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Expertenbeitrag

Hanspeter Meindl

Hanspeter Meindl

Global Head of Smart Manufacturing , Wipro Limited

Mobilfunkstandards

Standards werden das mobile Ökosystem voranbringen

| Autor/ Redakteur: Hanspeter Meindl / Sebastian Human

Seit der Einführung der 2G-Technologie in den frühen 90ern hat sich die mobile Technologie enorm weiterentwickelt. Mit GPRS kam die Web-Unterstützung, schnelles Surfen und Video-Telefonie wurden durch 3G möglich. Mit LTE wurde dann sogar Video-Streaming in hoher Auflösung praktisch einsetzbar.

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Expertenrechnen damit, dass die Zahl der vernetzten Geräte in zwei Jahren auf circa 40 Milliarden anwachsen wird.
Expertenrechnen damit, dass die Zahl der vernetzten Geräte in zwei Jahren auf circa 40 Milliarden anwachsen wird.
(Bild: Photo by Mario Caruso on Unsplash / CC0)

Die Kosten für Datenübertragungen sinken und die Geschwindigkeit wird höher, so dass Unternehmen nach Einsatzmöglichkeiten dieser Netzwerke Ausschau halten, die über Telefonieren und Web-Inhalte hinausgehen. Bereits heute setzen Branchen wie das Gesundheitswesen, Versorger oder die Automobilindustrie auf das Ökosystem rund um das Internet der Dinge und Maschinenkommunikation(M2M). Analysten gehen davon aus, dass die Zahl der vernetzten Geräte bis 2020 auf rund 40 Milliarden anwachsen wird - mehr als doppelt so viele wie aktuell. Viele der M2M-Geräte setzen bei der Anbindung noch auf GPRS-Module. Ein so gestaltetes mobiles IoT hat sich bislang als praxistauglich erwiesen, weil die Geräte nur relativ geringe Datenraten benötigten. Darüber hinaus ermöglichte GPRS längere Batterielaufzeiten und eine zuverlässigere Verbindung als 3G. Wenn sich die Netze von GSM- in Richtung LTE-Technologien entwickeln, werden sich die Connectivity-Lösungen aber anpassen müssen.

Das weltweite Normungsgremium 3GPP (die Abkürzung steht für „Third Generation Partnership Project”) hat bei der Berücksichtigung dieser Bedenken eine aktive Rolle gespielt. Erste Bemühungen diesbezüglich starteten mit der 3GPP Version 10, mit der eine Architektur für Machine Type Communications (MTC) eingeführt wurde. Dies hat sich für die Bereitstellung von Standardfunktionen und -spezifikationen sowohl für Mobilfunknetze als auch für M2M-Module als hilfreich erwiesen.

Geräte- und Netzwerkanforderungen an Mobilfunknetze

Um eine große Zahl an Geräten integrieren zu können, müssen alle Beteiligten - Gerätehersteller, Netzbetreiber, Service-Provider und Regulierungsbehörden - sich auf eine Reihe von Anforderungen rund um die eingesetzten Technologien verständigen. Derzeit geht es vor allem darum, inwieweit diese sowohl von proprietären als auch von Lösungen auf Basis des 3GPP-Standards erfüllt werden. Auf Basis der angedachten Funktionen lassen sich grob drei Kategorien einteilen: Geräte-, Netzwerk- und allgemeine Anforderungen.

Geräteanforderungen

  • Schnellerer Datentransfer: Momentan benötigen IoT-Services nur geringe Bandbreiten für die Kommunikation zwischen Geräten und Anwendungsservern und laufen gut mit GPRS-Verbindungen. Datenintensive Anwendungen wie Videoüberwachung, Services in der Notfallmedizin und automobile Geräte werden aber nur mit Transferraten funktionieren, wie sie 3G- oder LTE-Netze bieten. LTE nutzt die vorhandenen Frequenzen effektiver und ermöglicht eine flexible Nutzung der Bandbreite, was es zum besseren Kandidaten unter diesen beiden Technologien macht. Projekte mit M2M-Modulen profitieren von der effektiveren Frequenznutzung, günstigeren Kosten und dynamischer Bandbreiten-Zuweisung.
  • Ultra-niedriger Energieverbrauch: IoT-Geräte müssen für gewöhnlich mit sehr wenig Energie auskommen - viel weniger als bei typischen LTE-Handgeräten. In bestimmten, abgelegenen Gegenden müssen Geräte gegebenenfalls bis zu 10 Jahre mit der Energieausbeute aus ein paar AA-Batterien klarkommen. Dabei ist es sehr wichtig, dass solche Geräte längere Perioden passiv bleiben können. Große Latenzen und längere Lücken zwischen Übertragungen sollten kein Problem darstellen.
  • Kosten und Formfaktor: LTE-Module sind generell größer und teurer als GPRS-Lösungen. Die 3GPP-Versionen 12 und 13 beinhalten bereits LTE-MTC-Funktionen, um Kosten und Größe zu senken. Durch 10 bis 14 Nanometer Siliziumtechnologie, langsameren Speicher (SDRAM) und langsamere Prozessoren könnten LTE-Module weiter verbessert werden.
  • Leichte Entwicklung und Integration: IoT-Geräte müssen saubere Test- und Freigabeprozesse durchlaufen, damit sie effizienter in das Netz integriert und schneller eingerichtet werden können. Zu den Anforderungen zählt, dass die Hard- und Software von OEM-Modulen auf Compliance ausgerichtet ist, dass Vorgaben von Regulierungsbehörden und Standards eingehalten werden, dass sie von Carriern oder Netzanbietern zugelassen sind und dass sie last but not least länderspezifische Anforderungen einhalten.

Netzwerkanforderungen

  • Umgang mit Überlastung und Engpässen: Wenn eine große Anzahl von IoT-Geräten gleichzeitig versucht, sich mit einem Netz zu verbinden, kann es zu ernsthaften Problemen durch Netzüberlastungen kommen. Falls ein Netz ausfällt und die Geräte versuchen, sich mit anderen verfügbaren Optionen zu verbinden, kann es sogar zu einem Dominoeffekt kommen. Die 3GPP Versionen 10 und 11 sehen Prüfungen vor, bevor ein Gerät sich mit dem Netz verbindet. Mehrere Funktionen sollen eine Überlastung verhindern. Erfahrungen zeigen, dass diese Funktionen, je nach Gerätetyp konfiguriert, dazu beitragen können, Engpässe auf der Mobilitätsebene zu bewältigen.
  • Schutz des Netzwerks: Es kann Situationen geben, in denen ein anormales Verhalten von IoT-Geräten zu einer Netzüberlastung führen kann. Die Bewältigung solcher Situationen kann den Rahmen der 3GPP-Funktionen sprengen, ist aber entscheidend für den Aufbau eines effizienten IoT-Ökosystems. Dies kann erreicht werden, indem das Geräteverhalten kontinuierlich überwacht, Probleme auf Netzwerkebene diagnostiziert und fehlerhafte Geräte deaktiviert werden.
  • Skalierbarkeit und einfache Bereitstellung: Es ist klar, dass es Herausforderungen bei der Bereitstellung von Nicht-3GPP-Standardtechnologien und deren Skalierung zur Unterstützung aller potenziellen IoT/M2M-Dienste gibt. Damit wird das zellulare IoT die natürliche Konnektivitätslösung in der M2M-Landschaft sein. Wir haben gesehen, dass die meisten der Verbesserungen, die zur Unterstützung von IoT in bestehenden Netzwerken erforderlich sind, softwarebasiert sind. Dies macht es wesentlich einfacher, die Infrastruktur bei Bedarf zu erweitern.

Allgemeine Anforderungen

  • Unterstützung von Mobilität – zwischen 3GPP- und Nicht-3GPP-Technologien: Eine der wichtigsten Anforderungen des IoT ist die effiziente Zusammenarbeit zwischen LTE- und Wi-Fi-Konnektivität. Dies gilt insbesondere für die Sicherstellung einer kontinuierlichen Verbindung für Anwendungen, die Mobilität erfordern, wie zum Beispiel Rettungsdienste. Es trägt auch dazu bei, die Belastung des LTE-Netzwerks zu verringern und den Stromverbrauch der Geräte zu optimieren. Solche Interworking-Funktionen werden seit Release 8 unterstützt, sind aber in den Releases 10 bis 12 deutlich ausgefeilter geworden. Diese Funktionen erfordern Verbesserungen an allen drei Aspekten: M2M-Geräten, Wi-Fi-Netzwerk und LTE-Netzwerk.
  • Zuverlässigkeit und Zugänglichkeit: Mobilfunknetze sind allgegenwärtig geworden. Ausfälle können aber ein großes Problem darstellen, insbesondere in abgelegenen Gebieten und im Weltraum. Um mit einem Minimum an manuellen Eingriffen den Kontakt aufrecht zu erhalten, sollten die Netzabdeckung erhöht und die Geräte in der Lage sein, in Bereichen mit sehr geringem Signal zu arbeiten.

Mobilität ist die große Herausforderung bei der Einführung von LTE

LTE-Netzwerke sind eine natürliche Wahl für IoT-Anwendungen, aber es gibt gewisse Einschränkungen für diesen Ansatz. Eine wesentliche Einschränkung ist die weltweite Fragmentierung des LTE-Bandes. Es ist sehr teuer, mehrere Bänder auf einem einzigen Gerät zu unterstützen, daher muss es hier zu einem Kompromiss zwischen Kosten und Mobilität kommen. M2M-Geräte mit Kostenbeschränkungen können nicht mit Multimode-Unterstützung ausgestattet werden und müssen daher auf eine bestimmte Region oder ein bestimmtes Land beschränkt werden. Ebenso würde eine Anwendung mit länderübergreifender Mobilität viel teurer werden als ein lokales Gerät.

Das mobile IoT wird zum bevorzugten Medium der Konnektivität im M2M-Raum, da die Anzahl der Geräte schnell steigt und so Fakten geschaffen werden. Sowohl M2M-Module als auch LTE-Netzwerke müssen über die Standard-3GPP-Funktionen verfügen, um eine effizientere Konnektivität von Handhelds und M2M-Geräten zu gewährleisten. M2M-Module müssen aktualisiert und optimiert werden, um mit aktuellen und zukünftigen Mobilfunktechnologien kompatibel zu bleiben. Ebenso sollten die Netzwerke selbst unter Berücksichtigung von M2M-Anwendungen gestaltet werden. Eine unzureichende Implementierung von 3GPP-Features auf beiden Seiten könnte zu einem echten Flaschenhals für erfolgreiche IoT-Projekte werden.

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