Kein IoT ohne neue Netze

17.02.2016

Machine-to-Machine-Kommunikation und das Internet der Dinge stellen neue Herausforderungen an Mobilfunknetze. Von der Einführung neuer Netztechnologien hängt der Erfolg der industriellen Zukunftsvisionen maßgeblich ab. Diese wiederum ist ohne entsprechendes Testequipment undenkbar.

Techniken, die unter Begriffen wie M2M („Maschine-zu-Maschine“) und IoT („Internet der Dinge“) firmieren, haben begonnen, sich in unserem täglichen Leben durchzusetzen. Beispiele in der Nahbereichskommunikation wären eine Armbanduhr, die über Bluetooth mit einem Mobiltelefon kommuniziert oder eine WiFi-Glühlampe, die mit dem Router verbundenen ist. Ähnliche Konzepte, auf Maschinen ausgerichtet, sind auch im Bereich der Langstrecken-Kommunikation zu finden, wie etwa beim Smart Metering, der Sicherheitsüberwachung und so weiter.

Weitverkehrsnetze mit geringer Leistung

Aufgrund der Herausforderungen beim Implementieren der M2M-Kommunikation in bestehende Mobilfunknetze, bewegt sich die Branche in Richtung Spezialsysteme, die darauf ausgerichtet sind, fünf Hauptziele zu erreichen:

  • lange Batterielebensdauer

  • reduzierte Endgerätekosten

  • reduzierte Einsatzkosten

  • Support für eine große Zahl von Endgeräten

  • höhere Reichweite

Diese neue Netzwerkklasse ist heutzutage unter der Bezeichnung „Low-Power Wide-Area (LPWA)-Netz” bekannt und entwickelt sich derzeit in zwei Hauptrichtungen. Die erste Richtung umfasst herstellereigene Lösungen, wie beispielsweise SIGFOX oder LoRa, die den Einsatz neuer Infrastruktur in Frequenz- Bändern ohne Lizenz erforderlich macht. Die andere Hauptrichtung basiert auf der Weiter-Entwicklung der vorhandenen Mobilfunkinfrastruktur in lizensierten Frequenz-Bändern.

Die größte Herausforderung beim Einführen von LPWA-Netzen ist die Bereitstellung einer entsprechenden Architektur, die für M2M Kommunikation optimiert ist. Im Ergebnis beobachten wir eine neue Stufe im Standardisierungsprozess, den wir unter dem Begriff der „Machine Type Communication“ (MTC) kennen.

M2M/IoT-Mobilfunkstandardisierung

Mit dem tatsächlichen Einsatz von LPWA-Systemen muss alleredings abgewartet werden, bis die Betreiber die neuen Ressourcen (Release-12/Release-13) in ihren Netzen einsetzen und bis das Spektrum für die MTC-Anwendung neu zugeteilt wird. Nach aktuellem Stand ist es unwahrscheinlich, dass dieses vor 2016 oder 2017 geschieht.

In der Zwischenzeit erleben LTE-Chipsätze der Kategorie 1 einen Aufschwung auf dem Markt, um einige M2M-Anwendungen abzudecken. Die Kategorie 1 ist auf 10 Mbit/s begrenzt, aber ein wichtiger Schritt in Richtung des durch LTE ermöglichten „Internet der Dinge“.

Die erste Welle von LPWA-Mobilfunkendgeräten ist als Endgeräte der Kategorie 0 bekannt und wird Anfang 2016 erwartet. Die ersten wesentlichen Arbeiten auf dem Gebiet der Standardisierung wurden im Release-12 (2014) im Rahmen der Initiative „Low cost MTC” geleistet. Das Ziel besteht darin, die gleiche Kostenhöhe, Komplexität und den gleichen Energieverbrauch wie bei einem 2G-Modul zu erreichen, jedoch mit einem höheren Datendurchsatzes durch:

  • Reduzierung der Endgerätekosten und Komplexität durch Einsatz von einer statt zwei Antennen

  • Verringerung des maximalen Spitzendurchsatzes
    auf 1 Mbit/s

  • Umschalten auf Halbduplex-Betrieb in LTE (FDD)

Zur weiteren Erhöhung der Batterielebensdauer kann ein Protokolloptimierungsverfahren realisiert werden, das als Energiesparmodus (PSM/Release-12) bekannt ist.

Die Kategorie „LTE-M“ bietet weitere Optimierungen, realisiert in Release-13. Sie hat die weitere Reduzierung der Komplexität zum Ziel, indem mehr Batterieverbrauchseinsparungen erreicht werden, während zudem eine verbesserte Reichweite vorgesehen wird.

Werden die Optimierungen von Release-12 und Release-13 zusammen berücksichtigt, könnten bis zu 75 Prozent der Kosten gegenüber der Standard LTE-Endgeräte-Ausgangsbasis eingespart werden.

Mit verbesserten Protokollverfahren lässt sich die Lebensdauer eines IoT-Endgerätes, das mit einer AA- oder AAA-Batterie betrieben wird, von Tagen auf Jahre verlängern.

Zunehmende Reichweite

Low cost optimierte LTE-M-Endgeräte, basierend auf Release-13, wo die Ausgangsleistung reduziert ist, weisen eine geringere Reichweite auf. Daher bringt Release-13 eine Reihe von Erweiterungsfunktionen für die Reichweite ein, die zusätzliche 15 dB für das Link-Budget bedeuten. Dieses ermöglicht ungefähr eine sieben Mal bessere Flächenabdeckung.

Release 13 spezifiziert zudem NB-IoT, einen weiteren Endgerätetyp, der neue Modulationsverfahren verwendet und durch eine zusaetzliche Reduzierung der Bandbreite auf 180 kHz noch höhere Kosteneinsparungen ermöglicht. Beide Technologien, NB-IoT und LTE-M, ermoeglichen diverse Anwendungen wobei eine höhere Kapazität auf LTE-M möglich ist und NB-IoT sich durch etwas niedrigere Kosten und eine bessere Reichweite auszeichnet.

Test-Herausforderungen

Normalerweise gibt 3GPP die Spezifikationen vor und eine regionale Behörde nimmt Zertifizierungen vor (GCF/PTCRB usw.). Einmal zertifiziert darf das Chipsatz-Modul anschließend in Endgeräte eingebaut werden.

3GPP definiert aktuell Konformitäts-Test-Cases für MTC-Endgeräte der Kategorie 0, die sich auf folgende Bereiche konzentrieren:

  • Eine neue Art von HF-Tests, basierend auf der Reduzierung auf eine Antenne, was die Empfindlichkeit beeinträchtigen und die potenzielle Reichweite verringern würde

  • Tests um zu gewährleisten, dass der maximale Datendurchsatz von 1 Mbit/s trotz energiesparender Optimierung erreicht wird

  • RRC- und Protokoll -Tests, die aufgrund der neuen Energiesparmodi stark beeinträchtigt sind. Das Endgerät sollte noch in Reichweite sein, und zwar selbst dann, wenn es nach einem langen „Schlaf“ aufwacht

Durchführung von Funktionstests

In der Regel verwendet der Systemintegrator einen vorher zertifizierten Chipsatz oder ein Modul bzw. Modem, um die Produktentwicklung zu erleichtern. Während der Integrationsphase ist, selbst wenn man sich auf die Zertifizierung durch GCF oder PTCRB des Chipsatzes verlässt, das Durchführen von Funktionstests erstrebenswert, um potenzielle Fehler aufzuspüren. Normalerweise konzentrieren sich die Testarbeiten auf die Hardwareintegration (Antenne, Leiterplattenentwurf, Batterieversorgung usw.) oder auf die Protokoll-/Anwendungsebene (Aufwachzeiten, Serveranbindung usw.). Eines der wichtigsten Funktionstestverfahren besteht in der Anwendung von Regressionstests. Dies bedeutet, dass der Systemintegrator für jedes neue Hardware- oder Softwarerelease eine Reihe von Testfällen durchlaufen lässt, um zu prüfen, dass sich die Gesamtleistung nicht verschlechtert hat.

In Bezug auf LPWA-Endgeräte umfassen die üblicherweise durchzuführenden Funktionstests:

  • Hardware: Batterietest; Tests zur Empfindlichkeit und zum physischen Datendurchsatz

  • Protokolltests: Erreichbarkeit der Endgeräte (Paging) und Einbuchungs- und Registrierungszeit; Spezifische Vorgaben des Mobilfunkbetreibers (Carrier-Abnahmeprüfung)

  • Anwendungstests: Anwendungsinitiiertes Wake-up (Aufwachen); Serveranbindung (Cloud-Speicherung); Testen des Datendurchsatzes der Anwendung

Mit Hilfe von Netzwerksimulatoren, wie beispielsweise mit dem MD8475A von Anritsu, können Anwender Hardware und Anwendungen in einer reproduzierbaren und kontrollierten Umgebung testen.

Bildergalerie

  • Mithilfe von Anritsus Netzwerksimulator MD8475A sind automatisierte Testdurchführungen zur Ermittlung des Stromverbrauchs von IoT-Mobilfunk-Endgeräten möglich.

    Bild: Anritsu

  • Bis Netzbetreiber die neuen Ressourcen (Release-12/Release-13) einsetzen, erleben LTE-Chipsätze der Kategorie 1 einen Aufschwung auf dem Markt, um einige M2M-Anwendungen abzudecken.

    Bild: Anritsu

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