Mobilfunkmesstechnik
Cellular IoT im 5G-Universum
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
New Radio Light
Der breite Funktionsumfang von 5G deckt ein großes Spektrum von IoT-Anwendungen ab, etwa eine begrenzte Mobilität mit NB-IoT bei extrem niedrigen Kosten und äußerst geringem Stromverbrauch. Andererseits gibt es zahlreiche IoT-Anwendungen wie zum Beispiel Uhren mit Überwachungsfunktionen für Kinder, bei denen es auf eine lange Batterielaufzeit, eine sehr gute Erreichbarkeit sowie volle Mobilität bei annehmbaren Datenraten ankommt. Ein anderes Beispiel sind Notfallsensoren, die sowohl auf beste Erreichbarkeit als auch geringe Latenz und niedrigen Stromverbrauch angewiesen sind. Um solche weniger anspruchsvollen IoT-Anwendungen zu adressieren, hat 3GPP begonnen, die Anforderungen unter dem Label NR Light näher zu untersuchen. In Release 17 wird nun ein neuer Gerätetyp mit reduziertem Leistungsprofil (RedCap) standardisiert, wobei der Fokus auf den typischen Anforderungen von Industriesensoren, intelligenten Wearables und Überwachungskameras liegt (siehe auch Abbildung zu den IoT-Anwendungen).
Nicht-terrestrische Netze (NTN)
Mobilfunknetze erreichen zum heutigen Zeitpunkt mehr als 80 Prozent der Weltbevölkerung, decken aber nur 40 Prozent der Landfläche und weniger als 20 Prozent der Erdoberfläche insgesamt ab. Die einzig sinnvolle Alternative für IoT-Anwendungen zur globalen Erfassung, Verfolgung und Überwachung ist die Nutzung nicht-terrestrischer Netze durch den Einsatz winziger Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO). In Release 17 arbeitet 3GPP an der Integration von Satellitenkomponenten in die 5G NR-Architektur im Allgemeinen und untersucht zunächst die Nutzung von LTE-basiertem NB-IoT und eMTC über NTN.
Komplexe Tests
3GPP treibt die Standardisierung kontinuierlich voran, um den aktuellen und zukünftigen Anforderungen an das IoT-Ökosystem gerecht zu werden. Die große Vielfalt an Funktionen und Netzszenarien sowie die sehr spezifischen Anforderungen von IoT-Anwendungen werden für eine große Nachfrage nach Tests und Zertifizierungen über den gesamten Lebenszyklus der Geräte und Netzwerkkomponenten sorgen. Latenzzeit, Zuverlässigkeit und Stromverbrauch werden immer wichtiger und eine kontinuierliche Überwachung der Netze unerlässlich. Vor diesem Hintergrund sind IoT-Tests im weiteren Sinn mit komplexen Herausforderungen konfrontiert. Zu bewältigen sind Performance-Messungen wie Stromverbrauch und Batterielaufzeit genauso wie Konformitäts- und Fertigungstests sowie Aufgaben von der Installation über den Betrieb bis hin zu Wartung und Reparatur während des Betriebs. Batterielaufzeiten von mehr als zehn Jahren und Latenzzeiten von Minuten bis Mikrosekunden werden relevant. Für einige Anwendungen ist eine globale Erreichbarkeit erforderlich. Die Mobilität wird sich in der Zukunft auf zellulare Technologien konzentrieren, insbesondere LTE-M und Schmalband-IoT. Die meisten Geräte verwenden jedoch nicht-zellulare Wireless-Technologien, wie beispielsweise Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, Thread, EnOcean, Sigfox, LoRa und andere, die in unlizenzierten ISM/SRD-Bändern arbeiten.
Messtechnische Herausforderungen beim HF-Design: Das Testen des allgemeinen Kommunikationsverhaltens von IoT-Geräten ist in allen Phasen des Produktlebenszyklus ein wichtiges Thema. Das HF-Design erfordert besondere Aufmerksamkeit. Die ersten Messungen an IoT-Geräten sind in der Regel die Prüfung der HF-Leistung, des Spektrums und der Empfängerempfindlichkeit. Weiterhin werden die S-Parameter gemessen, um die Antennenleistung des IoT-Geräts zu verifizieren und abzustimmen. Anschließend empfehlen sich Over-the-Air-Messungen der gesamten abgestrahlten HF-Leistung (TRP) und der gesamten isotropen Empfängerempfindlichkeit (TIS) des finalen Designs. Es kann auch sinnvoll sein, Messungen unter bestimmten Fading-Bedingungen durchzuführen oder
Methoden zur Abdeckungserweiterung anzuwenden, wie sie zum Beispiel für NB-IoT- und LTE-M-Geräte genutzt werden.
Herausforderungen bei Low-Power-Designs: Die Entwicklung einer geeigneten Hard- und Software ist für Low-Power-Geräte besonders wichtig, zum Beispiel zur Realisierung eines optimalen Stromverbrauchs im aktiven Modus, aber auch im Tiefschlafmodus oder bei kurzen Einschalt-/Ausschaltphasen. IoT-Geräte, die drahtlose Low-Power-Technologien (LP-WAN) wie LTE-M oder NB-IoT nutzen, benötigen erstklassige Designs. Es müssen auch alle Aspekte der verschiedenen Betriebsmodi und Funktionen wie PSM, eDRX oder CE berücksichtigt werden.
Conformance- und Preconformance-Tests: Gerätehersteller, Betreiber und Infrastrukturhersteller benötigen ein umfassendes Portfolio an Testlösungen, um eine schnelle Einführung von IoT-Anwendungen und -Diensten zu ermöglichen. Voraussetzung hierfür ist die Verifizierung der Konformität der IoT-Geräte mit den gesetzlichen Vorgaben, Anforderungen der Betreiber und relevanten Standards. Selbst bei gut definierten Prozessen scheitern viele neue Designs von IoT-Geräten noch immer beim ersten Versuch der Zertifizierung. Die Regulierungsbehörden haben Testfälle definiert, um die Koexistenz und den netzwerkfreundlichen Betrieb sicherzustellen, wenn verschiedene Drahtlostechnologien das gleiche Frequenzband nutzen. Bluetooth, Wi-Fi und ZigBee arbeiten zum Beispiel alle im gleichen 2,4-GHz-ISM-Band. Bei deren Zertifizierung stehen die Aspekte HF- und Protokollkonformität im Mittelpunkt, um die Interoperabilität und Performance sicherzustellen. Manche Betreiber verlangen zusätzliche Tests, bevor ein IoT-Gerät für das jeweilige Netz zugelassen wird.
Die fünfte Mobilfunkgeneration wird viele bekannte und neue IoT-Anwendungen ermöglichen, insbesondere wenn Mobilität, Qualität, Zuverlässigkeit und Effizienz gefordert sind. Die Technologie ist aber nur die Basis, um entsprechende Anwendungen zu realisieren. Um diese erfolgreich in den Markt zu bringen und langfristig zu nutzen, können entsprechende Testlösungen einen entscheidenden Beitrag leisten.
Jörg Kopp, Market Segment Manager IoT, Rohde & Schwarz
- Cellular IoT im 5G-Universum
- New Radio Light
- Standardisierung in der Mobilfunktechnik: Die Arbeit des 3GPP
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