Beseitigung schwacher Glieder in LoRaWAN-Backhaul

Anwendung von Multi-Netzwerk-SIM-Karten für den Mobilfunk-Backhaul in LoRaWAN-Gateways

Weißbuch – Zusammenfassung

Kurz

LoRaWAN-Gateways sind auf einen zuverlässigen Backhaul angewiesen, um den Datenfluss von Edge-Geräten zu Servern aufrechtzuerhalten. Herkömmliche SIM-Karten für ein einziges Netzwerk – und sogar gesteuerte Roaming-SIM-Karten – setzen Bereitstellungen häufig Ausfallzeiten aus, wenn das „bevorzugte” Netzwerk ausfällt .

Multi-Netzwerk-SIM-Karten verbessern die Ausfallsicherheit, indem sie Zugang zu mehreren Betreibern bieten, aber sie sind immer noch auf den automatischen Netzauswahlprozess angewiesen, der zufällig zwischen den verfügbaren Netzen wählt und keine Qualität garantiert.

Robustel löst dieses Problem mit SMART Roaming, einer in seinen LoRaWAN-Gateways integrierten Technologie, die über die Signalstärke hinausgeht. Durch die Messung der Ping-Zeiten und der Verbindungsqualität sowie die dynamische Umschaltung auf das beste verfügbare Netzwerk ermöglicht SMART Roaming eine Verfügbarkeit von nahezu 100 % – wodurch kostspielige Vor-Ort-Besuche entfallen und die Wirtschaftlichkeit von LoRaWAN-Implementierungen gesichert wird.

Was Sie lernen werden
  • Die Einschränkungen von SIM-Karten für ein einziges Netzwerk und warum sie in großem Maßstab versagen.
  • Der Unterschied zwischen gesteuerten und ungestuerten Roaming-SIM-Karten und warum nur ungestuerte Optionen echte Ausfallsicherheit bieten.
  • Wie die automatische Netzauswahl funktioniert (3GPP 23.122) – und warum sie für missionskritische IoT-Backhaul-Anwendungen nicht ausreicht.
  • Warum der Mythos vom „stärksten Signal“ IoT-Implementierungen in die Irre führt und was wirklich passiert, wenn Gateways Netzwerke auswählen.
  • Wie Robustels SMART Roaming die Netzauswahl durch Zustandsprüfungen, Ping-Tests und dynamisches Umschalten verbessert.
  • Kommerzielle Überlegungen: Warum Roaming-SIM-Karten jetzt erschwinglich sind und wie Robustel die Lücke zwischen SIM-Anbietern und Hardware schließt.

Einführung

In diesem Artikel untersuchen wir die technischen und kommerziellen Aspekte der Verwendung von Multi-Netzwerk-SIM-Karten, um den Backhaul von zellularbasierten Long Range (LoRa)-Gateways zuverlässiger zu machen als bei Verwendung einer einzigen Netzwerk-SIM-Karte (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Verwendung einer Roaming-SIM-Karte bietet verschiedene Wege zum Internet und erhöht damit die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Kommunikation zwischen Gateway und Server.

SIM-Typen

Um die Optionen vollständig zu verstehen, beginnen wir mit einem Überblick über die grundlegenden SIM-Typen, die in einem Long Range Wide Area Network (LoRaWAN)-Gateway verwendet werden können.

Einzelnes Netzwerk

Einzelnetz-SIM-Karten decken ein einzelnes Netz ab, in der Regel in einem einzigen Land. Wenn an einem Installationsort, insbesondere in einem Gebäude, kein Netzempfang vorhanden ist, funktioniert die Kommunikation nicht. Bei multinationalen Einsätzen müssen dann viele verschiedene SIM-Verträge für unterschiedliche Gebiete gepflegt werden, was logistisch schwierig und in großem Maßstab praktisch unmöglich zu verwalten ist.

Roaming- oder Multi-Netzwerk-SIM-Karten, wie beispielsweise die von Aggregatoren wie KPN, Vodafone GDSP, Tele2, Telenor und ihren Wiederverkäuferpartnern, sind die traditionelle Lösung für die eben genannten Probleme. Was die meisten Menschen nicht wissen, ist, dass nicht alle Roaming-SIM-Karten gleich sind.

Gesteuerte Roaming-SIM-Karten

Dieser SIM-Kartentyp kann theoretisch auf mehrere Netzwerke pro Land zugreifen, bevorzugt jedoch in der Praxis ein bestimmtes Netzwerk oder eine bestimmte Untergruppe von Netzwerken, um dem Mobilfunkbetreiber einen wirtschaftlichen Vorteil zu verschaffen. In der Regel wird das Steering nicht zum Zwecke einer zuverlässigen Kommunikation implementiert, sondern um die Kosten zu senken, indem nur bevorzugte Netzwerke genutzt werden. Diese Nutzung bevorzugter Netzwerke führt jedoch zum Gegenteil dessen, was IoT-Dienstleister/-Systemanbieter, die eine möglichst 100-prozentige Netzwerkverfügbarkeit benötigen, wollen, da das bevorzugte Netzwerk möglicherweise nicht in der Lage ist, einen Dienst bereitzustellen, während ein nicht bevorzugtes Netzwerk dies kann!

Obwohl gesteuertes Roaming ein komplexes Thema ist, das hier nur angeschnitten wurde, besteht eine Lösung darin, einen qualitativ hochwertigen Anbieter für ungesteuertes Roaming-SIM-Karten zu wählen, um die Unwägbarkeiten der Steuerung aus der Anwendung zu entfernen.

Nicht gesteuerte Roaming-SIM-Karten

Da die Nachteile des gesteuerten Roamings auf dem Markt immer deutlicher zutage treten, haben einige Mobilfunkanbieter begonnen, nicht gesteuerte Roaming-SIM-Karten anzubieten und zu bewerben. Das bedeutet, dass die SIM-Karte keine Liste mit bevorzugten Netzwerken enthält und nicht der Steuerung durch den Betreiber auf Netzwerkebene unterliegt. Im Wesentlichen ist eine nicht gesteuerte Roaming-SIM-Karte eine leere Leinwand, die einfach bei Bedarf Zugang zu Netzwerken bietet, ohne dass dabei „die Würfel gezinkt“ sind.

Nachdem wir eine Quelle für hochwertige, nicht gesteuerte Roaming-SIM-Karten gefunden haben, können wir untersuchen, wie ein LoRa-Gateway auf eine solche SIM-Karte reagiert, und andere Maßnahmen zur Optimierung der Zuverlässigkeit der Kommunikation zwischen Gateway und Server ergreifen.

Netzwerkauswahlprozess

Eines der am häufigsten missverstandenen Konzepte im Zusammenhang mit Roaming-SIM-Karten ist das der Netzauswahl.

Entgegen der weit verbreiteten Meinung spielen SIM-Karten keine aktive Rolle bei der Netzauswahl (mit Ausnahme von USIM-Toolkit-Anwendungen). Die Auswahl eines geeigneten Netzes ist eine Funktion der Hardware, nicht der SIM-Karte.

LoRa-Gateways werden unter Verwendung handelsüblicher Mobilfunkmodule (in der Regel 4G/LTE) hergestellt, wie sie beispielsweise von Telit, Gemalto, Quectel, Huawei und anderen Unternehmen angeboten werden.

Das Modul übernimmt die gesamte Kommunikation mit dem Mobilfunknetz ab der RF-Schicht. Die meisten Module verfügen über einen integrierten TCP/IP-Stack, um die Anwendungsentwicklung zu vereinfachen, können aber auch im Modem-Modus betrieben werden. In diesem Fall fungiert der TCP/IP-Stack im Host-System (bei einem LoRa-Gateway in der Regel Linux) als IP-Endpunkt für die Kommunikation zwischen Gateway und Server.

Das Host-System kommuniziert mit einem Mobilfunkmodul unter Verwendung von AT-Befehlen (Attention) nach Industriestandard, wie in GSM07.07 und GSM07.05 definiert, sowie einer Reihe von (modul-)herstellerspezifischen AT-Befehlen.

Diese Befehle legen fest, wie sich das Modul in einem LoRa-Gateway verhalten soll, und eine Untergruppe der AT-Befehle steht in direktem Zusammenhang mit dem Netzwerkauswahlprozess.

Die überwiegende Mehrheit der LoRa-Gateway-Hersteller verwendet die automatische Netzauswahl, indem sie „AT+COPS=0” an das Modul senden. Dadurch wird das Modul angewiesen, die Registrierung in einem Netzwerk gemäß den Regeln in TS 3GPP 23.122 wie unten beschrieben durchzuführen:

„Das MS (Mobilfunkgerät, d. h. LoRa-Gateway) wählt andere PLMN/Zugangstechnologie-Kombinationen aus und versucht, sich bei diesen zu registrieren, sofern diese verfügbar und zulässig sind, und zwar in der folgenden Reihenfolge:

  1. entweder das HPLMN (wenn die EHPLMN-Liste nicht vorhanden oder leer ist) oder das EHPLMN mit der höchsten Priorität, das verfügbar ist (wenn die EHPLMN-Liste vorhanden ist);
  2. jede PLMN/Zugangstechnologie-Kombination in der Datendatei „Benutzergesteuerter PLMN-Selektor mit Zugangstechnologie” auf der SIM-Karte (in der Reihenfolge ihrer Priorität);
  3. jede PLMN/Zugangstechnologie-Kombination in der Datei „Operator Controlled PLMN Selector with Access Technology” auf der SIM-Karte (in der Reihenfolge ihrer Priorität);
  4. andere PLMN-/Zugangstechnologie-Kombinationen mit empfangenen Signalen hoher Qualität in zufälliger Reihenfolge;
  5. andere PLMN-/Zugangstechnologiekombinationen in der Reihenfolge abnehmender Signalqualität.

Um das Verständnis des automatischen Netzauswahlprozesses zu erleichtern, lesen Sie bitte das Glossar in Tabelle 1.

  • PLMN = Öffentliches Landmobilfunknetz = Mobilfunknetz
  • HPLMN = Heim-Mobilfunknetz für öffentliche Grundstücke = Heimnetzwerk
  • EHPLMN = Effektives öffentliches Mobilfunknetz = Netzwerk mit effektivem Status des Heimatnetzes
  • Zugangstechnologie = Funkzugangstechnologie wie GPRS/UMTS/LTE, die 2G/3G/4G entspricht

Es ist wichtig zu beachten, dass der automatische Netzauswahlprozess das Paradigma des „zuletzt bekannten guten Netzes” nicht berücksichtigt, bei dem Informationen über zuvor erfolgreiche Registrierungen in einem Netz auf der SIM-Karte gespeichert werden. Dieses Paradigma hat Vorrang und bedeutet, dass eine SIM-Karte sich mit dem vorherigen Netz verbindet, unabhängig von einer Änderung des Standorts oder der Netzbedingungen, solange die grundlegenden Kriterien erfüllt sind.

Bei Verwendung einer nicht gesteuerten SIM-Karte ohne Benachrichtigung über ein zuvor registriertes Netzwerk ist keine der oben genannten Bedingungen i bis iii erfüllt, was bedeutet, dass das Modul als ersten Schritt der automatischen Netzauswahl die Maßnahme iv ergreift.

Maßnahme 5 umfasst die Durchführung eines Netzwerkscans durch das Modul, um lokale Netzwerke und die damit verbundene Technologie (GPRS/UMTS usw.) zu identifizieren.

Nach Abschluss dieses Vorgangs ermittelt das Modul, welche Netzwerke über ein Signal guter Qualität verfügen, und wählt nach dem Zufallsprinzip das Netzwerk aus, bei dem es zuerst eine Registrierung versucht, wobei es aus allen Netzwerken guter Qualität auswählt.

Der Schlüsselbegriff hierbei ist „zufällig“.

Viele Menschen verbreiten den Mythos vom „stärksten Signal” und behaupten, dass eine Roaming-SIM-Karte immer zuerst das „stärkste Signal” sucht. Wie aus der zuvor erwähnten Spezifikation TS 3GPP 23.122 hervorgeht, wird die Registrierung beim stärksten Signal nur in Schritt 5 versucht, wenn keine Möglichkeit besteht, sich gemäß der in Schritt 4 beschriebenen Methode bei einem Netzwerk zu registrieren.

Wenn man sich vorstellt, dass 200 Personen an einem Urlaubsort aus einem Flugzeug aussteigen und ihre Telefone ungefähr zur gleichen Zeit einschalten, wird schnell klar, warum eine zufällige und verteilte Aufteilung des Roaming-Verkehrs wünschenswert ist, woraus sich das grundlegende Design des automatischen Netzauswahlprozesses ergibt. (Der Roaming-Prozess wurde ursprünglich für Verbraucher-Mobiltelefone entwickelt, nicht für LoRa-Gateways!)

Das Problem mit der automatischen Netzauswahl

Nachdem nun der Prozess der automatischen Netzauswahl verstanden ist, lassen sich seine Grenzen leicht erkennen. Die automatische Auswahl nutzt nur die Signalstärke, um ein nutzbares Netz zu ermitteln, aber eine niedrige Messung der empfangenen Signalstärke (RSSI) ist keineswegs ein definitiver Beweis dafür, dass das ausgewählte Netz eine durchgängige IP-basierte Kommunikation unterstützen kann. Wir brauchen also etwas anderes, etwas, das die automatische Netzauswahl ergänzt, um sicherzustellen, dass wir den bestmöglichen Service erhalten.

Kommerzielle Überlegungen zu Roaming-/Multi-Netzwerk-SIM-Karten

Nachdem festgestellt wurde, dass eine Roaming-SIM-Karte wahrscheinlich eine bessere „Verfügbarkeit“ für eine Reihe von LoRaWAN-Gateways bietet, ist es wichtig, die finanziellen Auswirkungen eines Wechsels von einem einzelnen Netzwerk zu Roaming-SIM-Karten zu berücksichtigen.

Bis vor kurzem waren Roaming-SIM-Karten nur für Anwendungen mit sehr geringem Datenverbrauch wie Fahrzeugortung und intelligente Zähler kommerziell rentabel – insbesondere bei ungelenkten Roaming-SIM-Karten, mit denen jedes Netzwerk ohne Einschränkungen frei genutzt werden kann.

Aufgrund von Veränderungen auf dem Markt ist Roaming auf einigen Kontinenten mittlerweile jedoch sehr erschwinglich, wobei die EU in dieser Hinsicht sicherlich eine Vorreiterrolle einnimmt.

In der EU sind derzeit hochwertige Roaming-Dienste ohne Steuerung für 10 bis 20 US-Dollar pro GB und Monat erhältlich. Lohnt es sich, einen Aufpreis zu zahlen, um eine Verfügbarkeit von nahezu 100 % für alle LoRa-Gateways zu erreichen? Die Antwort hängt zwar von der vorgesehenen Anwendung ab, aber es ist wichtig zu wissen, dass diejenigen, deren Backhaul vollständig von Mobilfunkkommunikation abhängt, die Möglichkeit haben, einen besseren Service zu erhalten, und dass sie wissen müssen, was sie tun müssen, um diese Möglichkeit zu nutzen.

Genau dieses grundlegende Problem möchte Robustel mit seiner SMART Roaming-Funktion lösen. Dabei wird die Einfachheit der automatischen Netzauswahl genutzt, jedoch durch Zustandsprüfungen und die manuelle Netzauswahl ergänzt, um eine möglichst hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

SMART Roaming – eine Lösung für ein altbekanntes Problem

Die LoRaWAN-Gateways von Robustel unterstützen SMART Roaming, das so konfiguriert werden kann, dass es den Verlust der mobilen Datenkommunikation im aktuellen Netzwerk überprüft und innerhalb kurzer Zeit einen Wechsel zu einem alternativen Netzwerk erzwingt. Dies kann die Kosten für Vor-Ort-Besuche einsparen und die Gewissheit geben, dass die höchstmögliche Zuverlässigkeit der Mobilfunkmethodik dafür sorgt, dass der Paketweiterleiter des Gateways mit dem LoRaWAN-Netzwerkserver in Verbindung bleibt.

SMART Roaming überprüft nicht nur die Signalstärke, sondern auch die Ping-Zeiten und die Ping-Abschlussrate, um ein vollständigeres Bild der aktuellen Verbindung zu erhalten. Wenn der Zustandscheck fehlschlägt, bewertet der Router dynamisch die Qualität alternativer Netzwerke und wechselt zum nächstbesten, wenn die Kommunikation unterbrochen ist oder eine „geringe Qualität” aufweist.

Dieses grundlegende Konzept wird im Messmarkt sehr effektiv eingesetzt, wo Millionen von Geräten im Einsatz sind und dadurch eine Gesamtverfügbarkeit von nahezu 100 % erreicht wird. Diese Technologie wird in der Regel für eine bestimmte Kombination aus Mobilfunkmodul (2G/3G/4G) und Roaming-SIM-Karte entwickelt und optimiert. Die Verallgemeinerung der Lösung für eine Vielzahl von Netzwerken ist nicht einfach, aber genau das wurde mit den LoRaWAN-Gateways von Robustel dank der SMART Roaming-Anwendung erreicht.

Die Idee, Daten über mehrere Funknetze zu übertragen, anstatt sich nur auf eines zu verlassen, um die Zuverlässigkeit zu verbessern, ist seit langem bekannt. Es handelt sich jedoch um ein komplexes Thema, das sowohl in den Bereich des SIM-Anbieters als auch des Hardware-Anbieters fällt. Robustel trägt dazu bei, diese Wissensbarrieren zu überwinden und eine sofort einsatzbereite SMART-Roaming-Lösung anzubieten, um die Verbreitung von LoRaWAN als standardbasierte und hochflexible LPWAN-Lösung zu fördern.

Partner von Robustel: Zuverlässige LoRaWAN-Implementierungen


Unzuverlässige Backhaul-Verbindungen sind eines der größten Risiken bei LoRaWAN-Implementierungen – aber das muss nicht sein. Robustel kombiniert Carrier-Grade-Router, Know-how im Bereich ungesteuertes Roaming-SIM und SMART-Roaming-Technologie, um eine stets verfügbare Konnektivität für Gateways auf der ganzen Welt zu gewährleisten. Werden Sie noch heute Partner von Robustel, um Ausfallzeiten zu vermeiden, Kosten zu senken und das volle Potenzial Ihres LoRaWAN-Netzwerks auszuschöpfen.