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Low-Power-Cellular | NB1 und M1: Mobilfunk für das Internet of Things

Erstellt von Sarah Brucker, Product Sales Manager Wireless |   Rutronik SMART

Die LTE-Kategorien NB1 und M1 werden immer beliebter. Jedes Jahr wächst die Zahl von Geräten mit den zellularen Low-Energy-Funkstandards im Schnitt um über 100 Millionen Geräte, so das Marktforschungsunternehmen Berg Insight AB in seinem neuen Bericht Cellular and LPWAN IoT Device Ecosystems. Zusätzlichen Aufschwung erfahren die Funkstandards mit neuen embedded SIM-Lösungen.

Bei NB1 und M1, auch unter den Begriffen NB-IoT (Narrowband-IoT) und LTE-M1 bekannt, handelt es sich um einfachere Versionen des normalen LTE (Long Term Evolution, 3.9G). Das heißt, sie nutzen ein weit geringeres Frequenzspektrum und verbrauchen dadurch extrem wenig Strom. Mit einer Reichweite von mehreren Kilometern sowie einer hervorragenden Gebäudedurchdringung ermöglichen diese Standards völlig neue Applikationsfelder für das IoT. Die Technik eignet sich besonders für energieeffiziente Anwendungen, bei denen vereinzelt geringe Datenmengen übertragen werden sollen. Denn bei LTE-M liegt der Down- und Uplink-Spitzenwert bei ~300 kbps bei einer maximalen Sendeleistung von 20/23 dBm;  bei NB (Narrow Band)-IoT liegt dieser sogar nur bei ~30/60kbps bei der gleichen Sendeleistung.

LTE-Netze als Basis
Da beide Technologien auf den LTE Standards basieren, können bereits bestehende LTE-Netze genutzt werden. Dies ist für die Unterkategorien ein entscheidender Vorteil, denn sie profitieren nicht nur von einer robusten und sicheren Datenübertragung, sondern der Netzausbau mit weltweitem Roaming lässt sich schnell und teilweise sogar mittels Software-Update durchführen. Die MNOs (Mobile Network Operators) organisieren die Frequenzen, dimensionieren die Einwahlknoten und bauen sie nach regionalen Bedürfnissen aus. Schon heute ist die Netzabdeckung in den USA, Europa und Asien sehr gut, regional sogar meist besser als bei Long-Range-Versorgern. Das liegt auch daran, dass die Reichweite bei NB-IoT bis zu sieben Mal und bei LTE-M bis zu vier Mal weiter ist verglichen mit der Standard-LTE Reichweite.

Datenübertragung auch aus schwer zugänglichen Orten
NB1 und M1 machen das 2G-Fallback überflüssig. Dank der höheren Reichweiten ist es nicht zwingend notwendig. Zudem lässt sich dadurch die Stromversorgung einfacher dimensionieren, da im Gegensatz zu GPRS keine 2A Stromspitzen abgefangen werden müssen. Geringe Kosten der Module, der Außenbeschaltung, des Internetversorgers und die sorgenfreie Überall-Infrastruktur stechen alternative LongRange-Technologien bei den meisten Anwendungsfällen klar aus.
NB-IoT und LTE-M sind speziell für das IoT geeignet, also überall dort, wo gelegentlich kleine Datenmengen auch aus schwer abzudeckenden Orten, wie Keller,, Kanäle, oder weite Felder, übertragen werden sollen. Besonders für Sensoren, die regelmäßig geringe Datenmengen an eine Kontrollstation senden, ergeben sich viele Anwendungsmöglichkeiten. So ist beispielsweise im Smart Metering Bereich die Übertragung von Strom-, Wasser- und anderen Zählerdaten direkt an Versorgungsunternehmen möglich. Weitere Fokusbereiche sind Infrastruktur, Transport und Logistik, Land- und Forstwirtschaft, Wearables sowie Product-as-a-Service mit der vorausschauenden Wartung und Instandhaltung von Maschinen.
Dabei eignet sich das stromsparendste NB-IoT besser für Applikationen mit festem Standort, bei denen i.d.R. keine Funkzellen während der Übertragung gewechselt werden, während LTE M1 aufgrund der schnelleren Übertragungsrate die bessere Wahl für mobile Anwendungen ist.

nRF91: Sicher und NB-IoT-ready
Als Pionier der Ultra-Low-Power-Funktechnologien hat sich Nordic Semiconductor auch diesen neuen Mobilfunkübertragungsarten verschrieben. Mit der nRF91-Familie bietet der Hersteller ein Multimodus-Modul für NB1 und M1. Das SiP (System in Package) kommt mit einem ARM-Cortex-M33-Mikrocontroller zur kundenspezifischen Programmierung der Anwendung, Sensoren und Aktoren. ARM TrustZone® und ARM CryptoCell stellen sichere Speicherzugriffe sicher, während TLS und SSL die Ende-zu-Ende-Verschlüsselung der Datenübertragung gewährleisten. Die wiederbeschreibbare Flash-Speichertechnologie erlaubt zusammen mit der Möglichkeit für Over-the-Air-Updates auch spätere Nachbesserungen an der Firmware, den Stacks und der Anwendung. Das Modul sucht selbstständig nach verfügbaren LTE-M- und NB-IoT-Netzen und schaltet zwischen diesen um.
Mit integriertem Assisted-GPS oder ohne GPS-Einheit in einem nur 10 x 16 x 1,2mm kleinen Gehäuse verbaut, hat das nRF91 SiP einen etwa vierfach kleineren Platzbedarf auf dem PCB und ein etwa fünffach kleineres Volumen als andere LTE-M- und NB-IoT-Module und separate GNSS-Module. Weil der M33-Core in einem gewissen Rahmen richtiges Edge-Computing ermöglicht, lassen sich aus den gemessenen Daten im Feld bereits lokal Informationen generieren, die man dann effizient über die Mobilfunkeinheit versenden kann.  Das optimiert die Gesamtenergiebilanz und hält den Online-Datenverbrauch gering. Das zugehörige nRF91-SDK (Software Development Kit) beinhaltet alle gängigen Stacks, wie MQTT, CoAP, http, LWM2M, IPv4, IPv6, DTLS, TLS und TCP.
Über 32 GPIOs lassen sich Sensoren, LEDs, Tasten oder Schaltrelais anschließen. Der Quarz, SAW-Filter und sämtliche passive Bauteile sind im SiP integriert – so fehlt nur noch eine 50-Ω-Single-Ended-Leitung als Antenne, um das Edge-Modul zu komplettieren.

Senden ohne SIM
Neue Entwicklungen im Connectivity-Bereich treiben NB-IoT und LTE-M weiter voran. Wollte man bislang Daten über ein zellulares Netzwerk versenden oder empfangen, waren neben geeigneter Hardware auch ein SIM Kartenhalter sowie eine physikalische SIM Karte notwendig. Das bedeutet mehr Platzbedarf auf dem PCB sowie eine größere BoM (Bill of Materials) – und damit auch höhere Kosten. Dazu kommt der manuelle Austausch der SIM-Karten bei einem Provider-Wechsel. Hier schaffen ‚embedded SIM‘-Lösungen Abhilfe, beispielsweise iUICC (integrated Universal Integrated Circuit Card). Sie bieten den Vorteil, dass die SIM Funktionen bereits auf dem Hardwaremodul integriert sind – das bedeutet weniger Platzbedarf, eine kleinere BoM und niedrigere Kosten, da embedded SIM Lösungen aus der Ferne gesteuert und aktualisiert werden können.  
Konkrete embedded SIM-Lösungen erhalten Kunden beim Rutronik-Partner Telit, einem führenden Anbieter von zellularer Hardware, Connectivity sowie Cloud Lösungen, der seine 2G Funk-Module unter der Bezeichnung simWISE anbietet. Bis Ende 2018 sollen auch die LTE-M- und NB-IoT-Module mit simWISE ausgestattet sein, beispielsweise das ME910C1 LTE-M und NB-IoT Kombi-Modul.
Komplementiert werden die simWISE-Module durch die Telit IoT Cloud Plattform. So entsteht eine individuell gestaltbare Cloud-Lösung mit Device-, Connectivity-, Daten- sowie System-Managementfunktionen.

nRF91-Series-SIP-on-PCB
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