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LTE-Modem – für eine zuverlässige Datenübertragung auch ohne DSL-Festnetzanschluss

Es vergeht kaum ein Tag, an dem nicht Politik, Fachjournalisten oder auch Netzbetreiber das Thema 5G und die damit verbundenen Verheißungen für die Zukunft medial befeuern. 

Leider wird aber wenig darüber gesprochen, dass die Einführung dieser neuen Technologie das Abschalten der in die Jahre gekommenen 3G- und 2G- Netze mit sich bringen wird. Lediglich LTE (4G) hat noch eine Bestandsgarantie für viele Jahre und wird gegenwärtig mit zusätzlichen Frequenzbändern erweitert. 

Dadurch wird das 4G LTE-Netz als Basisversorgung die Hauptlast der Anwendungen übernehmen, die nicht extrem zeitkritisch sind. LTE und 5G bilden dann ein gemeinsames Funknetzsystem und teilen sich die Netzinfrastruktur dynamisch. 

Da viele Datenübertragungen in der Industrie und Technik auf dem 2G- bzw. 3G-Standard basieren, ist es nun höchste Zeit auf 4G und LTE-Modems umzurüsten.



Was ist ein LTE-Modem?

Die Abkürzung LTE steht für Long Term Evolution, was so viel wie langfristige Entwicklung bedeutet. Diese Bezeichnung wurde zu Recht gewählt, denn LTE stellt mittlerweile die vierte Generation des Mobilfunknetzes dar.

Die LTE-Mobilfunktechnik ist der ideale Ersatz, wenn keine Festnetzleitung mit DSL zur Verfügung steht. Besonders in ländlichen Räumen sind so Downloadraten von ca. 100 Mbit/s erreichbar. In größeren Städten werden über LTE oft noch höhere Geschwindigkeiten von bis zu 500 Mbit/s erreicht. Die tatsächlich erreichbaren Geschwindigkeiten sind aber immer von den örtlichen Gegebenheiten vom jeweiligen Netzbetreiber (Deutsche Telekom, O2 oder Vodafone) abhängig.

Das Wort Modem ist zusammengesetzt aus Modulator und Demodulator. Vom Modulator auf der Senderseite wird ein digitales Signal auf eine Trägerfrequenz moduliert. Der Demodulator auf der Empfängerseite gewinnt das ursprüngliche Signal durch Demodulation.

Damit ist ein LTE-Modem ein Gerät zur Kommunikation und Datenübertragung über die modernen Funktelefon-Netze (LTE bzw. 4G und 5G). Auf der Grundlage einer Verbindung in das LTE-Netz werden alle Arten von Daten versendet bzw. empfangen. 

Wartungsdaten von Gebäudeheizungen, Schaltbefehle für Straßenlaternen oder Messdaten aus einer Kläranlage kann ein LTE-Modem übertragen. Durch die schnurlose Datenübertragung können selbst Service-Daten oder Störungsmeldungen aus fahrenden Fahrzeugen übermittelt werden.

Sender/Empfänger (1); unmodulierte Daten (2); Übertragung der modulierten Daten (3); unmodulierte Daten (4); Empfänger/Sender (5).

Gut zu wissen: Die geschichtliche Entwicklung des Mobilfunknetzes

Mobilfunk der ersten Generation (1G) mit analoger Übertragungstechnik

1958 Das A-Netz (Vermittlung noch per Hand)
1972 Das B-Netz (Selbstwahl durch Teilnehmer)
1985 Das C-Netz (Vermittlungs- und Steuerungs-Informationen bereits digital)

Mobilfunknetz der zweiten Generation (2G) mit digitaler Datenübertragung

1992 Das D-Netz (GSM-Standard mit einer Bandbreite von 9,6 bzw. 14,4 kbit/s)
2001 GPRS bzw. 2.5 G (Bündelung mehrerer GSM-Kanäle für bis zu 55 kbit/s)
2006 EDGE bzw. 2.75 G (Effizientes Modulationsverfahren ermöglicht bis zu 150 kbit/s)

Mobilfunknetz der dritten Generation (3G)

2004 UMTS (Gleichzeitiges Senden und Empfangen von Datenströmen ermöglichen bis zu 384 kbit/s)
2006 HSPA Erweiterung von UMTS ermöglichen eine Bandbreite von bis zu 42 Mbit/s.

Mobilfunknetz der vierten Generation (4G)

2010 LTE (LTE setzt auf der UMTS-Infrastruktur auf und wird auch als 3.9G bezeichnet. Die erreichbare Bandbreite beträgt 50 Mbit/s). Durch Bündelung von Frequenzbändern ist bei 4.5G LTE Advanced Pro eine theoretische Geschwindigkeit von bis zu 500 Mbit/s möglich.

Mobilfunknetz der fünften Generation (5G)

Der aktuelle Mobilfunkstandard soll ab 2020 Datenraten von bis zu 10 Gbit/s ermöglichen. Um das bisherige Funknetzwerk im Bereich von 0,8 bis 2,6 GHz zu entlasten, werden weitere Frequenzen im MHz-Bereich und im GHz-Bereich bereitgestellt. Dadurch ist die Versorgung in Gebäuden (z.B. mit 700 MHZ) als auch eine hohe Datenrate (z.B. bei 3,5 GHz) sichergestellt. Da die Netze 4G und 5G kompatibel zueinander sind, werden sie langfristig nebeneinander bestehen.

Neben Smartphones, Tablets und Hotspots soll 5G auch die immer weiter wachsende Anzahl von IoT-Geräten (mit LTE-M) und die intelligente Maschinenkommunikation in Echtzeit unterstützen.



Wie funktioniert ein LTE-Modem?

Die Aufgabenvielfalt eines Modems ist hoch und die jeweiligen Funktionen, die das Gerät ausführen muss sind dadurch auch extrem unterschiedlich. Damit ein Modem genau das tut, was der Anwender möchte, muss es entsprechende Befehle erhalten. Die Funktionen eines LTE-Modems werden mit AT-Kommandos gesteuert. Dadurch werden gerätespezifische Modemtreiber in der Regel überflüssig.
Der AT-Befehlssatz wurde vom 1977 gegründeten US-amerikanischen Hersteller Hayes Microcomputer entwickelt. Die ersten beiden Buchstaben eines Befehls (AT) sprechen das Modem an und stehen für Achtung (Attention).

In einem AT-Befehl werden die Informationen zur Befehlsausführung untergebracht. Zum Beispiel ermittelt der Befehl AT+csq? die Qualität der Verbindung in das LTE- Netz (sq: send quality). Der Befehl AT+cmgl=0 ermittelt die eingegangenen ungelesenen SMS (mgl: messages list).
Mit den AT- Kommandos kann das LTE- Modem alle denkbaren Aufgaben erfüllen: E-Mail versenden, einen File-Transfer durchführen, SMS empfangen und lesen, Daten über eine IP- Verbindung an eine Datenbank senden und viele weitere Funktionen ausführen. Für die Nutzung des Mobilfunknetzes ist noch eine geeignete SIM-Karte erforderlich.



Wo werden LTE-Modems eingesetzt?

LTE-Modems werden überall da eingesetzt, wo Daten übertragen und Befehle ausgeführt werden müssen. Dies kann z.B. bei der Überwachung oder der Fernwartung einer technischen Anlage sein. Die Überwachung und Steuerung kann zentral erfolgen und an der Messstelle oder am Anlagenteil muss keine Person vor Ort sein.

Aber auch in der Gebäudetechnik haben sich LTE-Modems bestens bewährt. So kann z.B. die Heizung einer großen Wohnanlage zentral überwacht und gesteuert werden. Aber auch der der Einbruchschutz und Smart Home-Lösungen lassen sich mit LTE-Modems perfekt umsetzen.

Ein weiteres großes Einsatzspektrum ist die Telemedizin. Patienten können z.B. ihre aktuellen Vitalwerte automatisiert an den behandelnden Arzt senden.

Da die Datenübertragung ja auf dem Mobilfunknetz basiert, ist es auch möglich Fahrzeugdaten zentral zu überwachen. Unternehmen, Speditionen und Autoverleihfirmen bieten sich so ungeahnte Möglichkeiten für den effektiven Einsatz ihrer Fahrzeugflotten.



Welche Vorteile bringt ein LTE-Modem?

Der wohl größte Vorteil eines LTE-Modems liegt in der Nutzung der Mobilfunk-Technologie. Daher ist es nicht erforderlich, dass eine Festnetz-Telefonleitung für die Datenübertragung genutzt werden muss. Das ist immer dann praktisch, wenn sich die Messstellen in einem Bereich befinden, wo keine Telefonleitung verlegt ist. Damit ist ein Gerät mit LTE-Verbindung quasi ein DSL-Ersatz.

Aber auch die zentrale Steuerung von Anlagen ist nicht ortsgebunden. So kann ein Service-Techniker mit Notebook und einem LTE USB-Stick auch unterwegs auf die von ihm betreuten Systeme zugreifen. 

LTE bietet hohes Datenvolumen mit geringer Verzögerungszeit der Daten durch den Transport im LTE-Netz. Im Unterschied zu 2G und 3G ist LTE für Echtzeitanwendungen geeignet, weil die Daten mit Verzögerungen im Bereich weniger Millisekunden übertragen werden.

Gegenüber den früheren 2G- und 3G-Modems bedeutet ein LTE-Modem Zukunftssicherheit, weil LTE zusammen mit dem zukünftigen 5G ein Netz bildet. 2G und 3G werden nach und nach zurückgebaut und abgeschaltet.

Wichtiger Hinweis: In der Schweiz wurde das UMTS-Netz frühzeitig flächendeckend aufgebaut und daher wird in der Schweiz ab dem kommenden Jahr zunächst das 2G-Netz verschwinden und das 3G-Netz noch für längere Zeit zur Verfügung stehen. 



Welche unterschiedlichen Ausführungen von LTE-Modems gibt es?

LTE- Modems gibt es mit den bekannten Schnittstellen RS232, USB und LAN. USB und LAN können direkt oder über „virtuelle serielle Schnittstellen“ auch wie ein Modem mit RS232 genutzt werden. Im Bereich der Gehäuse unterscheidet man einfache Modemgehäuse aus Kunststoff oder Aluminium und Gehäuse für die Montage auf einer 32 mm Tragschiene (auch Hutschiene genannt). Diese Gehäuse sind sehr schmal, um in einem Schaltschrank platzsparend montiert zu werden.

Mit der Angabe der Kategorie (CAT) wird die maximale Datentransferrate angegeben. CAT 1 ist der bei IoT meist genutzte Standard, da hier keine großen Datenmengen übertragen werden.

Wer höhere Datengeschwindigkeiten benötigt, solle zu CAT 4 greifen. Für Anwendungen mit geringen Datenmengen wird unterhalb von CAT 1 noch CAT M angeboten (M: mobile). Da der Datendurchsatz auch den Stromverbrauch beeinflusst, ist insbesondere CAT M ideal für Akku- und Batterie-betriebene Anwendungen geeignet.



Was muss bei der Auswahl/beim Kauf eines LTE-Moduls beachtet werden?

Die Auswahl eines LTE- Modems muss unbedingt anwendungsbezogen erfolgen. Dabei müssen folgende Punkte beachtet werden:

Notwendige AT-Befehlssatz

Damit das Gerät auch die erforderlichen Aufgaben ausführen kann, sollten die zur Verfügung stehenden AT-Kommandos in den Unterlagen genau geprüft werden.

Erforderliche Bauform

Dann ist auch die für die Anwendung erforderliche Bauform von entscheidender Bedeutung. Reicht ein einfaches Modemgehäuse oder muss das Gehäuse auf einer Hutschiene im Schaltschrank untergebracht werden. In diesem Fall sind z.B. TS-9-Anschlüsse für externe Antennen (LTE-Antennen) erforderlich, damit ein ungestörter Funkempfang gegeben ist.

Zur Verfügung stehende Schnittstelle

Ein weiteres Kriterium ist die Schnittstelle. Während Geräte mit USB-Anschluss oder RS232-Schnittstellen eher zentral genutzt werden, ist ein Modem mit LAN-Schnittstelle über die IP-Adresse im gesamten Netzwerk bzw. Firmennetzwerk nutzbar.

Unser Praxistipp: M2M SIM-Karten

Als SIM-Karte sind die üblichen Angebote aus dem Telekomshop nicht unbedingt die richtige Wahl. Eine M2M SIM-Karte bucht sich nicht nur in das Netz des Anbieters sondern in das vor Ort stärkste Netz ein. Sie bieten eine hohe „Uplink“-Kapazität für Daten, die hochgeladen werden müssen und stellen SMS-Nachrichten schnell und zuverlässig zu. Bei Bedarf ist sogar eine Zustellgarantie möglich.



Häufig gestellte Fragen zu LTE-Modems

Wie richte ich ein LTE- Modem ein?

Ein LTE- Modem hat keine Software oder Nutzeroberfläche zur Konfiguration. Das Modem kann zwar in einem Profil einige grundlegende Voreinstellungen speichern, aber ansonsten muss alles über die AT-Kommandos in die Wege geleitet werden. Dem Modem mitgegeben ist ein Terminalprogramm bzw. ein vergleichbares Herstellertool, in dem für verschiedene Aufgaben die dazugehörigen AT-Kommandos aber auch komplette Befehlsfolgen vorgeschlagen werden. Hier kann man AT-Kommandos auswählen und Befehle für bestimmte Abläufe zusammenstellen.

 

Ist ein LTE-Modem ähnlich einem DSL-Router?

Ein Modem ist kein Router oder WLAN-Router. Es benötigt zum Aufbau einer Verbindung eine Reihe von AT-Kommandos, die in einem Router der interne Prozessor an das Modem übergibt. So wird ein Router sich nach einem Stromausfall gleich wieder in der vorherigen Konfiguration mit dem Internet verbinden. Ein Modem hingegen wird in diesem Fall auf AT-Kommandos warten, die es anweisen wieder seine vorherige Aufgabe oder auch eine andere, neue Funktion wahrzunehmen.  

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