Die Entwicklung, Bereitstellung und der Betrieb einer Machine-to-Machine (M2M)-Lösung ist ein komplexer Prozess, da unterschiedliche Komponenten wie Hardware, Software, Services oder Connectivity zu berücksichtigen sind. Im Hinblick auf die Hardware kommt dabei dem Mobilfunkmodul die entscheidende Rolle zu.

Text von Alexander Bufalino

Bei der Auswahl des „richtigen“ Moduls sind mehrere Aspekte zu beachten: von der Datenübertragungsrate über die Connectivity bis hin zum konkreten Einsatzbereich.

Machine-to-Machine-Kommunikation, die den automatischen Datenaustausch zwischen Endgeräten wie Maschinen, Automaten oder Fahrzeugen ermöglicht, ist eine Schlüsseltechnologie der Zukunft. Das ist unbestritten. So finden sich M2M-Lösungen heute in immer mehr Bereichen und Branchen. Beispiele sind die Segmente Automotive, Telemetrie, Gesundheitswesen, Sicherheit oder Überwachung. Die konkreten Anwendungen reichen vom Smart Metering über das Connected Car bis hin zum Smart Home.

Kernelement jeder M2M-Lösung ist ein Kommunikationsmodul, das Daten empfängt und weiterleitet. Deshalb ist auch die Auswahl des Moduls bei jeder M2M-Integration von zentraler Bedeutung. Dabei sind mehrere Auswahlkriterien zu beachten. Die wichtigsten zeigt M2M-Anbieter Telit Wireless Solutions auf:

Von der Datenübertragungsrate hängt viel ab

Die Datenübertragungsraten reichen von 40 kbit/s im Uplink und 80 kbit/s im Downlink bei 2G/GPRS-Verbindungen bis zu 50 Mbit/s im Uplink und 100 Mbit/s im Downlink bei LTE-Verbindungen. Die Entscheidung für eine bestimmte Datenübertragungsrate ist nicht nur mit unterschiedlichen Kosten verbunden („schneller = teurer“), sondern sie beeinflusst auch die konkrete Realisierung einer M2M-Lösung in entscheidendem Maße.

Das betrifft zunächst einmal den Punkt Energieverbrauch, denn eine höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit führt in der Regel auch zu einem höheren Energiebedarf. Vor der Entscheidung für ein Mobilfunkmodul und einen Übertragungsstandard ist es deshalb für M2M-Anwender unerlässlich, die Stromaufnahme im Normalbetrieb einer Applikation bei einer Zwei-Wege-Kommunikation zu simulieren. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei Mobilfunkmodulen die Leistungsaufnahme im Upstream durchaus bei mehreren Watt liegen kann. Umso wichtiger ist es, auch die Energieeffizienz des eingesetzten M2M-Moduls genau unter die Lupe zu nehmen.

Höhere Datenraten führen zudem zu komplexeren Anforderungen an das Antennendesign. „Off-the-shelf“-Antennenlösungen sind gut geeignet für die meisten 2G- und auch 3G-Applikationen. Die Entscheidung für die richtige Antenne im 4G-Umfeld gestaltet sich aber erheblich schwieriger. Ein entscheidender Faktor, der die Komplexität beim Antennendesign erhöht, betrifft die Frequenzband-Vielfalt. Die 2G-Welt war dabei mit vier Frequenzbändern klar geregelt. Module und Antennen konnten dabei effizient für die einfache Integration in die meisten Applikationen entwickelt werden. Mit 3G hat sich die Komplexität bereits erhöht und mit 4G hat sich die Situation noch weiter verschärft, aufgrund eines Frequenz-bandspektrums von 700 MHz bis 3.800 MHz. Das bedeutet: Bei 3G- und 4G-Applikationen sind in Abhängigkeit von den regionalen Einsatzszenarien Modulvarianten mit unterschiedlichen Antennendesigns zu integrieren.

Service und Connectivity dürfen nicht vernachlässigt werden

Weltweit werden von Serviceprovidern im Mobilfunkbereich im Wesentlichen die fünf Datenübertragungsverfahren GSM/GPRS/EDGE, WCDMA (UMTS)/HSPA, CDMA/1xRTT/EV-DO, TD-SCDMA (in Asien) und LTE genutzt. Andere noch verwendete Technologien sind für M2M-Anwendungen nicht geeignet, das gleiche gilt für TD-SCDMA, das im M2M-Markt keine Rolle spielt. So sind für den M2M-Bereich eigentlich nur drei Standards relevant, da für WCDMA/HSPA im Grunde zu 100 Prozent GSM/GPRS/EDGE-Netzwerke genutzt werden.

Wenn man also jetzt mit der M2M-Integration startet, fällt die Entscheidung relativ leicht. Es sind dabei drei wesentliche Kriterien bei der Auswahl des geeigneten Mobilfunkstandards zu beachten. Das erste ist der Abdeckungsgrad und die Verfügbarkeit in den Zielregionen. Das heißt, es ist zu überprüfen, in welcher Region die M2M-Anwendung betrieben werden soll. Abhängig davon muss das Modul die jeweils genutzten Frequenzen unterstützen.
Als nächstes ist auf die Dauer der Infrastruktur-Bereitstellung durch die Netzbetreiber zu achten. Wenn die M2M-Lösung auf einem 3G-Modul basiert, ist das ein geringeres Problem, da 3G-Netzwerke mit Sicherheit  noch für längere Zeit in Betrieb sind. Dies trifft allerdings nicht auf die 2G-Technologie zu. Die meisten 2G-Services werden zwar in den nächsten zehn Jahren weiterhin angeboten werden, aber es gibt bereits Überlegungen, vor allem in den USA, den Wechsel von 2G auf 3G und LTE zu beschleunigen.

Nicht zuletzt sind natürlich die Betriebskosten in Betracht zu ziehen. Dabei ist insbesondere auf das Thema Roaming-Gebühren zu achten. Hier sollte man sich bei einem länderübergreifenden Einsatz einer M2M-Anwendung für einen Service-Provider entscheiden, bei dem keine zusätzlichen Roaming-Kosten anfallen.

Einsatzbereiche und Umgebungsbedingungen sind zu beachten

Bei der Entscheidung für ein Mobilfunkmodul sind zudem natürlich auch die Umgebungen zu betrachten, in denen es betrieben wird. So kann es durchaus erforderlich sein, dass das Modul auch für einen erweiterten Temperaturbereich – zum Beispiel von -40 °C bis +85 °C – ausgelegt sein muss. Die meisten der Telit-Module erfüllen diese Anforderung. Die Betriebstemperatur ist aber nicht das einzige Kriterium. Auch die Schock- und Vibrationstoleranz können bei der Auswahl eines Moduls von Bedeutung sein. So eignen sich beispielsweise Module mit Konnektoren nicht für Applikationen, bei denen hohe Vibrationen zu berücksichtigen sind.

Embedded GNSS bietet zusätzliche Vorteile

Da es heute bei vielen M2M-Anwendungen nicht nur um Datenübertragungen über Mobilfunk, sondern auch um Positionsbestimmungen geht, sollte auch der Einsatz eines Modules mit integriertem GNSS-Receiver in Betracht gezogen werden. Eine solche Kombination bietet mehr Features und Vorteile als ein Parallelbetrieb zweier Produkte. Eine Lösungskombination, die GNSS-Funktionalität und Mobilfunk-Konnektivität umfasst, bringt schon allein aus Kostengründen Vorteile, da dann zum Beispiel nur ein Microcontroller erforderlich ist. Außerdem wird der Prozess der Lösungsintegration damit erheblich vereinfacht. Einsatzbereiche für solche Bundle-Lösungen finden sich zum Beispiel in der Telematik oder auch im Flottenmanagement, in dem neben einem Satellitenempfänger zur Positionsbestimmung auch ein Mobilfunkmodul zur Übertragung der Positionsdaten erforderlich ist.

Insgesamt sollten die genannten Auswahlkriterien bei jeder Entscheidung für ein Mobilfunkmodul bei einer M2M-Integration berücksichtigt werden. Nur so erhält der Anwender eine im Hinblick auf Kosten und Funktionalität optimierte Lösung. Anforderungsspezifisch können aber noch weitere Kriterien eine wichtige Rolle spielen. Beispiele sind Prozessorleistung und Speicher, I/Os, Sprachunterstützung, Upgrade-Fähigkeit oder Skalierbarkeit.

Eines muss man dabei allerdings beachten: Die Auswahl des Mobilfunkmoduls ist sicher ein extrem wichtiger Punkt, aber natürlich nur ein Teilaspekt in der Realisierung einer M2M-Anwendung. Es kommt immer auf die Lösungskombination aus Hardware, Software, Services und Connectivity an. Entwickler und Anbieter von M2M-Anwendungen sollten deshalb auch die Unterstützung durch einen Lösungspartner in Betracht ziehen, der hier alle erforderlichen Leistungen aus einer Hand anbieten kann: von der technischen Beratung und dem SIM-Karten- beziehungsweise Modul-Management über die Sicherstellung der Kompatibilität von M2M-Modulen und Netzwerken bis hin zu Connectivity-Services.

Zum Autor:
Alexander Bufalino ist Senior EVP Global Marketing bei Telit Wireless Solutions.