NB-IoT

Bild 1: Im Vergleich zu anderen Funktechniken zeichnet sich LPWA durch eine hohe Reichweite bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch aus. Vodafone

Speziell für die drahtlose Vernetzung von IoT-Anwendungen kommen sogenannte „Low Power Wide Area (LPWA)“-Techniken zum Einsatz (Bild 1). Nach einer Faustregel soll ein LPWA-Gerät eine Lebensdauer von rund 10 Jahren im Feldeinsatz erreichen und eine Verbindung von bis zu 10 km zur Basisstation herstellen können. Außerdem soll ein entsprechendes Funkmodul unter 10 US-Dollar kosten und weniger als 10 Byte pro Stunde übertragen. Jede Funkzelle beziehungsweise Basisstation sollte über 10.000 Geräte unterstützen können.

Zur Erfüllung dieser LPWA-Anforderungen wurde eine Reihe unterschiedlicher Technologien entwickelt, unter anderem auch Narrowband-IoT (NB-IoT). Bei NB-IoT handelt es sich um eine 3GPP-Kommunikationstechnologie, die im Rahmen des 3GPP-Release 13 im Juni 2016 standardisiert wurde. Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ist eine weltweite Kooperation von Standardisierungsgremien für die Standardisierung im Mobilfunk. Vodafone, einer der führenden Entwickler von 3GPP-IoT-Standards, hat den Vorsitz des NB-IoT-Forums.

NB-IoT bietet eine gute Netzabdeckung in schwierigen Umgebungen, wie sie für LPWA-Anwendungsfälle typisch sind. Wie bei 3G und 4G werden lizenzierte Frequenzbänder genutzt. NB-IoT wird so kaum durch Störungen beeinträchtigt. Für NB-IoT gibt es zudem keine rechtlichen Einschränkungen, zum Beispiel wie oft jedes Gerät Daten übertragen (Duty Cycle) muss. Und es muss auch nicht zwangsläufig pausieren. Das schont den Energieverbrauch und erleichtert die Planungssicherheit für die Zukunft. Trotz der hohen Netzabdeckung und starken Leistung bietet NB-IoT eine vergleichbare Batterielaufzeit zu anderen LPWA-Technologien.

NB-IoT lässt sich über Softwareupdates innerhalb des bestehenden LTE-Netzes aktivieren. Somit ist es nicht nötig, ein neues Netz aufzubauen. Als offener 3GPP-Standard wird NB-IoT von vielen Netzbetreibern und Hardware-Herstellern unterstützt. In vielerlei Hinsicht verhält sich NB-IoT wie LTE und ist für Netzwerktechniker, Anwendungs- und Hardwareentwickler eine vertraute Technologie. NB-IoT basiert auf der Authentifizierung und Verschlüsselung von LTE: Bei NB-IoT authentifizieren Netz und Gerät sich gegenseitig. Der Datenverkehr zwischen dem Gerät und dem Kernnetz ist verschlüsselt.

Dieser Beitrag zeigt, warum NB-IoT mit solchen Eigenschaften in besonderer Weise für den Einsatz bei großen IoT-Projekten geeignet ist.

Anforderungen von großen IoT-Projekten

Großflächige IoT-Projekte haben spezifische Konnektivitätsanforderungen: Ob intelligente Wasserzähler, vernetzte Landwirtschaft, intelligente Städte oder smarte Logistiksysteme – all diese verbundenen Geräte benötigen folgende Eigenschaften:

  • Lange Laufzeiten im Einsatzgebiet: Bodenzustands-Überwachungsgeräte in der Präzisionslandwirtschaft werden oft ohne Zugang zum Strom eingesetzt. Dies erfordert eine gleich lange Betriebslebensdauer für Batterien und Geräte. Die kann ein Jahrzehnt oder sogar noch länger sein.
  • Tiefe Netzabdeckung: Geräte, wie Wasser- und Gaszähler, werden unter Umständen in ländlichen Gebieten eingesetzt beispielsweise unter Kanaldeckeln oder in Gebäudekellern. Die Netzverbindung muss eine starke Durchdringung und eine große Reichweite aufweisen.
  • Skalierbarkeit zu geringen Kosten: Rauch- und Feuermelder oder intelligente Mülleimer werden in Massen eingesetzt. Geräte- und Verbindungskosten müssen niedrig sein. Die Netze müssen eine hohe Gerätedichte unterstützen und gleichzeitig QoS (Quality of Service) garantieren.
  • Geringe Bandbreite: Einige Geräte senden wenige Bytes pro Tag, so übermitteln intelligente Parksensoren nur dann ein Ping-Signal ans Netz, wenn ein Parkplatz frei wird. Hier müssen keine Sprach- oder Duplex-Datenübertragungen unterstützt werden.

Drahtgebundene Verbindungen sind zwar ideal für IoT-Bereitstellungen in Gebäuden und Büros. Sie kommen aber für Geräte im Feldeinsatz nicht in Frage, weil es keinen Netzzugang oder keinen Strom gibt. Einige drahtlose Technologien, wie zum Beispiel WLAN, Bluetooth oder Zigbee, haben nicht die notwendige Reichweite für umfangreiche Bereitstellungen. Andere Technologien wie etwa 3G und 4G haben zwar eine Reichweite von mehreren Kilometern, sind aber auf einen hohen Datendurchsatz ausgelegt. Dadurch sind sie teuer und brauchen viel Energie. Ein typisches 4G-IoT-Modul kostet zirka 40 US-Dollar und  hat eine Batterielaufzeit von weniger als einem Jahr. Für eine Anwendung wie etwa einen intelligenten Parksensor ist es nicht geeignet.

LPWA-Technologien im Überblick

NB-IoT

Bild 2: Überblick über die verschiedenen LPWA-Standards. Vodafone

Hier kommen nun die reichweitenstarken und zugleich günstigen LPWA-Techniken ins Spiel. Dazu gehören unter anderem Weightless, DASH 7, 802.11ah, Ingenu, LTE-M, EC-GSM-IoT (Bild 2). Diese und viele andere Technologien kämpfen aktuell stark um Marktanteile. Besonders bewährt haben sich dabei Sigfox, LoRa und NB-IoT. Diese LPWA-Techniken werden in mehreren öffentlichen Projekten eingesetzt und haben eine ausreichende technische Reife mit hinreichender Marktunterstützung.

Vodafone hat in eigenen Versuchsreihen alle LPWA-Technologien geprüft, die zurzeit in der Entwicklung sind – und sich für NB-IoT entschieden. Die wichtigsten Eckdaten von NB-IoT im Vergleich mit LoRa und Sigfox zeigt Tabelle 1. Nach Überzeugung von Vodafone ist eine globale Standardtechnologie wie NB-IoT die beste Möglichkeit, um Sicherheit, Interoperabilität, Skalierbarkeit, Quality of Service (QoS) und Langlebigkeit zu garantieren.

Im Folgenden wird NB-IoT im Detail mit anderen Techniken verglichen. Dazu gehören etwa die Bereiche Netzabdeckung, Datendurchsatz, Energieverwaltung, Kosteneffizienz, Marktunterstützung und Sicherheit.

 

Auf den folgenden Seiten vergleichen wir das Narrowband-IoT detailliert mit anderen Techniken. Auf der nächsten Seite stehten dabei Netzabdeckung und Datendurchsatz im Fokus.

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