Wie sich Narrowband IoT im Internet der Dinge einsetzen lässt

Die letzte Meile des Internet of Things (IoT) ist problembehaftet. Während heutzutage eine Cloud-Infrastruktur zur Erfassung und Analyse von Daten vorhanden ist, fehlte – bis vor Kurzem – eine robuste Wireless-Infrastruktur mit der Reichweite, dem niedrigen Stromverbrauch und der Kosteneffizienz, um eine große Anzahl von Geräten mit dem Internet zu verbinden.

Narrowband IoT (kurz: NB-IoT) ist ein aktueller Wireless-Standard, der besonders für kostengünstige IoT-Geräte mit geringem Stromverbrauch für den Einsatz in einem Mobilfunknetz konzipiert wurde. Proprietäre Gateways sind damit überflüssig. Gerätehersteller können sich nun auf die Gerätefunktionalität konzentrieren und brauchen sich nicht mehr über die Wireless-Infrastruktur Gedanken zu machen. Als Narrowband-Funktechnologie kommt NB-IoT mit dem niedrigen Stromverbrauch und hoher Reichweite sowie einer starken Signaldurchdringung genau da zum Einsatz, wo andere Wireless-Technologien hinter den Erwartungen zurückbleiben.

Technologie-Übersicht

NB-IoT befindet sich schon seit Jahren in der Entwicklung, wurde aber erst im Juni 2016 als Teil des 3GPP-Standards Release 13 standardisiert. Es handelt sich dabei um eine Narrowband-Frequenztechnologie, die eine Bandbreite von lediglich 180 kHz verwendet. Damit erreicht sie einen Durchsatz von 27,2 kbit/s im Downstream und 62,5 kbit/s im Upstream. Dieser Durchsatz ist im Vergleich zu WLAN-, Bluetooth- oder High-End-Mobilfunktechnologien zwar relativ niedrig, aber mehr als ausreichend für viele IoT-Anwendungen, bei denen lediglich Statusinformationen übermittelt werden müssen.

Da das Link-Budget von NB-IoT um ein enges Frequenzband konzentriert ist, lässt sich eine Langstreckenkommunikation mit niedrigem Stromverbrauch realisieren. Hinzu kommt, dass NB-IoT dank des schmalen Frequenzbandes sowie des Einsatzes unterhalb der Gigahertz-Grenze eine sehr gute Durchdringung hat. Da es vom lizenzierten Spektrum des Mobilfunknetzes Gebrauch macht, verfügt NB-IoT über eine bessere Signalintegrität und eine geringere Interferenzwahrscheinlichkeit als Protokolle, die mit Bluetooth, WLAN und anderen Protokollen in den zunehmend überladenen ISM-Bändern konkurrieren müssen.

NB-IoT wurde zusammen mit Mobilfunknetzbetreibern konzipiert und ist hardwarekompatibel zu einigen vorhandenen Netzen. Das Protokoll ist jedoch völlig neu und unterscheidet sich deutlich von vorhandenen LTE- oder 3G-Protokollen. Als komplette Neuauflage ist der NB-IoT-Stack schlank und leicht zu implementieren. Das bedeutet, dass NB-IoT-Funkmodule viel einfacher sein können als die meisten Mobilfunkmodule und zudem günstiger.

Die Technologie setzt nicht mehr auf Gateways wie konkurrierende Wireless-Protokolle für IoT. Das Mobilfunkkonzept von NB-IoT bedeutet vielmehr, dass mit der Unterstützung der Technologie durch lokale Netzbetreiber Entwickler lediglich ein NB-IoT-Funkmodul in ein Gerät einbauen müssen, damit es sich mit dem Internet verbinden kann. Die Notwendigkeit für Gateway-Geräte oder Router entfällt. Das verringert Entwicklungskosten und beschleunigt die Markteinführung für viele Unternehmen, die sich lieber auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren wollen als zur Unterstützung ihrer IoT-Implementierungen eine maßgeschneiderte Wireless-Infrastruktur einrichten zu müssen.

Bild 1: Die kompakten NB-IoT-Module der Reihe SARA-N2 von U-Blox messen nur 16 x 26 x 2,3 mm³. U-Blox

Mit den Abmessungen 16 x 26 x 2,3 mm³ demonstrieren die Module der Reihe SARA-N2 von U-Blox, wie kompakt ein NB-IoT-Modul sein kann (Bild 1). Mit einem Betriebstemperaturbereich von -40 bis 85 °C, einer großen Reichweite selbst in anspruchsvollen Umgebungen sowie einem sehr niedrigen Stromverbrauch lässt es sich im Bereich der intelligenten Messdatenerfassung mit einer Batterielaufzeit von über zehn Jahren einsetzen.

Bild 2: Das Einsatzgebiet von NB-IoT reicht von Smart Cities über Smart Meterting und Consumer-Lösungen bis hin zu Anwendungen in der Landwirtschaft. U-Blox

NB-IoT ist zwar erst seit 2016 Standard, wird jedoch bereits in der Praxis eingesetzt, um die IoT-Vision einer modernen vernetzten Stadt zu verwirklichen (Bild 2). Von Deutschland über Spanien bis Norwegen hat sich NB-IoT in Feldversuchen für diese Art von IoT-Anwendungen in Städten erfolgreich bewährt. Die Stärke von NB-IoT in einer städtischen Umgebung liegt darin, dass es die herkömmlichen Wireless-Technologien ergänzt. Es bietet die Reichweite des Mobilfunks und die Erschwinglichkeit von Bluetooth sowie einen sehr guten Empfang in Gebäuden.

Smart Metering

In Spanien hat das lokale Wasserwerk Aguas de Valencia mithilfe von NB-IoT die Betriebskosten gesenkt und die Transparenz verbessert. Aguas de Valencia ist außer in Valencia auch in anderen Teilen Spaniens vertreten und für mehr als einer Million Wasserzähler zuständig, die in regelmäßigen Abständen abgelesen werden müssen. Viele Versorgungsunternehmen entsenden zu diesem Zweck auch heute noch Mitarbeiter zu den Verbrauchern. Jeden einzelnen Kunden so zu erreichen, verbietet sich jedoch aus Kostengründen. Außerdem erhält man beim manuellen Ablesen keine Informationen zum Echtzeitverbrauch.

Die Lösung, Zählerstände automatisch abzulesen, liegt somit auf der Hand. Aguas de Valencia hatte automatische Zähler verbaut und gute Ergebnisse erzielt. Das Wasserwerk setzte dabei auf proprietäre Technologie, die nicht nur eine Verwaltung der Zähler, sondern auch der Wireless-Infrastruktur erforderte, um die Zähler mit der Cloud zu verbinden.

Aguas de Valencia hat an den schwierigsten Standorten mit NB-IoT-Technologie von U-Blox einen Versuchslauf durchgeführt – in Kellergeschossen mit wenig oder gar keinem Mobilfunkempfang, in Nischen mit Metallabdeckungen wie in der Kanalisation und anderen Bereichen, wo herkömmliche Wireless-Technologie kaum hinreicht. Trotz dieser schwierigen Randbedingungen konnten die mobilen Testeinheiten problemlos die Zählerstände übermitteln. Aguas de Valencia erhält Echtzeit-Verbrauchsinformationen bis zu 24 Mal am Tag, ohne dass ein Außendienstmitarbeiter vor Ort sein müsste. Die Batterielaufzeit ist dabei dank NB-IoT länger als die zehnjährige Lebensdauer der Zähler. Damit werden die Wartungs- und Betriebskosten des Systems verringert.

NB-IoT wird nicht nur in Wasserzählern eingesetzt. Die Technologie fand auch für Stromzähler im Rahmen eines kürzlich durchgeführten Pilotprojekts in Lissabon, Portugal, Anwendung. Dabei wurden Module vom Typ SARA-N2 von U-Blox verwendet, mit denen die intelligenten Zähler genaue Messstatistiken mehrmals pro Stunde und Ereignisüberwachung einschließlich der Erkennung von Stromausfällen bereitstellen konnten. Dieses intelligente Energiemanagement ermöglicht eine effizientere Stromverteilung. Stromausfälle bei Sturm oder Unregelmäßigkeiten können schneller erkannt und Fehler behoben werden.

Auf der nächsten Seite ist unter anderem Smart Parking Thema.

Smart Parking

Smart Parking will das Problem der Parkplatzsuche lösen, indem mithilfe der drahtlosen Kommunikation Fahrer auf freie Plätze aufmerksam gemacht werden. In der Vergangenheit gab es jedoch aufgrund verschiedener technischer und wirtschaftlicher Herausforderungen Startschwierigkeiten. Die proprietären Wireless-Protokolle der meisten Smart-Parking-Systeme von heute erfordern, dass Betreiber nicht nur Parksensoren, sondern auch die Wireless-Infrastruktur installieren, die jeden Sensor erreichen und ihn mit dem Internet verbinden kann. Das ist für viele Betreiber mit enormen Kosten verbunden und technisch sehr aufwendig.

Mit NB-IoT ist dieses Problem gelöst, da die einzelnen Sensoren direkt mit der Cloud kommunizieren können. Das senkt nicht nur Systemkosten, sondern vereinfacht die Implementierung erheblich. Bei dieser Lösung werden einfach Parksensoren auf dem Parkplatz installiert. Da die Vorrichtungen batteriebetrieben und drahtlos sind, müssen keine Kabel verlegt werden, und da sie über Mobilfunk betrieben werden, ist kein Wireless-Router erforderlich.

Das Potenzial für den Einsatz von NB-IoT im Bereich intelligentes Parken ist groß, und die Technologie ist bereits in Feldversuchen weltweit erfolgreich installiert worden. So startete Q-Free im Januar 2017 ein Versuchsprojekt mit einem Sensor für Smart Parking in Zusammenarbeit mit einem der weltweit größten Mobilfunk- und Telekommunikationsanbieter, Telenor, und der Staatlichen Norwegischen Straßenverwaltung (NPRA). In China, Spanien, Deutschland und Japan wurden ebenfalls mehrere Smart-Parking-Feldversuche durchgeführt.

Schnelle Einführung

Obwohl NB-IoT erst im Juni 2016 standardisiert wurde, ist die Technologie bereits heute deutlich auf dem Vormarsch. Sie wird derzeit von Mobilfunkanbietern weltweit implementiert, von Spanien über Norwegen bis Südkorea und Japan. Die schnelle Einführung von NB-IoT als Wireless-IoT-Standard verspricht Vorteile sowohl für Netzbetreiber als auch für Gerätehersteller.

Ein Grund für den schnellen Rollout ist das einfache Implementierungsverfahren. Viele Netzbetreiber können NB-IoT mit einem simplen Software-Upgrade in ihrer Infrastruktur implementieren. Da jede Basisstation bis zu zirka 100.000 Geräte bedienen kann, ist die Netzwerkkapazität im Gegensatz zu Technologien mit höherem Bandbreitenbedarf kaum ein Problem.

Ein Anreiz für Netzbetreiber, NB-IoT zu unterstützen, ist die Tatsache, dass sie damit IoT als Umsatzmöglichkeit ausnutzen können. Während sich andere LPWA-Technologien (Low-Power-Wide-Area) unabhängig vom Mobilfunk entwickelt haben, wurde NB-IoT zusammen mit großen Mobilfunkanbietern konzipiert, die eine Netzabdeckung auf Abonnementbasis anbieten können. Für Gerätehersteller wiederum bedeutet die schnelle Einführung von NB-IoT als Standard die Möglichkeit, kompakte und erschwingliche IoT-Geräte zu entwickeln, die leichter zu implementieren und daher leichter zu verkaufen sind.

(ku)