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IoT und die vier Gründe, warum sich das Warten auf Technologien im lizenzierten Spektrum gelohnt hat

NB-IoT

Es haben sich mehrere Wireless‑Technologien entwickelt, die die grosse Bandbreite der IoT‑Anwendungen ermöglichen, deren Anzahl explosionsartig wachsen wird. Und obwohl sie sich deutlich unterscheiden, können sie grob in zwei diskrete Gruppen unterteilt werden: proprietäre Lösungen, die in einem nicht lizenzierten Spektrum arbeiten, und solche, die in einem lizenzierten Spektrum arbeiten.

Hier werfen wir einen kurzen Blick auf diese Technologien und untersuchen einige der wichtigsten Gründe, warum es sich lohnt, auf Standards für das lizenzierte Spektrum zu warten.

Proprietäre Technologien

Zu den ersten LPWAN‑Technologien (Low‑Power Wide‑Area), die auf den Markt kamen, gehörten die proprietären Standards von Sigfox und LoRa. Sigfox wurde von der gleichnamigen französischen Firma entwickelt, und nutzt das unlizenzierte Spektrum (d. h. Frequenzen im ISM‑Funkband, Industrial, Scientific und Medical), um die für IoT erforderlichen kleinen Datenmengen zu übertragen. Dabei werden bis zu 140 12‑Byte‑Nachrichten pro Tag über Entfernungen von etwa 30‑50 km in ländlichen Gebieten und 3‑10 km in städtischen Gebieten gesendet. Die Entfernung für Objekte im Freien in Sichtlinie kann über 1'000 km betragen.

Ebenso verspricht LoRa (entwickelt von Semtech und unterstützt von einem Industrieverband) die Fähigkeit, nationale Netzwerke von IoT‑Geräten mit sicherer Kommunikation zu liefern, und zwar sowohl für Infrastruktur als auch für persönliche Geräte. LoRa überträgt ebenfalls über grosse Entfernungen mit Datenraten von 0.3 bis 50 kbit/s. (Die Datenraten werden für jedes Endgerät einzeln eingestellt, um die Batterielaufzeit und die Netzwerkkapazität zu maximieren.)

Ein Vorteil dieser LPWAN‑Technologien gegenüber Lösungen im lizenzierten Spektrum liegt darin, dass sie frühzeitig auf den Markt kommen. Einige ziehen jedoch Parallelen zum inzwischen extremen Nischenstandard WiMax im Bereich 4G‑Mobilfunk.

Wie Stefan Kindt, Head of Technology Marketing bei Nokia Networks, in seinem Blog fragt: „Ist Sigfox/LoRa das neue WiMAX?“. WiMax hat gegenüber HSPA+ und LTE mehrere Vorteile geboten. Es wurde vom 400 Mitglieder starken WiMax‑Forum massgeblich unterstützt. Es hatte, wie Kindt es ausdrückt, „ein starkes Internet‑zentriertes und Geräte‑orientiertes Ökosystem“ und hatte mit seiner Einführung in 2008 einen zeitlichen Vorteil gegenüber HSPA+ (2009) und LTE (2010).

„Wir sehen jetzt eine ähnliche Diskussion um Sigfox, LoRa und andere alternative LPWA‑Zugangstechnologien (Low Power Wide Area) für Internet of Things (IoT). Die Verfügbarkeit von 3GPP Rel. 12 Cat. 0‑Technologie mit Energiesparmodus ist ein grosser Schritt nach vorne. Der wichtigste Schritt wird [jedoch] die Verfügbarkeit von 3GPP Rel. 13‑Technologien sein. Frühe Pioniere sind grossartig, um das Ökosystem zu stimulieren und den Wettbewerb voranzutreiben. Langfristig sieht es jedoch so aus, als würde der 3GPP‑Evolutionspfad für vorhandene Mobilfunknetze die Nase vorn behalten.“

Standards für das lizenzierte Spektrum

Narrowband IoT (NB‑IoT) hingegen kann In‑Band implementiert werden und nutzt die Ressourcenblöcke sowohl innerhalb eines normalen LTE‑Trägers als auch im Schutzband. Darüber hinaus kann es auch „Standalone“ genutzt werden, um die Implementierung in einem dedizierten Spektrum zu ermöglichen.

Im September 2015 kündigte die 3GPP es als Teil von Release 13 an und bemerkte, dass der Standard „eine sehr breite Branchenunterstützung“ habe. Der Standard, der mit einer Firmware-Änderung auf der vorhandenen Infrastruktur eingeführt werden kann, ist kompatibel zur Implementierung in 3G- und LTE‑Spektren und verarbeitet effizient die kleine Menge an relativ seltener bidirektionaler Datenkommunikation, die für IoT‑Anwendungen erforderlich ist.

Und während LoRa und Sigfox als erste auf den Markt kamen, wird die NB‑IoT‑Technologie bereits in Vorstandardimplementierungen eingeführt, mit Endgerätkosten von nur wenigen Dollar und einer einfachen Batterie, die jahrelang läuft und Turn‑On‑Go‑Systeme ermöglicht, welche keine lokale Infrastruktur benötigen.

Lizenziert vs. proprietär – warum sich das Warten auf einen 3GPP‑Standard gelohnt hat

Quality of Service

Störungen sind ein wesentliches Merkmal bei der Unterscheidung zwischen diesen beiden Möglichkeiten. Wenn Sie im lizenzierten Spektrum arbeiten, das reguliert ist, können Sie garantieren, welche Dienste in bestimmten Frequenzen und Bändern funktionieren. Im unlizenzierten Bereich ist es schwieriger, diese QoS sicherzustellen, da auch andere Netzwerke auf den gleichen unlizenzierten Frequenzen arbeiten werden.

Höhere Sendeleistung

Für Netzwerke, die in den lizenzierten Bändern arbeiten, gibt es gegenüber unlizenzierten Netzwerken nicht die gleiche Einschränkung für die Sendeleistung oder die Einschaltdauer. Als Ergebnis können Sie weniger Zellen mit höherem Radius einsetzen – und somit auch auf Geräte an schwer zugänglichen Stellen zugreifen, z. B. auf unterirdische Messgeräte von Versorgungsunternehmen und Geräte unter Schachtabdeckungen: Das Modulationsverfahren und die schmale Bandbreite von NB‑IoT tragen dazu bei, einen MCL (Maximum Coupling Loss) von 164 dB gegenüber den 139. 4 dB, die von GSM erreicht werden.

Kosten

Es ist ziemlich wahrscheinlich, dass die Preise in offenen Standards (fast überall) einfacher zu halten sind. Daher wird NB‑IoT als lizenzierter Standard erhebliche Skaleneffekte und niedrigere Materialkosten mit sich bringen. Preispunkte sind daher leichter zu erreichen und zu halten. Da Sie ausserdem die vorhandene Mobilfunkinfrastruktur nutzen können, fallen zudem geringere Implementierungskosten an.

Firmware‑Upgrades

Die fehlende Begrenzung der Einschaltdauer (inkl. Basisstation) und die daraus resultierende Downlink‑Kapazität, die die bidirektionale Kommunikation und Nachrichtenbestätigung ermöglicht, lässt auch FOTA Firmware‑Updates (Firmware Over the Air) zu.

Ein typischer Anwendungsfall ist ein Verbrauchszähler, auf den jahrelang, wenn nicht gar jahrzehntelang nicht zugegriffen werden muss. Und während die Sendeleistung niedrig genug ist, um in dieser Zeit die Batterie nicht wechseln zu müssen, ist es möglicherweise irgendwann erforderlich, die Firmware zu aktualisieren. Angesichts der Tatsache, dass es sehr viele dieser Geräte geben wird, sind FOTA‑Updates unerlässlich.