LTE für das “Internet der Dinge”

NarrowBand Internet of Things (NB-IoT)




Seit der Einführung von LTE vor 6 Jahren, lag der Hauptanwendungsschwerpunkt der Funktechnik auf der Versorgung von mobilen Endgeräten mit möglichst hohen Datenraten. Auch fungiert 4G nach wie vor als Breitband-Versorgungsalternative im ländlichen Raum. Darüber hinaus, hält die LTE-Telefonie (VoLTE) immer mehr Einzug in den Alltag der Mobilfunkkunden. Im industriellen Sektor kam LTE/4G bis dato dagegen meist nur in Form von Nischen-Lösungen zum Einsatz. Dabei war recht früh klar – LTE wird den Weg zum vielbeschworenen „Internet der Dinge“ ebenen und im Nachfolger "5G" Vollendung finden. Seit Mitte 2016 hat nun das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) endlich die nötigen Grundlagen geebnet. Hier erfahren Sie alles zu den technischen Spezifikationen von Narroband IoT (NB-IoT), den Zielen, Möglichkeiten und Anwendungen. Los geht’s!


Was versteht man unter NarrowBand LTE?

Beim „normalen“ LTE geht es primär darum, möglichst viele Datenmengen in  kurzer Zeit zu übertragen und das mit möglichst hoher Reichweite. Wie der Name schon andeutet, geht man beim „NarrowBand“ genau den entgegengesetzten Weg. Für die Kommunikation zwischen einzelnen Sensoren und Maschinen (M2M) genügen in der Regel recht geringe Datenraten von unter 1 MBit völlig. Die benötigten Distanzen liegen meist im Bereich von einigen Metern bis hin zu Kilometern. Viel wichtiger in diesem Segment sind Zuverlässigkeit sowie möglichst kurze Latenzzeiten für eine Echtzeitkommunikation. NB-IoT nutzt sozusagen sehr abgespeckte LTE-Standards mit dem Ziel, möglichst effizient und stromsparend vernetzen zu können. Spezifiziert wurde NB-IoT im Sommer 2016 innerhalb des 3GPP Release 13. Letzteres ist daher Bestandteil von LTE Advanced Pro (4.5G).


„Internet der Dinge“: Das Web wird „real“

Jahrelang wurde viel und gerne über das „Internet der Dinge“ fantasiert. Erst durch die nötige Standardisierung, ist der Weg nun prinzipiell frei für die Praxis. Mit federführend beim Thema ist hierzulande die Deutsche Telekom. Diese startete den NB-IoT-Rollout Anfang 2017 in acht Ländern. Im Einzelnen sind das Deutschland, Niederlande, Polen, Ungarn, Österreich, Griechenland, Slowakei und Kroatien.


Dank der Standardisierung Mitte 2016 in Rel. 13, ist der Weg nun frei für die Praxis.

LTE Spezifikationen für Narroband IoT und deren Merkmale

NB-IoT nutzt spezielle LTE Kategorien. Im Einzelnen handelt es sich dabei um LTE CAT0, LTE CAT M1 und LTE CAT NB1. Die Spezifikationen sind im Vergleich zu „normalem“ LTE extrem abgespeckt und nutzen nur ein sehr geringes Frequenzspektrum. Dadurch wird ein sehr energiesparender Betrieb der Funkchips ermöglicht. LTE Cat1 und LTE Cat0 gelten jedoch schon als „veraltet“, werden wohl nicht zum Einsatz kommen. Stattdessen gehört M1 sowie NB1 die Zukunft. Folgend haben wir für Sie die wichtigsten Kriterien und Merkmale der vier Narrwoband Varianten zusammengefasst.

  LTE Cat 1 LTE Cat 0 LTE Cat M1 NB-IoT
 3GPP Release [info] Release 8 Release 12 Release 13 Release 13
Downlink Spitzenwert 10 Mbps 1 Mbps < 1 Mbps 150 kbps
Uplink Spitzenwert 5 Mbps 1 Mbps < 1 Mbps 150 kbps
Empfängerbandbreite
des Endgeräts
20 MHz 20 MHz 1,4 MHz 200 kHz
Max. Sendeleistung des Endgeräts 23 dBm 23 dBm 23 oder
20 dBm
23 oder
20 dBm
Duplexmodus Vollduplex Halbduplex (opt.) Halbduplex (opt.) Halbduplex


Zielsetzungen und Vorteile bei NB-IoT

Haupt-Merkmale von LTE Cat M1 und NB1 sind, wie schon angedeutet, primär eine minimalisierte Sendeleistung und reduzierte Datenraten für den M2M Einsatz. NB-IoT funktioniert technisch gesehen auch mit „herkömmlichen“ SIM-Karten. In den meisten Modulen und Endgeräten wird aber eine eSIM Funktion zum Einsatz kommen. Schon alleine weil dies viel einfacher und günstiger händelbar ist und weniger fehleranfällig.

Der Fokus von NB-IoT: Energiesparend, sehr gute Netzversorgung auch in Gebäuden, sehr preiswerte Chipsätze und extrem lange Akkulaufzeiten.

Chipsätze für NB-IoT bzw. die entsprechenden LTE Kategorien, müssen für eine rentable Verbreitung zudem sehr preiswert sein. Sichergestellt wird dieser Anspruch wiederum durch Reduktion auf wesentliche Eigenschaften. Erst damit ist eine „massenhafte“ Verbreitung möglich. Mit NB-IoT sollen Geräte problemlos bis zu 10 Jahre lang mit einer Akku-Ladung bzw. Batterie auskommen können (= preiswert und energiesparend!). Technischer Hintergrund dabei ist die Verlängerung des DRX-Timers im Ruhezustand ((Idle Mode)) und im aktiven Modus.





Frequenzbereiche für NB-IoT

Nahband LTE arbeitet auf diversen Frequenzbereichen. Dabei ist der Parallelbetrieb im bestehendem LTE-Frequenzspektrum möglich. Zudem ist der Betrieb im Schutzband zwischen verschiedenen Frequenzblöcken vorgesehen. Möglich wird das durch das sehr geringe, benötigte Spektrum von teilweise nur 200 KHz bei LTE Cat NB1. Damit müssen nicht zwingend wertvolle Ressourcen geopfert werden, die primär im lukrativen Endkundenmarkt zum Einsatz kommen.

Mögliche Praxis-Beispiele und Szenarien

Prinzipiell sind die Möglichkeiten, welche die Nahband-LTE Technik eröffnet, nahezu grenzenlos. Die meisten der Anwendungen in Zukunft dürften heute noch gar nicht erfunden sein. Dennoch lassen sich einige vielversprechende Beispiele zeigen, die sich schon in Kürze im Alltag bzw. der Praxis wiederfinden werden.

M2M Anwendungen | Quelle: Deutsche Telekom


  • 1. Smart Citys

    Intelligente Steuerung der Stadt- und Straßenbeleuchtung. Z.B. durch bedarfsabhängige Anpassung oder selbstständige Wartungsmeldungen; intelligentere Parkplatzleitsysteme; Mülltonnen mit Sensoren ("ich bin voll").

  • 2. selbstfahrende Autos

    Autonome, selbstfahrende Fahrzeuge stehen bei den Zukunftsvisionären schon seit einigen Jahren ganz oben im Kurs. Tatsächlich funktioniert das schon ganz gut und einige Testprojekte in der Praxis rollen schon in einigen Ländern (z.B. Singapur). NB-IoT und Echtzeitkommunikation gelten aber als zwingende Voraussetzung für eine massenweise Verbreitung. Schon aus Sicherheitsgründen, müssten wohl alle Fahrzeuge auch untereinander "reden" können.

  • 3. Transport und Logistiksektor

    Hier dürfte NB-IoT wahrscheinlich mittelfristig am meisten eingesetzt werden und RFID-Systeme ersetzen oder ergänzen. Die Möglichkeiten sind nahezu unendlich und beschränken sich nicht nur rein etwa auf Container-Tracking.

  • 4. Industrie & Landwirtschaft

    Mit smarten Sensoren könnten per NB-IoT eine Vielzahl von Anlagen ausgerüstet werden. Wie etwa Kühlketten, Kühlsysteme, Temperatur- und Füllstandsanzeigen, Lagerverwaltung. In entlegenen Gebieten, wo eine externe Stromzufuhr nicht ohne weiteres möglich ist, können NB-IoT/LPWA Systeme zum Einsatz kommen. Diese lange autark, funktionieren und nur mit ca. 20 dB funken. Selbst Nutztiere könnten mit entsprechenden Modulen bequem getrackt werden.

  • 5. Tracking-Anwendungen RFID taugt z.B. als „near Field“-Technik nicht zum tracken. Stattdessen werden heute meist GPS und GSM-Tracker eingesetzt. Mit NarrowBand LTE eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für die Wirtschaft, wie auch für Privatpersonen. Recht populär sind heute z.B. schon Systeme für die Tierlokalisierung. Denkbar ist aber auch das Tracking von Autos oder diversen Wertgegenständen.


Fazit: Ziel von NB-IoT ist es, die Kommunikation von Maschinen (M2M) in vielerlei Hinsicht zu erleichtern, sodass künftig Dinge jeder Art mit dem Internet verbunden werden können. Beispiel: Stromzähler, Heizungen, Smart Home, Haushaltsgeräte wie Kühlschrank, Tiefkühlschrank, Trockner, Waschmaschine. Aber auch vernetzte Kleidung ist denkbar.


Durch Machine-to-Machine kommunizieren Maschinen & Werkstücke untereinander | Bild: Deutsche Telekom


Sprungbrett für 5G

Der LTE Nachfolger „5G“ soll nicht nur unglaublich schnell werden, also deutlich mehr als 1000 MBit bieten. Zentrale Bedeutung misst man der Zukunftstechnik bei der Maschine-2-Maschine Kommunikation bei. Latenzen von ca. 1 ms ermöglichen erstmals sichere Vehicle to Vehicle Verbindungen (V2V). Die Forschung von NB-IoT geht direkt in die Entwicklung kommender Releasestandards mit ein. Ab Rel. 14 soll es soweit sein.


Bild oben (unter der Überschrift): Fotolia © zapp2photo



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