Cellular ist das Funkverfahren für Geräte, die aus Umgebungen ohne eigene Netzinfrastruktur berichten müssen. Die eigentliche Entscheidung ist, welche Cellular-Klasse eingesetzt wird, denn ein modernes Modem kann alles abdecken, von einem schmalen NB-IoT-Datenstrom bis zu 5G, und diese Klassen unterscheiden sich in Leistungsaufnahme, Datenrate und Kosten stärker als die Funkkomponenten jedes anderen Bereichs in diesem Design.

Cellular bringt auch Abhängigkeiten mit sich, die Kurzstreckenfunk nicht hat. Ein Netzbetreiber steht in der Mitte, eine SIM muss provisioniert werden, ein Datentarif fällt als wiederkehrende Gebühr an, und vor der ersten Netzverbindung steht ein Zulassungsschritt. Die Wahl reicht damit weit über das Bauteil hinaus in das geschäftliche Umfeld, und wer das Modem wie jeden anderen Chip behandelt, bekommt die restlichen Kosten meist erst spät zu sehen, wenn die Hardware bereits eingefroren ist. Wo Kurzstreckenfunk an der Antenne endet, fängt ein Cellular-Design dort erst an, und die Teile jenseits des Siliziums entscheiden oft darüber, ob das Produkt pünktlich auf den Markt kommt und danach zuverlässig verbunden bleibt.

Was Cellular kostet, das andere Funklösungen nicht kosten

Der erste Kostenpunkt ist die Abhängigkeit selbst. Ein Sub-Gigahertz- oder BLE-Gerät kommuniziert mit einer Infrastruktur, die der Betreiber selbst kontrolliert, während ein Cellular-Gerät Zugang zu einem fremden Netz pachtet, das es weder besitzt noch verändern kann, zu Bedingungen, die der Netzbetreiber festlegt. Das bedeutet eine SIM, ob als Steckkarte oder als eingelötete eSIM, eine Beziehung zu einem Konnektivitätsanbieter, die so lange halten muss wie das Produkt, und einen Datentarif, dessen Kosten pro Gerät zwar gering, aber real sind und nie verschwinden, solange die Geräteflotte im Betrieb ist.

Der zweite Kostenpunkt ist die Zertifizierung, und sie wiegt bei einem ersten Cellular-Produkt schwerer als erwartet. Ein Gerät mit Cellular-Funk muss wie jedes andere Funkgerät die üblichen regulatorischen Prüfungen bestehen, und darüber hinaus verlangen Branchenverbände und viele Netzbetreiber eigene Freigaben, die PTCRB- und GCF-Programme sowie betreiberspezifische Abnahmen, bevor ein Gerät in ein kommerzielles Netz einbuchen darf. Jede davon ist eine Testkampagne mit eigenen Laborzeiten und Gebühren, und eine fehlende Freigabe kann den Marktstart in einem einzigen Land blockieren. Der Einstieg mit einem Modul, das diese Zulassungen bereits mitbringt, ist das, was diesen Schritt vom Terminplan fernhält, und deshalb verwenden Designs zertifizierte Module statt nackter Modem-Chips.

Der dritte Kostenpunkt ist Zeit, auf eine Weise, die anderen Funklösungen erspart bleibt. Eine Cellular-Klasse kann abgeschaltet werden, und die 2G- und 3G-Netze, auf denen eine ganze Generation von Geräten lief, werden Region für Region abgestellt und hinterlassen Hardware, die sich nicht mehr im Feld aktualisieren lässt. Ein heute ausgeliefertes Produkt setzt darauf, welche Klasse die Netzbetreiber in acht oder zehn Jahren noch betreiben werden. Deshalb sind das Lebenszyklusrisiko, die laufenden Datentarif-Kosten und die Netzabdeckung am Einsatzort die Faktoren, die dazu veranlassen, die Wahl der Cellular-Klasse für einen Remote-Sensor bewusst zu treffen, anstatt das zu nehmen, was das erste verfügbare Modul zufällig unterstützt.

Die Klassen im Überblick, von NB-IoT aufwärts

Die Klassen bilden eine Leiter vom kleinsten, günstigsten und energiesparendsten Link bis hin zu vollwertigem Breitband, und ein durchdachtes Design wählt die unterste Sprosse, die den anfallenden Datenverkehr noch trägt. Ganz unten sitzt NB-IoT, konzipiert für wenige Bytes aus tiefen Gebäudeinnenbereichen oder weit unter der Erde, wo nichts anderes mehr hinreicht, mit einem Funkmodul, das günstig und genügsam genug ist, um jahrelang von einer Batterie zu laufen, auf Kosten hoher Latenz, fehlender Mobilität und einer Datenrate im Bereich von Zehn-Kilobit-Werten. Eine Stufe höher ist Cat-M, auch LTE-M genannt, das einen Großteil der Energieeffizienz beibehält, aber genug Datenrate für reichhaltigere Payloads bietet, Zellwechsel unterstützt und Sprachübertragung ermöglicht, was es zur richtigen Klasse für Tracker oder Wearables macht, die NB-IoT nicht bedienen kann. Beide stützen sich auf zwei Energiesparmechanismen, die Cellular auf einem Akku überhaupt erst überlebensfähig machen. PSM ermöglicht es dem Modem, dem Netz anzukündigen, dass es für eine festgelegte Zeit in Tiefschlaf geht und nicht angerufen werden kann, sodass es eingebucht bleibt, ohne das Radio durchgehend aktiv zu halten, und sich das Gerät nach eigenem Zeitplan zum Senden weckt. eDRX verlängert das Intervall, in dem das Modem auf Downlink-Daten lauscht, und tauscht damit Reaktionsfähigkeit gegen Stromersparnis. Gut aufeinander abgestimmt, senken beide zusammen den mittleren Stromverbrauch von den dauerhaften Milliampere eines ständig verbundenen Modems auf einen Wert, den eine Knopfzelle oder ein kleines Akkupack über Jahre hinweg versorgen kann. Oberhalb der Energiesparpaarung liefert Cat-1 echten IP-Durchsatz von etwa einem Megabit ohne die Tiefschlaf-Mechanismen, was zu einem netzbetriebenen oder häufig geladenen Gerät passt, das eine zuverlässige Datenverbindung wichtiger nimmt als eine lange Akkulaufzeit, und es ist inzwischen weit genug verbreitet, um eine sichere Abdeckungswahl zu sein, wo die neueren Energiesparklassen noch lückenhaft sind. Noch höher öffnen die vollen LTE-Kategorien und 5G kamera- und gateway-taugliche Bandbreiten, bei einer Leistungsaufnahme und einem Preis, die sich nur rechtfertigen, wenn das Gerät echte Datenmassen bewegt und die nötige Energie dafür aufbringen kann. Die belastbare Methode ist, die Leiter von oben nach unten abzuarbeiten: Payload-Größe, tolerierbare Latenz und Mobilität des Geräts festlegen, dann die niedrigste Klasse nehmen, die alle drei Anforderungen erfüllt, und prüfen, ob die Netzbetreiber in den Zielmärkten sie am Installationsort auch wirklich betreiben, denn eine Klasse ohne Abdeckung ist keine Klasse. Das ist auch keine einmalige Entscheidung, da Datentarife, Roaming-Verträge und Klassenverfügbarkeit sich über die Produktlaufzeit verschieben. Ein Design, das sich per Software neu ausrichten lässt oder ein Modul trägt, das mehr als eine Klasse abdeckt, hat damit einen Wert, den ein festgelegtes Einzelklassen-Bauteil aufgibt. Erfahrene Teams halten eine Abdeckungskarte und einen Abschaltkalender neben dem Datenblatt, denn ein Radio, das auf dem Prüfstand einwandfrei funktioniert, ist nur so gut wie das Netz, das am Einsatzort noch steht, wenn das Produkt Jahre später dort sitzt.

Die Energiesparklassen und die passenden Module

Für ein batteriebetriebenes Gerät, das wenig sendet und stationär bleibt, sind NB-IoT- und Cat-M-Module die richtige Wahl. Der SIM7080G deckt NB-IoT und Cat-M in einem einzigen Modul ab, sodass ein Produkt je nach dem, was ein gegebenes Netz anbietet, zwischen beiden wechseln kann. Das ist eine nützliche Absicherung, wenn die Abdeckung regional schwankt und ein Netzbetreiber eine Klasse bevorzugt. Er zieht den niedrigen Ruhestrom, auf den diese Klassen ausgelegt sind, hält das Board auf ein einziges Funkbauteil und legt die Energiespar-Timer offen, damit ein Firmware-Team die Akkulaufzeit gegen die geforderte Erreichbarkeit des Geräts abwägen kann.

Ein zweites Bauteil deckt dasselbe Anwendungsfeld aus einer anderen Lieferkette und Entwicklungsumgebung ab. Der SARA-R410M unterstützt Cat-M1 und NB-IoT in einem kompakten Modul mit einer langen Erfolgsbilanz in der Messtechnik und industriellen Telemetrie, wo seine Zertifizierungen und seine Stabilität über Jahre des Betriebs genauso viel zählen wie das Funk-Konzept. Er eignet sich für ein Design, das ein bewährtes und gut dokumentiertes Bauteil dem neuesten Feature-Set vorzieht.

Wenn ein Produkt in viele Länder ausgeliefert wird, ist die Bandabdeckung der entscheidende Faktor und nicht die Funkklasse. Der BG96 zielt auf globale Abdeckung über ein breites Set aus LTE-M-, NB-IoT- und 2G-Fallback-Bändern, mit einem integrierten GNSS-Empfänger, sodass ein einziger Build eines Trackers oder Loggers regionsübergreifend funktioniert, ohne separate Funkvarianten für jeden Markt. Diese Bandbreite ist der Grund, warum er in Produkten auftaucht, die für den weltweiten Einsatz gedacht sind, wo ein einziges zertifiziertes Bauteil für alle Märkte mehr wert ist als das letzte Cent-Optimierungspotenzial eines Einzelmarkt-Designs.

Innerhalb der Energiespar-Klassen unterscheiden sich die Module stärker nach Bändern und Lieferkette als nach dem, was das Radio leisten kann.

Wenn das Gerät echte Bandbreite braucht, und die übrigen Module

Manche Geräte müssen mehr als einen schmalen Datenstrom bewegen, und dort übernehmen die Breitband-Module. Der SIM7600 liefert Multiband-4G-Konnektivität mit dem Durchsatz für eine Kamera, ein Zahlungs- oder Display-Terminal oder ein Gateway, das eine Gruppe anderer Sensoren über eine einzige Cellular-Verbindung backhaul, in einer weit verbreiteten Modulfamilie, die regionale Band-Varianten umfasst, damit ein Design den passenden Build für seinen Markt wählen kann. Er zieht deutlich mehr als ein Energiespar-Bauteil, im aktiven Betrieb mehrere hundert Milliampere, und gehört daher auf ein Gerät mit Netzspeisung oder einen Akku, der von Anfang an auf diesen Bedarf ausgelegt ist.

Für dieselbe Bandbreite in einem Umfeld, das schwache Hardware bestraft, bietet der EC25 industrietaugliches 4G mit dem erweiterten Temperaturbereich und der langen Produktverfügbarkeit, die eine Festinstallation oder ein Fahrzeug verlangt, wo ein Consumer-Bauteil aus der Lieferkette fällt oder in der Hitze versagt. Er tauscht den niedrigsten Stückpreis gegen Robustheit und eine Versorgungszusage, die in Jahren gemessen wird.

An der Spitze der Leiter bringt der RM520N 5G in ein Gerät, das die Bandbreite oder die niedrige Latenz tatsächlich benötigt, etwa ein Fixed-Wireless-Access-Terminal oder ein Hochauflösungs-Video-Uplink, bei einer Leistungsaufnahme und einem Preis, die ihn für alles ausschließen, was ein Akku tragen muss. Er ist die Klasse, die man zuletzt in Betracht zieht, erst wenn die Daten es klar verlangen und das Energiebudget die Antwort liefern kann. Das Band-Bild für 5G ist außerdem noch stärker fragmentiert und im Wandel, sodass ein Design, das jetzt darauf setzt, ein Modul und eine Abdeckungskarte akzeptiert, die sich über die Produktlaufzeit verändern werden. Das ist ein weiterer Grund, warum 5G eher letzte Wahl als Ausgangspunkt bleibt.

Die alten Netze versorgen noch immer einen langen Schwanz von Produkten. Der SIM800L hält Legacy-2G-Geräte verbunden, wo diese Netze noch laufen und der Stücklistenpreis unter Druck steht, wenngleich der schrumpfende 2G-Fußabdruck ihn zur Wahl für eine bekannte kurze Lebensdauer macht, nicht für ein neues langlebiges Design. Er ist günstig und einfach und braucht kaum externe Beschaltung, was ihm noch einen Platz in einem Einweg-Tracker oder einem Produkt für einen Markt sichert, wo 2G das Netz ist, das noch überall hinreicht. Nach den Abschaltungen ist das fast alles, was noch für ihn spricht.

Das Integrationsmuster hat auch den Cellular-Bereich erreicht, später als bei den Kurzstreckenfunkmodulen, aber genauso wirksam. Der nRF9160 vereint ein LTE-M- und NB-IoT-Modem mit einem Applikationskern, sodass ein energiesparendes Cellular-Gerät seine eigene Firmware auf demselben Bauteil ausführen kann, das das Radio enthält, zusammen mit Hardware-Sicherheit und einem Assisted-GNSS. Er eignet sich für einen batteriebetriebenen Sensor, der von Grund auf um Cellular herum konzipiert ist, und entfernt den Host-MCU sowie die Schnittstelle zu ihm, so wie die integrierten Bauteile das im BLE-, WiFi- und LoRa-Bereich bereits getan haben.