LTE im Internet of Things

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Viele mobile Applikation kommunizieren bereits heute über Mobilfunk. Für Applikationen mit geringen Anforderungen an Übertragungsgeschwindigkeit und Datenrate reichen häufig 2G Verbindungen (wie GSM) aus.


Beispiele solcher Applikationen findet man heutzutage zahlreich:

  • Tracking von Fahrzeugen und Anhängern in der Logistik. Die mobilen Wächter benachrichtigen die Zentrale falls Komponenten ausfallen oder senden in regelmäßigen Abständen Sensormesswerte
  • Für betriebskritische Anwendungen haben viele Systeme ein redundantes Kommunikationssystem. So verwenden beispielsweise Systeme auf dem Vorfeld von Flughäfen primär das WLAN und bei einem Ausfall oder in einem schwach ausgestrahlten Bereich wird auf Mobilfunk umgestellt
  • Wasserstandssensoren, welche Wasserstände in Gebieten messen, die weder mit Strom noch mit Festnetzanschlüssen versorgt sind, werden mit einer Batterie betrieben und senden ihre Daten über Mobilfunk

Viele dieser Systeme sind bereits seit Jahren im Einsatz. Wie schaut es nun aus, wenn die Systeme ausgetauscht werden müssen? Welchen Schritt unternimmt man bei einem Austausch? Bleibt man bei 2G oder wechselt man nach 2.5G (GPRS), 3G (EDGE, UMTS) oder direkt nach 4G (LTE)? Insbesondere zu einer Zeit in der die ersten Abkündigungen von 2G Netzen ausgesprochen werden (z.B. beenden AT&T und Telstra ihre 2G Dienste zum 31.12.2016), ist bei einer Erneuerung von betroffenen Komponenten ein Umstieg auf eine neuere Technologie zukunftssicherer. Mittel- und langfristig geplant ist dabei ein Umstieg auf 4G – die aktuellste Technik auf dem Markt – am sinnvollsten. Jedoch sind viele Internet of Things (IoT) und Machine-to-Machine (M2M) Systeme stark ressourcenbeschränkt und verfügen über keine externe Energiequelle. LTE scheint für diese Systeme zu hoch gegriffen, da es, verglichen zu 2G-Komponenten, andere Eigenschaften aufweist, die in vielen M2M-Szenarien nicht benötigt werden:

  • Durch komplexere Übertragungs- und Kodierungsmethoden haben LTE-Komponenten höhere Anforderungen an Ressourcen
  • Eine intensivere Nutzung von Ressourcen bedingt auch einen höheren Energieverbrauch, was insbesondere ohne externe Energiequellen zu erhöhtem Betriebsaufwand führt
  • LTE-Funkzellen sind verglichen mit GSM-Funkzellen klein. Für weit verteilte M2M-Anwendungen ist eine flächendeckende Ausstrahlung notwendig

Um LTE für die Kommunikation im Internet of Things attraktiver zu machen, spezifiziert das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) bereits seit 2013 LTE-Features, welche insbesondere für M2M-Kommunikation interessant sind. Diese Features erscheinen mit den 3GPP Releases 12, 13 und 14. Der Rollout von LTE Cat 0 Release 12 wird für dieses Jahr erwartet.

Das Gesamtvorhaben LTE für M2M zugänglicher zu machen, wird gelegentlich als „light-weight LTE“ oder „LTE-M“ bezeichnet. Folgende Features spielen dabei für das Internet of Things eine wichtige Rolle:

  • Während der Downlink bei LTE Release 8 Cat 4 150 Mbps und der Uplink 50 Mbps betragen, kann man beide Werte ab Release 12 Cat 0 auf 1 Mbps beschränken, bzw. mit Release 13 auf ca. 200 Kbps. Die Möglichkeit der Endgeräte die Bandbreite durch geeignete Parameter Netzseitig zu beschränken, hat Implikationen auf den Energieverbrauch und die Ressourcenanforderungen
  • Ab Release 12 Cat 0 ist ein Halb-Duplex Betrieb möglich (vorher: Full-Duplex)
  • Die Hardwarekomplexität beträgt bei LTE Release 13 Modulen nur noch ein Fünftel der Komplexität von Release 8 Cat 4 Modulen
  • Anstatt mindestens zwei Rx Antennen für den LTE Release 8 Cat 4 Empfang, benötigt man ab Release 12 nur noch eine Rx Antenne
  • Durch diese Reduzierungen sinken die Hardwarekosten für LTE-M Module verglichen zu vollwertigem LTE um ca. 50% und sind damit in der gleichen Preisklasse wie EG-PRS Module
  • Wenn ein Endgerät im LTE Release 8 Cat 4 Betrieb mit zwei AA Batterien fünf Wochen ausgehalten hat, so erreicht es mit Release 13 eine Betriebszeit von zehn Jahren
  • Durch verschiedene Maßnahmen wird die Reichweite von LTE-M Netzen erweitert

Um diese Ziele zu erreichen, sind viele kleine technische Anpassungen am LTE-Standard notwendig. So wird beispielsweise zur Reduktion des Energieverbrauchs in Release 12 ein Power Saving Mode (PSM) eingeführt. Während das LTE-Modem aktiv ist, läuft ein Timer im Hintergrund. Wenn der Timer ausläuft, wird das Modem in einen Ruhezustand versetzt. In diesem Zustand ist es nicht im Netzwerk registriert. Erst durch ein Signal seitens des Endgerätes kann das Modem wieder aktiviert werden und meldet sich im LTE Netz wieder an. Dieses und weitere Feature kann man für Release 12 Cat 0 unter http://www.3gpp.org/release-12 und für Release 13 unter http://www.3gpp.org/release-13 im Detail nachlesen.

Mit der Einführung solcher Features ändert sich auch das Anmelde-/Abmeldeverhalten der Endgeräte und wirkt somit anders auf die LTE-Netze. Daher sind auch Anpassungen seitens der LTE-Infrastruktur und Basisstationen notwendig. Diese Anpassungen beschränken sich jedoch aller Voraussicht nach auf ein Softwareupdate. Zudem bleibt die Rückwärtskompatibilität zu älteren LTE-Versionen vollständig erhalten.

Mit der Einführung von LTE Release 12 Cat 0 ab diesem Jahr sind anschließend auch die ersten Modems und Endgeräte mit entsprechender Ausrüstung zu erwarten. Bei mittel- und langfristigen Planungen rund um den Mobilfunkbetrieb von M2M-Komponenten sollten diese Techniken jedoch bereits heute in strategische und technische Überlegungen einbezogen werden.

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Ein Kommentar zu "LTE im Internet of Things":

  1. Dr. Kauffels schreibt:

    Eine kleine Ergänzung. Wichtige Hersteller für funktechnische Baugruppen haben schon damit begonnen, entsprechende Produkte vorzustellen. Bei Skyworks Solutions http://www.skyworksinc.com gibt es schon eine Reihe genauer Spezifikationen und Modelle, Sierra Wireless http://www.sierrawireless.com hat im Juli letzten Jahres einen ausführlichen Plan vorgestellt. Es gibt hier eine Reihe wirklich sehr interessanter Entwicklungen und ich kann die Aussage, dass man sich planerisch schon jetzt durchaus mit dem Thema befassen sollte, nur unterstützen. LTE-M deckt eine Reihe von Anwendungsfällen ab, die auch bei hohem Aufwand kaum mit WLAN-Technik sinnvoll implementiert werden können. Man kann es wie folgt auf den Punkt bringen: es gibt M2M-Anwendungen, die gelegentlich ein kleines Paket loswerden möchten. Dieses Paket muss dann aber auch „durchkommen“. Nach wie vor garantieren WLANs nach IEEE 802.11 keinesfalls die sichere Auslieferung eines Paktes. Das erreicht man nur mit einem geordneten Funknetz, wie es mit LTE allgemein und mit LTE-M in einer kompakten Form angeboten wird.

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