Machine-to-Machine-Kommunikation

Profit aus zellularen Netzwerken

23. Mai 2022, 7:00 Uhr | Martin Giess/am
Formfaktoren und ihre Größe.
Formfaktoren und ihre Größe.
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Das Industrial Internet of Things (IIoT) ist das Produkt aus zwei Digitalisierungsstrategien: dem Internet of Things und der Industrie 4.0. Es verbindet lernfähige Maschinen mit Sensorik, Big-Data- und Automatisierungstechniken. Während herkömmliche IoT-Netzwerke über LAN und WLAN mit dem Internet verbunden sind, wächst die Bedeutung von zellularem IoT stetig.

Lange Zeit benötigten IoT-Geräte sehr viel Strom. Dadurch war ihre Nutzung auf Anwendungen beschränkt, die Zugang zum Stromnetz haben. Fortschritte im Bereich der Energieeffizienz haben mittlerweile aber dazu beigetragen, dass zellulare IoT-Konnektivität ein starkes Wachstum erfährt. Inzwischen ist die Technik der zellularen Sensoren so weit, dass sich ausreichende Datenmengen auch über größere Entfernungen übertragen lassen, ohne Batterien dabei massiv zu entladen. Damit können Mobilfunknetze auch beim IIoT ihre Vorteile entfalten. Sie ermöglichen einen massiven Datenfluss in einer bereits global verbreiteten Infrastruktur.

Intelligente netzunabhängige SIM-Karten wählen automatisch das Netz mit dem stärksten Signal aus und können in jeder Region eine Verbindung zum IoT herstellen. Hersteller können also am Produktionsort ihre Geräte mit einer einzigen SIM-Karte bestücken, bevor man sie an ihren Bestimmungsort verschickt. Damit kann man die Einsatzfähigkeit innerhalb des Internet of Things in jedem Land und jeder Region der Erde gewährleisten.

Auch die prädiktive Wartung (Predictive Maintenance) profitiert von zellularer IoT-Konnektivität. Beim Abbau von Rohstoffen in abgelegenen Regionen ermöglicht eine SIM-Karte auch bei fehlender Breitbandverbindung die Übertragung von Daten, die Aufschluss über den Zustand beispielsweise eines Bohrkopfes geben. Drohende Ausfälle oder Abnutzungen lassen sich so erkennen und beheben, bevor sie eintreffen. Ein weiterer Anwendungsbereich sind Smart Grids, landesweite und grenzüberschreitende Stromnetze, die Energieflüsse überwachen und intelligent managen. Hier kann zellulare Konnektivität vernetzte dezentrale Erzeuger, Verbraucher, Speicher sowie den Stromkonsum von mobilen Geräten lückenlos erfassen.

Machine-to-Machine-SIMs (M2M-SIMs) ermöglichen Geräten und Sensoren, mit anderen internetfähigen Geräten und Systemen zu kommunizieren. Sie verbinden IoT-Anwendungen mit Mobilfunknetzen, wo sie ein austauschbares Protokoll zum Senden und Empfangen von Daten verwenden können. Dabei sind sie wesentlich strapazierfähiger als klassische Verbraucher-SIMs für Mobiltelefone, da sie besonderen Belastungen ausgesetzt sind. Obwohl diese herkömmlichen SIMs auch in M2M- oder IoT-Geräten funktionieren, sind sie primär für den normalen, alltäglichen Gebrauch konzipiert und halten raueren Betriebsumgebungen nicht stand. Außerdem ist es schwierig, auf sie zuzugreifen und sie aus der Ferne zu verwalten. M2M-SIMs sind speziell konzipiert, um genau solche Anforderungen zu erfüllen. Sowohl klassische Verbraucher- als auch M2M-SIMs gibt es in verschiedenen Formfaktoren (FF), darunter 2FF, 3FF und 4FF sowie MFF2 (Embedded-SIM). M2M-SIMs für Kraftfahrzeuge gibt es nur in MFF2-Form.

M2M-SIMs sind aus Materialien hergestellt, die den Betrieb in rauen Umgebungen mit extremen Temperaturen und Vibrationen ermöglichen, zum Beispiel in Wüsten, arktischem Klima und Fahrzeugen. Varianten, die für den Einsatz in der Industrie und in Fahrzeugen konzipiert sind, können Temperaturen zwischen -40 °C bis 105 °C standhalten. Die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion, Vibration und Stöße lässt sich dank Embedded-SIMs erreichen. Außerdem haben M2M-SIMs in der Regel eine höhere Speicherkapazität und mit mehr als zehn Jahren eine deutlich längere Lebensdauer als klassische SIMs.

Zellulare Konnektivität sollte nicht nur konventionelle Systeme wie 3G, 4G, 5G, LTE, etc. unterstützen, sondern auch M2M- und IoT-Lösungen wie LTE-M (Long Term Evolution Machine Type Communication). Die LPWAN-Technik (Low-Power Wide Area Network,) ist ein Zweig der LTE-Technik, den man für die Machine-to-Machine-Kommunikation entwickelt hat. Durch den Einsatz von Power Saving Mode (PSM) und Discontinuous Reception (DRX) können Batterien in LTE-M-Geräten zehn Jahre und länger halten.

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Mobilfunknetze ermöglichen es, spontane Verbindungen zwischen Handys zu ermöglichen. Sie pingen ständig Mobilfunkgeräte an, um Standortinformationen abzurufen, die dazu beitragen, dass das Telefon mit den nächstgelegenen Sendemasten und Basisstationen verbunden bleibt. Diese Tracking Area Updates (TAUs) belasten den Akku. Doch die meisten IoT-Geräte nutzen Mobilfunknetze nicht auf die gleiche Weise wie Mobiltelefone. Sie senden oder empfangen kleine Datenpakete in regelmäßigen Abständen oder auf der Grundlage bestimmter Impulse, zum Beispiel eines Sensors in einer Alarmanlage.

LTE-M ermöglicht es IoT-Geräten, einen Energiesparmodus zu verwenden, der sie bei Nichtgebrauch in den Schlaf-Zustand versetzt. Außerdem müssen sie zum Senden der Standortaktualisierung nicht „aufwachen“, sondern können die Ruhezeiten über einen längeren Zeitraum verlängern. Mit LTE-M können die Geräte auch den erweiterten diskontinuierlichen Empfang (eDRX) nutzen. Wenn sich das Gerät nicht mehr im Stromsparmodus befindet, sucht es regelmäßig nach Downlink-Informationen. Mit eDRX lässt sich die Zeitspanne für die Überprüfung des Funks verlängern, wodurch der Stromverbrauch sinkt. Diese Technik trägt dazu bei, dass eine 5-Wh-Batterie eine Lebensdauer von zehn Jahren erreichen kann.


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  2. LTE-M vs. NB-IoT

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