Das Maschinennetz: LTE NarrowBand-IoT (NB-IoT)

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Geht es nach den Mobilfunkanbietern, soll der Schmalbandfunk NarrowBand-IoT (NB-IoT) eine Schlüsselrolle im industriellen und verbraucherorientierten Internet of Things übernehmen. Hat der LTE-Ableger das Zeug dazu?

Mit herkömmlichem Mobilfunk ist im Internet of Things (IoT) nichts zu machen. Der Energieverbrauch wäre viel zu hoch und die Netze würden unter der Last Zigtausender IoT-Geräte pro Funkzelle zusammenbrechen. Während es bei herkömmlichen Mobilfunkanwendungen vor allem auf hohe Übertragungsgeschwindigkeiten ankommt, stellt das Internet der Dinge andere Anforderungen: hohe Netzabdeckung, robuste Übertragung, niedriger Stromverbrauch, minimale Kosten und höchstmögliche Sicherheit.

Lange war die Vernetzung von Industrieanwendungen im Internet of Things nicht im Fokus der Mobilfunkanbieter. Inzwischen sind die Telekommunikationsunternehmen jedoch auf den LPWAN-Zug (Low Power Wide Area) aufgesprungen: Das Standardisierungsgremium 3rd Generation Partnership Project (3GPP), dem Mobilfunknetzbetreiber, -hersteller und Regulierungsbehörden weltweit angehören, definierte im Release 13 unter anderem die auf die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) spezialisierten LTE-Derviate LTE Cat NB1 – auch NarrowBand-IoT (NB-IoT) genannt – und LTE Cat M1. Mit diesen „abgespeckten“ LTE-Versionen zielen Mobilfunknetzbetreiber auf M2M-Anwendungen wie batteriebetriebene Funksensoren ab.

Zuverlässige Übertragung und weltweites Roaming

NB-IoT ist darauf ausgelegt, geringe Datenvolumina relativ selten zuverlässig zu übertragen – auch in schwierigen Umgebungen und über große Entfernungen. Charakteristisch ist eine hohe Störfestigkeit und gute Festkörperdurchdringung: LTE Cat NB1 durchdringt dicke Betonmauern und erreicht zum Teil auch Untergeschosse. Da IoT-Endgeräte wie Sensoren oft nur einmal pro Stunde oder Tag kleine Datenpakete übertragen, funktionieren sie mit einem Batteriesatz bis zu 15 Jahre. NB-IoT arbeitet zudem mit Funkwellen, die eine großflächige Abdeckung ermöglichen. Ein weiteres Plus: NB-IoT erlaubt weltweites Roaming und somit die globale Skalierung von IoT-Applikationen. Wichtig ist Roaming zum Beispiel für die logistische Verfolgung von Containern über Landesgrenzen hinweg.

Drei Betriebsarten sind mit LTE Cat NB1 möglich: innerhalb eines LTE-Kanals (In-Band), in den Lücken zwischen LTE-Kanälen (Guard Band) und außerhalb des LTE-Netzes (Stand-Alone), beispielsweise in einem GSM-Kanal. Die Variante LTE Cat-M1 mit mehr Bandbreite und Handovers ist stärker auf den Mobileinsatz ausgelegt und erlaubt auch Sprachübertragung. Beide Technologien arbeiten mit den gleichen Modulationsverfahren wie LTE.

Großes Anwendungsspektum

Das Spektrum möglicher Anwendungen ist groß. NB-IoT erlaubt das energieeffiziente Vernetzen von Sensorenschwärmen in Fabriken, Smart Buildings, der Logistik, der Landwirtschaft oder dem Abfallmanagement. Im Keller montierte Gas-, Strom- und Wasserzähler lassen sich an das Internet anschließen und aus der Ferne auslesen (Smart Metering). Mit NB-IoT-Modulen ausgerüstete Straßenlaternen kann man aus der Ferne ein- und ausschalten oder dimmen. Intelligente Parkleitsysteme könnten den Autofahrer per NB-IoT zum nächsten freien Parkplatz dirigieren. Die Technologie eignet sich auch für Anwendungen im Medizinbereich und Gesundheitswesen, zum Beispiel in der Patientenüberwachung.

Konkurrierende Funktechnologien

Verschiedene Technologien kämpfen um Marktanteile bei der drahtlosen LPWA-Vernetzung von IoT-Geräten. Bewährt haben sich insbesondere die relativ ausgereiften Technologien Sigfox, LoRa und NB-IoT.

NB-IoT hat einen deutlich geringeren Leistungsverbrauch als Standard-LTE-Verbindungen. Im Vergleich zu klassischen LPWANs wie LoRa oder Sigfox ist die Leistungsaufnahme aber höher und die Reichweite geringer. Mit bis zu 250 kbit/s stellt NB-IoT jdoch deutlich mehr Bandbreite im Down- und Uplink zur Verfügung. Ein LTE Cat-NB1-Gerät funkt auf einem nur 180 kHz breiten Kanal. Das entspricht einem einzigen Physical Resource Block (PRB) bei LTE. Im Gegensatz zu LoRa oder Sigfox nutzt NB-IoT weltweit lizensierte Frequenzbereiche.

Sofware-Updates machen Funkanlagen fit für NB-IoT

Hardwareseitig unterstützen LTE-Basisstationen das Schmalbandnetz NB-IoT bereits. In vielen Fällen reichen Software-Aktualisierungen aus, um die Funkanlagen LPWAN-bereit zu machen. Ein weitflächiger Netzausbau für NB-IoT ist deshalb relativ schnell und preiswert möglich. Eine Funkzelle kann mehrere Zehntausend IoT-Geräte versorgen.

Weltweit treiben mehr als 30 der größten Mobilfunknetzbetreiber, die 90 Prozent des weltweiten IoT-Marktes abdecken, NB-IoT voran. Dazu gehören die Deutsche Telekom, Vodafone, AT&T, Telefonica, China, Unicom, China Mobile, Verizon und Telestra. Breite Unterstützung erhält NB-IoT auch von der Industrie, etwa von Chipherstellern wie Intel und Qualcomm oder Mobilfunkausrüstern wie Ericsson, Nokia und Huawei.

Die Deutsche Telekom hat NB-IoT-Netze in Deutschland, vielen europäischen Ländern wie Polen, Slowakei, Tschechien, Ungarn oder Griechenland und in Nordamerika eingeführt. In den Niederlanden ist seit 2017 eine landesweite NB-IoT-Abdeckung erreicht. In Deutschland sind laut Telekom die Basisstationen in über 600 Orten mit NB-IoT ausgestattet. Bis Ende 2018 soll der Rollout im Großteil Deutschlands abgeschlossen sein. Eine „landesweite Abdeckung“ ist auch in weiteren europäischen Ländern angestrebt. In der Europäischen Union, der Schweiz und Norwegen bietet die Telekom eine Daten-Flatrate an: Für zehn Euro können IoT-Geräte zehn Jahre lang kleine Datenmengen übertragen. Das Limit liegt bei 500 Megabyte. In den USA soll NB-IoT ebenfalls bald flächendeckend installiert sein.

Kosteneffizienz durch einfaches Design

NB-IoT ist auf die Minimierung der Kosten für Hardware und Netzbetrieb ausgelegt – ein Vorteil für industrielle IoT-Anwendungen die auf der Vernetzung zahlreicher Objekte abzielen. Da NB-IoT viele LTE-Funktionen nicht nutzt, reichen einfache, wenig komplexe Funkmodule aus, die sich kostengünstig herstellen lassen. So brauchen NB-IoT-Hardware-Module nur begrenzten Speicher, also erschwinglichere PSRAM-Bausteine. Es gibt nur eine einzige Antenne und keinen Vollduplex-Betrieb. Dadurch entfallen die Kosten für einen RF-Duplexer. Im Vergleich zu LTE gelten in Bezug auf Zeitverzögerungen wenige Einschränkungen. Deshalb sind Chipdesign und -produktion weniger aufwändig. NB-IoT-Geräte verfügen über geringere Taktfrequenzen. Das senkt die Kosten für die Chips. Die Begrenzung der Bandbreite verringert die Größe der Puffer und Verarbeitungsblöcke. Während ein LTE-Endgerät etwa 40 Dollar kostet, liegen die Produktionskosten für ein NB-IoT-Gerät unter zehn US-Dollar. Der Wettbewerb mit Technologien wie Sigfox und LoRa wird voraussichtlich zu weiter fallenden Preisen der Komponenten und Systeme führen.

IoT-Geräte befinden sich zudem die meiste Zeit im Idle-Modus, sie sind also untätig. Mit dem Power Saving Mode (PSM) lassen sich LTE-Geräte in einen Tiefschlaf versetzen – für einige Minuten oder mehrere Tage. Das Gerät bucht sich aber nicht aus dem Mobilfunknetz aus und ist permanent – wenn auch mit Verzögerung – erreichbar. Im Energiesparmodus werden nur wenige Mikroampere Strom benötigt.

LTE-Sicherheitslücken bedrohen auch NB-IoT

NB-IoT basiert auf der Authentifizierung und Verschlüsselung von LTE. NB-IoT authentifiziert Netz und Gerät gegenseitig. Es verschlüsselt zudem den Datenverkehr zwischen Gerät und Netz. Die sichere und verschlüsselte Datenübertragung der Geräte findet mittels Anmeldung im Funknetz mit individueller Geräteidentität statt. Um den Schutz zu erhöhen, können Gerät, Kommunikation und Anwendung mit zusätzlichen Sicherheitsschichten versehen werden. Per Funk lassen sich Firmware-Updates auf die Geräte aufspielen, die Sicherheitslücken schließen und Funktionen nachrüsten. Cat-NB1 und Cat-M1 sind jedoch laut einer Studie der Purdue University und der University of Iowa potenziell durch die gleichen Sicherheitslücken wie LTE gefährdet.

Lizenzierte Spektren, industrielle Qualität und ein vergleichsweise hohes Sicherheitsniveau könnten dazu beitragen, dass sich NB-IoT als Funktechnologie für die M2M-Kommunikation rasch durchsetzen könnte.

electronica 2018

Erfahren Sie mehr über Wireless-Technologien wie NB-IoT/M2M und LPWAN auf dem electronica Wireless Congress – Systems & Applications

www.electronica.de

 

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