Socionext Europe GmbH

„Wir sehen bei der IoT-Kommunikation mit ZETAG-LPWAN großes Potenzial und wir werden unser Angebot hier ständig erweitern,“ sagt Yvon Rannou, Senior Marketing Manager bei Socionext.

Bild: Socionext

Interview mit Yvon Rannou von Socionext (Promotion) ZETA LPWAN revolutioniert das IoT

20.05.2022

Immer mehr Unternehmen setzen auf die Vernetzung ihrer IoT-Geräte - von kleinen Sensoren bis hin zu komplexen Industriemaschinen. Herkömmliche Funkstandards stoßen dabei schnell an ihre Grenzen. Gefragt sind daher neue Funktechnologien wie ZETA LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), die auf Basis von Advanced M-FSK arbeiten und eine schnelle und sichere Datenkommunikation über große Entfernungen ermöglichen.

Socionext hat den Next Generation ZETA-LPWAN-Kommunikationsstandard in Zusammenarbeit mit ZiFiSense und Techsor entwickelt. Wie kam es zu dieser Zusammenarbeit?

Ursprünglich wurde der ZETA-LPWAN-Kommunikationsstandard von ZiFiSense definiert und entwickelt. Der ZETA-Standard unterstützt heute drei Protokolle: ZETA-G, ZETA-S und ZETA-P, die verschiedene Kommunikationsanwendungen adressieren. Socionext hat mit ZiFiSense und Techsor bei der Spezifikation neuer SoCs (System on Chips) zur Unterstützung des ZETA-Standards zusammengearbeitet. Das Ziel des Unternehmens ist es, spezielle SoC-Lösungen für den ZETag-Markt zu entwickeln und anzubieten. ZETag ist ein IoT-Tag-Produkt, das das ZETA-G-Protokoll, eine Untermenge des ZETA-Standards, verwendet. Das ZETag-System zeichnet sich besonders durch niedrige Kosten, geringen Stromverbrauch und eine sichere Kommunikation über lange Strecken aus. Manchmal wird ZETag auch als Cloud Tag bezeichnet und ist typischerweise ein sehr einfaches Produkt für Cloud-Konnektivität. Während dieser ersten Entwicklungsphase arbeiteten die drei Unternehmen eng zusammen, um den Standard zu überarbeiten und die Leistung von ZETA LPWAN zu verbessern sowie die Vision von weltweiten LPWAN 2.0 zu unterstützen.

Können Sie kurz die technologischen Grundlagen der ZETA-Technologie erläutern?

Wie bereits erwähnt, wurde die ZETA-Technologie von ZiFiSense spezifiziert und ist Teil des globalen LPWAN-Standards (Low Power Wide Area Network), der für IoT-Anwendungen geeignet ist. Der ZETA-Standard nutzt ISM-Bänder im Sub-GHz-Bereich, die auch als unlizenzierte Bänder bezeichnet werden, und setzt mehrere Ultra-Narrow-Band-Kanäle (UNB) ein, um eine breite Gebietsabdeckung und eine tiefe Signalpenetration zu gewährleisten. ZETA bietet bidirektionale Kommunikation, hohe Empfangsempfindlichkeit und eine Multi-Hop-Topologie mit geringem Stromverbrauch. Dies schafft Vorteile gegenüber anderen LPWAN-Standards, bei denen die Ausbreitung der Funkwellen unter bestimmten Bedingungen gestört wird. Der ZETA-Standard ist auch das erste Kommunikationsprotokoll, das eng mit Edge Computing gekoppelt ist. So kann ein Sensor mit ZETA-Protokoll zu einem "intelligenten LPWAN-Frontend" aufgerüstet werden, und dieser Sensor ist dann in der Lage, unterschiedliche lokale Daten sofort zu verarbeiten, um die Latenzzeit zu reduzieren und die Netzwerkbandbreite zu optimieren.

ZETA-LPWAN basiert auf der "Advanced M-FSK Modulation". Können Sie diese Modulationstechnologie (auch im Vergleich zu 2-FSK) näher erläutern?

Sicher, der neueste ZETA-Standard profitiert von Multi-Frequency Shift Keying, Advanced M-FSK-Modulation genannt, und bietet viele Vorteile im Vergleich zum herkömmlichen ZETA-Standard, der auf 2-FSK-Modulation basiert. Eine 2-FSK-Modulation wandelt nur ein Bit auf einmal um, eine 4-FSK (M=4) wandelt zwei Bits auf einmal um, eine 8-FSK (M=8) liefert drei Bits auf einmal und so weiter. Diese Modulationstechnik erhöht die Datenrate und ermöglicht die Datenkommunikation mit einer höheren Bitrate bei besserer Skalierbarkeit. Die "Advanced M-FSK-Modulationsmethode" verwendet eine mehrstufige Modulation wie z. B. 64-FSK und verbessert auf diese Art die Kommunikationsgeschwindigkeit. So erreicht die Advanced M-FSK eine bis zu 20-mal schnellere Übertragungsrate, verbessert die Rauschempfindlichkeit um 10 dB und ermöglicht eine störsichere Kommunikation mit mobilen Objekten. Auf diese Weise können wir Objektbewegungen bis zu einer Geschwindigkeit von 120 km pro Stunde in einer Entfernung von 3 bis 5 km verfolgen. Und schließlich ist die Advanced M-FSK auch rückwärtskompatibel zu bestehenden ZETA-Geräten, die die 2-FSK-Modulation unterstützen.

Wie unterscheidet sich die ZETA-Technologie von vergleichbaren LPWAN Standards wie LoRaWAN, Sigfox oder Narrowband IoT?

Innerhalb des LPWAN-Standards gibt es zwei Gruppen: das lizenzierte Spektrum mit NB-IoT und das unlizenzierte Spektrum mit LoRa, Sigfox und ZETA, die freie Frequenzbänder nutzen und für die keine Lizenzgebühren erhoben werden. LoRa und NB-IoT sind inzwischen gut etablierte LPWAN-Technologien. ZETA ist aber auf dem Vormarsch und in einigen asiatischen Ländern wie China sehr beliebt. Alle LPWAN-Standards sind auf einen geringen Stromverbrauch ausgelegt, allerdings ist ZETA im Hinblick auf den Energieverbrauch am besten optimiert. Wenn wir einen Blick in das unlizenzierte Spektrum werfen, ermöglichen LoRa und ZETA eine bidirektionale Kommunikation. Sie haben zudem im Vergleich zu Sigfox die größte Bandbreite mit einer hohen Datenrate. Ein weiterer wesentlicher Unterschied ist die Netzwerkinfrastruktur: Die LoRa- und ZETA-Technologie kann über ein privates Netz oder einen öffentlichen Netzbetreiber eingesetzt werden, je nach Länderabdeckung. Sigfox hingegen ist nur von der Abdeckung durch ein öffentliches Netz abhängig, wofür Abonnementgebühren anfallen. Schließlich ist ZETA auch das erste LPWAN, das ein verteiltes Mesh-Netzwerk mit erweiterter M-FSK-Modulation im Ultra-Narrow-Band (UNB) unterstützt und Mehrkanal-Kommunikation ermöglicht. In Bezug auf den Empfang bietet ZETA mit einer Verbesserung von 5 dB gegenüber LoRa die höchste Empfindlichkeit.

Was sind die wichtigsten technologischen Vorteile der neuen ZETag-Funktechnologie in Bezug auf Geschwindigkeit, Reichweite, Sicherheit oder Energieverbrauch?

Lassen Sie uns zunächst einige wichtige technologische Vorteile von ZETag erörtern: ZETag bietet eine hohe Reichweite von bis zu 3 km und einen Stromverbrauch im Mikroamperebereich, was eine lange Lebensdauer von bis zu 5 Jahren ermöglicht. Mit einem Kostenaufwand von 1/3 bis 1/10 einer ähnlichen Technologie kann ZETag als Ultra-Low-Cost-Technologie bezeichnet werden. Sie bietet eine hohe Übertragungskapazität, bis zu 60-mal mehr als vergleichbare Technologien, und ermöglicht eine störungsfreie Kommunikation bei einer Geschwindigkeit von bis zu 120 km pro Stunde in einem Umkreis von 3 bis 5 km bei sich bewegenden Objekten.

Was ist der Unterschied zwischen ZETA und ZETag?

ZETA ist ein Standard dagegen ist ZETag eine Tag-Lösung, die für aktive Tag-Anwendungen optimiert ist und den Vorteil des geringen Stromverbrauchs und der Langstreckenkommunikation von ZETA nutzt. Diese ZETag-Lösung wird auch als Cloud-Tag bezeichnet. ZETA unterstützt bidirektionale Kommunikation und Multi-Hop-Kommunikation ähnlich wie bei einem Repeater, ZETag ist eine Untergruppe des ZETA-Standards und kann nur in eine Richtung kommunizieren, unterstützt also nicht die typische Repeater-Funktion. Darüber hinaus ist die Funkwellenleistung etwa halb so hoch wie die von ZETA. Ein großer Vorteil von ZETag ist, dass es auf kostengünstige IoT-Systeme mit niedrigem Stromverbrauch optimiert ist.

Was steckt hinter der LPWAN 2.0-Technologie?

Mit LPWAN 2.0 forcieren wir die Entwicklung der nächsten Generation von LPWAN-Technologien, die kostengünstige IoT-SoCs für ZETag-Anwendungen bieten. Dieser IoT-Tag könnte etwa mit gedruckten Batterien betrieben werden und im Freien eine Reichweite von bis zu 10 km erreichen. Damit wird der IoT-Markt um kleine und einfache Objekte wie wiederverwertbare Verpackungen, Pakete oder Frachtbriefe erweitert.

Für welche industriellen und nicht-industriellen Anwendungen ist die "Next Generation ZETA-LPWAN-Technology" besonders gut geeignet?

LPWAN-Technologien werden bereits weltweit eingesetzt und haben ein gutes Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen im Internet der Dinge (IoT) und Machine-to-Machine (M2M) gezeigt, insbesondere in problematischen Umgebungen in Bezug auf Funkkommunikation. Insgesamt ist die ZETA-Technologie für ein breites Spektrum intelligenter Anwendungen geeignet, darunter Umweltüberwachung, intelligente Gebäude, intelligente Städte, Industrieautomatisierung und intelligente Fertigung und Medizin sowie intelligente Landwirtschaft und so weiter. Und nun zu ZETag. ZETag widmet sich den IoT-Tag-Produkten, die die ZETA-Technologie nutzen, und unterstützt viele Anwendungen im Bereich von: Asset Management zur Optimierung der Nutzung von Paletten, Kisten, intelligenten Containern. Schutz und Verfolgung zur Sicherstellung der Echtzeitverfolgung und Überwachung des Status von Waren während des Transports, z. B. in der Kühlkette. Und der letzte Punkt ist die Logistik, um die rechtzeitige Überwachung von Waren zu gewährleisten und die Transporteffizienz zu verbessern.

Welche Infrastruktur wie Hardware oder Software benötigen die Anwender, um die ZETA-Kommunikationstechnologie effizient zu nutzen?

Um ein IoT-Netzwerk auf der Grundlage der ZETA-Kommunikation einzurichten, benötigt man die folgende Infrastruktur: Zunächst einmal braucht der Anwender mehrere Sensoren, auch ZETA-Knoten genannt. Sie sind dafür verantwortlich, Daten zu sammeln und diese an einen ZETA Access Point (AP) - auch ZETA Gateway genannt - zu übertragen. In einigen Anwendungen sind die IoT-Sensoren an Gegenständen wie Logistikpaketen oder Containern angebracht. Als weiteres Gerät wird ein Zugangspunktbenötigt. Dieser empfängt Daten von verschiedenen Sensoren und lädt diese Volumendaten auf einen Server hoch. Einige intelligente Gateways können bereits Daten lokal vorverarbeiten und diese dann in die Cloud hochladen, sodass nur die wichtigen Informationen in die Cloud hochgeladen werden. Das ist effizient und spart Bandbreite. Manchmal werden dem Netzwerk einige Mote-Geräte, auch Mesh-Router genannt, hinzugefügt, um die drahtlose Kommunikationsstärke zu verbessern und die Kommunikationsreichweite zu vergrößern.

Socionext ist ein Mitglied der ZETA-Alliance. Was hat Sie dazu bewogen, dieser Organisation beizutreten?

Die ZETA-Alliance wurde 2018 in Japan ins Leben gerufen und von Techsor, ITAcces, QTNet und der Toppan Group gegründet. Heute sind mehr als 123 Organisationen in der Allianz vertreten und Socionext ist Vorstandsmitglied der ZETA Alliance. Die Hauptaufgabe der ZETA-Alliance etwa in Japan ist die Förderung und Erweiterung der ZETA-Technologie für den LPWAN-IoT-Markt. Hier einige Aktivitäten der ZETA Alliance: Austausch von ZETA-Anwendungsfällen und Veröffentlichung eines Implementierungshandbuchs. Erleichterung des Informationsaustauschs zwischen Unternehmensmitgliedern einschließlich der gemeinsamen Entwicklung von ZETA-kompatiblen Produkten und Dienstleistungen. Bearbeitung von Anfragen zur Verbesserung des ZETA-Standards und Zusammenarbeit mit lokalen Unternehmen bei der Entwicklung der ZETA-Infrastruktur wie Gateways, Zugangspunkte und RF-Module unter der Marke "Made in Japan". Und schließlich gehört zum Aufgabenbereich auch die allgemeine Förderung der ZETA-Technologie.

Worauf konzentriert sich die ZETA Alliance und wie profitieren die Unternehmen von der Mitgliedschaft in der ZETA-Organisation?

Die ZETA Alliance wurde gegründet, um die ZETA-Technologie zu fördern. Die globale Allianz hat heute über 300 Mitglieder, die hauptsächlich in China, Japan und seit kurzem auch in Europa ansässig sind. Die ZETA Alliance Japan wurde im Juni 2018 mit vier Mitgliedern ins Leben gerufen und hat 123 Mitglieder (Oktober 2021). Die ZETA Allianz China wurde im April 2019 gegründet und hat 175 Mitglieder (Dezember 2021). Durch den Beitritt zur Allianz haben Unternehmen im Entwicklerforum frühzeitig Zugang zu allen technischen Informationen des ZETA-Standards. Sie können zudem sich leicht mit allen kommerziellen Partnern auf dem IoT-Markt vernetzen.

Die ZETA Alliance besteht heute aus mehr als 300 Unternehmen weltweit, die gemeinsam den Einsatz und die Nutzung von ZETA fördern. In Asien hat sich die ZETA-Technologie bereits durchgesetzt. Was erwarten Sie für Europa?

Die ZETA Alliance ist eine globale Allianz, die den ZETA-LPWAN-Standard für eine breite Palette von IoT-Lösungen auf der Grundlage der Advanced M-FSK-Modulationstechnologie fördern will. Europa ist die vierte Region, die nach China, Japan und Südostasien gegründet wurde. Im Moment sind ZiFiSense und das ZETA-Protokoll in Europa noch wenig bekannt, aber die neue ZETA-Alliance Europe wird von den erfolgreichen Implementierungen in China profitieren, insbesondere in den Bereichen intelligente Logistik und Asset Tracking und sich schnell etablieren. Anfang 2021 war die ZiFiSense-Partnerschaft mit Sensing Labs in Frankreich ein erster Schritt zur Einführung der ZETA-Alliance in ganz Europa. IoT-Akteure, Siliziumhersteller und Distributoren sind nun eingeladen, sich der technologischen und kommerziellen Zusammenarbeit der derzeit 300 Mitglieder in der Allianz anzuschließen, um das neue Modell von LPWA 2.0 - Pervasive IoT - erfolgreich einzusetzen. Sensing Labs in Frankreich hat bereits begonnen, anwenderspezifische Lösungen auf der Basis von ZETA und ZETag zu entwickeln und zu vertreiben. Socionext wird der ZETA-Alliance Europe ebenfalls beitreten, um an dieser Dynamik teilzuhaben beziehungsweise diese voranzutreiben.

Welche Produkte bietet beziehungsweise entwickelt Socionext derzeit nach dem neuen ZETA-Standard?

Socionext entwickelt aktuell neue Produkte für ZETag, das ist eine neue Generation von Cloud-Tags, die das ZETA-Kommunikationsprotokoll nutzen. Das erste Produkt ist der SC1330-Baustein, der eine Signalverarbeitungseinheit enthält, die "Advanced M-FSK"-Modulation unterstützt. Außerdem verfügt der Chip über einen RISC-V 32 bit CPU-Kern und eingebettete Speicher inklusive zahlreiche Schnittstellen. Dieses neue Produkt bietet eine hohe Integration, passt in ein QFN24-Gehäuse (4 x 4 mm) und unterstützt Einwegkommunikation (Up-Link). Außerdem wird durch die Verringerung der Größe und die Anzahl der für Tag-Produkte benötigten Komponenten dazu beitragen, die Stücklistenkosten zu senken und die Qualität und Zuverlässigkeit zu verbessern. Socionext hat den SC1330 -Chip im Oktober 2021 angekündigt und plant den Beginn der Serienproduktion für Mitte 2022.

Wie unterstützen Sie Kunden, die die neue ZETA-Technologie in ihr Unternehmen integrieren wollen?

Um die Evaluierung und das Design des neuen ZETag SoC SC1330 zu erleichtern, bereitet Socionext ein Ökosystem mit Evaluierungsboards, Referenzdesigns und ZETag-Protokoll-Firmware für die Kunden vor. Für spezielle Anforderungen wie dedizierte ZETag-Module oder ZETag-Firmware-Updates arbeiten wir mit Partnern zusammen, um unsere Supportkapazitäten und das ZETA-Ökosystem ständig zu erweitern.

Was sind die weiteren Pläne und Ziele von Socionext in Bezug auf die ZETA-Technologie?

Socionext hat langjährige Erfahrung in der Unterstützung verschiedener drahtloser Kommunikationsstandards, die auf RF-CMOS-Technologien basieren, um eine große Bandbreite von Anwendungen wie Radarsensoren, SubGig-Kommunikation, Satelliten, Rundfunk oder RF-Medizin zu adressieren. Wir sehen bei der IoT-Kommunikation mit LPWAN großes Potenzial und wir werden unser Angebot diesbezüglich ständig erweitern, um das ZETA-Protokoll auf verschiedene Weise zu unterstützen, etwa mit SoCs der nächsten Generation mit bidirektionaler Kommunikation für verschiedene ZETA-Produktreihen einschließlich Advanced M-FSK-Modulation. Zudem sind wir in der Lage, auch diverse LPWAN-Hybrid-SoCs und kundenspezifische SoC-Bausteine mit ZETA-Protokoll zu entwickeln.

Weitere Informationen zum Thema finden Sie hier.

Bildergalerie

  • Die ZETA-Infrastruktur im Überblick.

    Bild: Socionext

  • Die Funktionsbausteine eines ZETA-basierten SoC ZETag.

    Bild: Socionext

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