So funktioniert LTE NarrowBand-IoT

Redakteur: Michael Eckstein

LTE NarrowBand-IoT, kurz NB-IoT, soll dem industriellen und dem verbraucherorientierten Internet der Dinge zum Durchbruch verhelfen. Hat die Erweiterung des LTE-Standards tatsächlich das Zeug dazu?

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Bindeglied: Die Erweiterung NarrowBand-IoT macht den LTE-Standard fit für das Internet der Dinge.
Bindeglied: Die Erweiterung NarrowBand-IoT macht den LTE-Standard fit für das Internet der Dinge.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Autos, Park- und Wasseruhren, Container, Industrieanlagen oder Straßenbeleuchtungen: Vernetzt wird, was vernetzt werden kann. Bereits bis 2020 sollen weltweit mehrere Mrd. Endpunkte im Internet oft Things in Betrieb sein – Marktbeobachter überbieten sich hier mit astronomischen Zahlen in ihren Prognosen. Tatsächlich bietet der Markt ein enormes Potenzial.

Dabei zeigt sich: Schneller ist nicht immer besser. Das Internet oft Things hat ganz eigene Anforderungen an die Kommunikations-Infrastruktur. Während bei herkömmlichen Mobilfunkanwendungen ein möglichst hohes Übertragungstempo im Vordergrund steht, kommt es beim IoT primär auf fünf Dinge an: Größtmögliche Netzabdeckung, robuste Übertragungen, maximale IT-Sicherheit, geringstmöglicher Stromverbrauch und minimale Kosten.

Hohe Datenraten sind hingegen irrelevant. Wichtiger ist, dass auch unter schwierigen Bedingungen, etwa in Gebäuden, eine zuverlässige Übertragung möglich ist. Drahtlose Kommunikationstechnologien, die diese Eigenschaften erfüllen, lassen sich unter dem Begriff „Low Power Wide Area“-Netzwerk zusammenfassen, kurz LPWA oder auch LPWAN.

Telekom verspricht flächendeckenden Ausbau bis Ende 2018

Mehrere Technologien konkurrieren um die Vorherrschaft. Vielversprechend sind beispielsweise LoRaWAN (Long Range WAN), UNB/Sigfox und NarrowBand-IoT (NB-IoT). Während LoRa und Sigfox proprietäre Techniken sind, ist NB-IoT eine Erweiterung des LTE-Mobilfunkstandards. Das Standardisierungsgremium 3GPP (3rd Generation Partnership Project), das unter anderem auch UMTS und LTE definiert hat, hat NB-IoT 2016 als LTE Cat-NB1 festgeschrieben. Eine Variante ist LTE Cat-M1, dass stärker auf den mobilen Einsatz ausgerichtet ist und neben einem schnelleren Handover zwischen Basisstationen auch Sprachübertragungen ermöglicht. Beide Versionen, LTE Cat-NB1 und LTE Cat-M1, arbeiten mit denselben Modulationsverfahren für die Signalübertragung wie LTE.

Das bedeutet: LTE-Basisstationen unterstützen hardwareseitig grundsätzlich die Erweiterungen, LPWAN ist quasi bereits in die Grundtechnologie eingebaut. In vielen Fällen reicht das Aktualisieren der Software aus, um die Funkanlagen fit für MB-IoT zu machen. Mobilfunkbetreiber können also mit vertretbarem Aufwand vorhandene LTE-Infrastruktureinrichtungen für das Bereitstellen von IoT-Services nutzen. Daher ist zu erwarten, dass NB-IoT schnell weitflächig verfügbar sein wird. Die Deutsche Telekom, einer der Hauptakteure im hiesigen NB-IoT-Markt, hat im zweiten Quartal 2017 mit dem Aufrüsten ihrer Basisstationen begonnen. Bis Ende 2018 soll der Rollout abgeschlossen sein. Auch Vodafone setzt stark auf die NarrowBand-Technik.

NB-IoT nutzt weltweit lizensierte Frequenzbänder

LTE und seine Erweiterungen nutzen weltweit lizensierte Frequenzbänder. Das soll eine hochwertige, sichere Übertragung der Daten garantieren. Befürworter von NB-IoT gehen davon aus, dass die lizenzierten Spektren ein gewichtiges Argument für die Nutzung von M2M-Diensten sind – und sich die Technik daher rasch durchsetzen wird.

Bereits der Name NarrowBand, zu Deutsch: Schmalband, macht klar, dass hier nicht Highspeed-Übertragungsgeschwindigkeiten im Vordergrund stehen. NB-IoT ist vielmehr darauf ausgelegt, kleine Datenmengen verhältnismäßig selten zuverlässig zu übertragen – auch in schwierigen Umgebungen und über große Distanzen. Die Einschränkungen bei der Datenrate und Sendefrequenz ermöglichen den Aufbau von Endgeräten, die extrem wenig Strom verbrauchen und mit einem Batteriesatz zehn Jahre und länger funktionieren.

Wie andere LPWA-Techniken zeichnet sich NB-IoT durch eine gute Festkörperdurchdringung aus. Die Datenübertragung funktioniert daher auch in Gebäuden, zum Teil auch in Untergeschossen. Laut Anbieter sollen sich damit beispielsweise im Keller montierte Wasserzähler in das IoT einbinden und auslesen lassen.

Kosten senken durch Vereinfachungen

NB-IoT nutzt viele Funktionen nicht, die im LTE-Standard definiert sind. Die Funkmodule können daher einfacher gehalten werden, was sich auf ihren Preis auswirkt – und auf den der IoT-Endpunkte. Das ist wichtig, da viele industrielle IoT-Anwendungen auf der Vernetzung zahlreicher Objekte basieren. Da je nach Applikation etliche tausend Endgeräte miteinander kommunizieren sollen, ist ein möglichst günstiger Einzelpreis entscheidend für den Erfolg der Anwendungen.

Zu möglichen Anwendungen zählen Smart Metering (z.B. Messdatenerfassung, Auslesen von Gas-, Wasser- und Stromzählern), Smart Farming (z.B. Viehhaltung, Überwachen des Bodenzustands und der Gewässerverschmutzung), Smart Buildings (z.B. Alarmsysteme, Zugangskontrollen, Heimautomatisierung), Smart Cities (z.B. Straßenbeleuchtung, Parkleitsysteme, Abfallmanagement) sowie im medizinischen Bereich und im Konsumentenmarkt angesiedelte Anwendungen wie Patientenüberwachung und Fitness-Tracking (Smart Health).

Da die Übertragung mit geringer Bandbreite auskommt, lassen sich mehrere 10.000 IoT-Endpunkte mit einer Funkzelle versorgen. LTE Cat-NB1 funkt in lizensierten Frequenzbereichen und zeichnet sich durch hohe Störfestigkeit sowie im Vergleich zu anderen LPWAN-Technologien recht geringe Latenzzeiten aus. Diese können jedoch durchaus 10 Sekunden und mehr betragen. Ein weiterer Vorteil: NB-IoT erlaubt weltweites Roaming und damit eine globale Skalierung von IoT-Applikationen.

Im Detail: Neue Luftschnittstelle mit schmalbandigem Funkkanal

LTE verwendet das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) für den Downlink und SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access) im Uplink. Jeweils zwölf 15 kHz breite Unterträger werden zu einem 180 kHz breiten „Physical Resource Block“ (PRB) zusammengefasst. Die Zahl der PRBs bestimmt die mögliche Bandbreite einer Funkzelle. Ein 10 MHz breiter LTE-Funkkanal setzt sich beispielsweise aus 50 PRBs zusammen, ein 20 MHz breiter entsprechend aus 100 PRBs. Die Anzahl der PRBs für 5, 10 oder 20 MHz ist begrenzt. NB-IoT kann nicht im jeden PRBs betrieben werden

NB-IoT erlaubt drei unterschiedliche Betriebsarten: „In-Band“, „Guard Band“ und „Stand-Alone“. Der In-Band-Betrieb nutzt einen bzw. mehrere vom Standard-LTE abgetrennte Resource Blocks. Der Guard-Band-Betrieb verwendet hingegen die Lücken zwischen zwei LTE-Kanälen. Im Stand-Alone-Betrieb wird außerhalb des LTE-Netzes kommuniziert - etwa über einen GSM-Kanal. Alle Betriebsarten können nach Bedarf zu- bzw. abgeschaltet werden.

Eine Basisstation teilt die PRBs dynamisch unter den Endgeräten, dem sogenannten User Equipment (UE), auf. Und zwar in Zeitschlitzen von je einer Millisekunde. Die Verteilung erfolgt variabel abhängig vom Datenaufkommen sowie von den Kanalbedingungen und Quality-of-Service-Anforderungen. 3GPP hat festgelegt, dass jedes LTE-UE pro Millisekunde zwischen 1 bis 100 PRBs verarbeiten können muss.

Für NB-IoT hat das 3GPP den LTE-Standard erweitert und mit Release 13 eine neue Luftschnittstelle definiert: LTE Cat-NB1-UEs senden und empfangen auf einem nur 180 kHz breiten Funkkanal. Diese Breite entspricht exakt der eines LTE-PRBs. Dies begrenzt die erreichbare Datenrate pro Zeitschlitz. Je nach Quellenangabe variieren die Angaben für die maximale Downlink- und Uplink-Datenrate zwischen 150 und 250 kBit/s. Als Zugriffsverfahren kommen wieder OFDMA und SC-FDMA zum Einsatz. Dies ermöglicht das verlustfreie Einbetten des NB-IoT-Trägersignals in das breitbandigere LTE-Signal. Ein geläufiger Begriff dafür lautet In-Band-Betrieb.

Eine Empfangsantenne, keine Voll-Duplex-Übertragung

Im Vergleich zu herkömmlicher LTE-Technik hat das 3GPP für LTE Cat-NB1 einige Vereinfachungen eingeführt: So kommt NB-IoT mit einer Empfangsantenne aus. Die Technik arbeitet mit Half-Duplex Frequency Division Duplexing (HD-FDD) in einem gepaarten Spektrum. Sie kommt ohne Vollduplex-Modus aus, was einen HF-Duplexer-Baustein überflüssig macht. Die Sendeleistung kann bis zu +20 dBm beziehungsweise +23 dBm betragen.

Ein CAT-NB1-UE muss nur die Modulationsform QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) beherrschen. Endgeräte kommen mit einer stark vereinfachten Kanalkodierung aus und können auf eine Sendeleistungsregelung verzichten. Durch diese Vereinfachungen lassen sich die Funkmodule erheblich einfacher – und damit günstiger – designen als bei herkömmlichen LTE-Mobilgeräten. Ein NB-IoT-Gerät inklusive Basisband- und HF-Chipsätzen lässt sich derzeit für unter 10 Dollar fertigen. Bis 2020 wird der Stückpreis auf rund zwei Dollar sinken, schätzt Vodafone. Zum Vergleich: Ein LTE-Gerät kostet heute ca. 40 Dollar.

Darüber hinaus sorgt massive Repetition-Kodierung für eine größere Reichweite. Das bedeutet: Der Empfänger kann mehrere Übertragungsversuche akkumulieren, bis er schließlich ein Signal erfolgreich empfangen kann. Am UE lässt sich die Zahl der möglichen Wiederholungen festlegen. Unter dem Strich lassen sich mit der Cat-NB1-Technik auf einer Funkstrecke Gewinne von bis zu +15 dB beim Maximum-Coupling-Loss (MCL) erzielen.

Tiefschlaf hilft Energie sparen

Endpunkte im IoT befinden sich die meiste Zeit im Idle-Modus. Die meist batteriebetriebenen Geräte sind dafür vorgesehen, selten geringe Datenmengen zu übertragen. Daher lässt sich signifikant Energie sparen, wenn Teile des LTE-Chipssatzes nur dann aktiv sind, wenn eine Funkverbindung erforderlich ist. Seit dem Release 12 des LTE-Standards kann ein UE über den sogenannten „Power Saving Mode“ (PSM) in eine Art Tiefschlaf versetzt werden. Dieser kann wenige Minuten dauern, aber auch mehrere Tage. Als Maximalwert sieht der Standard 310 Stunden vor. Dann sind nur Schaltungsteile aktiv, die die Grundfunktionalität des UEs sicherstellen. Die Endpunkte verbrauchen dann oft nur wenige Mikroampere Strom.

Geräte, die diesen Schlafmodus ausgiebig nutzen, erreichen Laufzeiten von über zehn Jahren mit nur einer Batterieladung. Wichtig dabei: Das UE bleibt stets im Mobilfunknetz registriert. Daher kann es Datenpakete ohne zusätzlichen Signalisierungsaufwand für Authentifikation und Kanalaufbau verschicken. Vor dem Hintergrund, dass je nach Anwendung viele tausend UEs von einer Funkzelle versorgt werden, sorgt die permanente Verbindung im Energiesparmodus auch dafür, dass die Kontrollkanäle im LTE-Netz nicht durch massenhafte Signalisierung überlastet werden – in diesem Fall würde man von „Signalling Storms“ sprechen.

NB-IoT profitiert von LTE-Sicherheitsmechanismen

Ein besonderes Augenmerk hat das 3GPP bei der Entwicklung von NB-IoT auf das Thema IT-Sicherheit gelegt. Grundsätzlich nutzt es alle im LTE-Standard implementierten Sicherheitsmechanismen. Das bedeutet: Auch bei Cat-NB1 spielt das Universal User Identity Module (USIM) eine zentrale Rolle für das Authentifizieren und Autorisieren der UEs, für das Generieren des kryptografischen Schlüssels sowie für das Abrechnen (Accounting). Durch Ende-zu-Ende-Verschlüsselung sind die Daten beim Übertragen potenziell sehr gut vor Angriffen geschützt.

Ebenso wichtig ist die Embedded SIM (eSIM), also die im UE eingebettete NB-IoT-SIM-Karte. Ihre Funktionalität wurde an die Anforderungen der intermaschinellen M2M-Kommunikation angepasst. Die eSIM erlaubt es, Betreiberprofile vollständig per Funk zuzuweisen und zu verwalten – ein Muss vor dem Hintergrund, dass eine enorm große Zahl von UEs viele Jahre an oft ganz unterschiedlichen Orten in Betrieb sind.

eSIMs gibt es als Modul zum Auflöten, aber auch als Einsteckkarte, wie man es von Telefonen her kennt. Spezielle, von der GSMA (Industrievereinigung der Mobilfunkbetreiber) erarbeitete „IoT Security Guidelines“ helfen Entwicklern, Herstellern, Plattform- und Netzbetreibern, ein hohes Sicherheitsniveau für ihre IoT-Applikationen zu implementieren.

Da NB-IoT anderes als einige andere LPWA-Techniken eine bidirektionale Kommunikation ermöglichen und nicht auf wenige Aktivitätszyklen pro Tag beschränkt ist, lassen sich bei Bedarf Firmware-Updates per Funk (Over the Air, OTA) auf die gekoppelten Endgeräte aufspielen. Das ist gerade bei Geräten wichtig, die jahrelang im Einsatz sind – etwa, um Funktions- oder Sicherheitsaktualisierungen aufzuspielen.

Mögliche Schlüsselrolle für das Internet of Things

Als weltweit einheitliche Mobilfunktechnologie kann LTE mit seinen Derivaten NarrowBand-IoT und LTE-M (LTE Cat M1, stellt mehr Bandbreite zur Verfügung und ermöglicht schnellere Handovers) eine Schlüsselrolle für das Internet of Things einnehmen. Statt HD-Videos streamen stehen hier wie beschrieben andere Dinge im Vordergrund – zum Beispiel das energieeffiziente Vernetzen von Schwärmen von Sensoren.

Heute unterstützen bereits über 30 der weltweit größten Mbilfunknetzbetreiber NB-IoT, darunter Deutsche Telekom, Vodafone, AT&T, Telefonica, China, Unicom, China Mobile,Verizon und Telestra. Rund 3,5 Mrd. Menschen nutzen ihre Kommunikationsdienstleistungen. Nach einer Studie von Vodafone decken diese Betreiber geografisch ca. 90 Prozent des weltweiten IoT-Marktes ab.

Breite Unterstützung erfahren die LTE-Erweiterungen auch aus der Industrie. Sowohl Chip-Fertiger wie Intel und Qualcomm als auch Mobilfunkausrüster wie Ericsson, Nokia und Huawei entwickeln spezifische Lösungen. Der Wettbewerbsdruck und die Konkurrenz mit andern Technologien wie Sigfox und LoRa werden voraussichtlich zu schnell weiter fallenden Preisen der Komponenten und Systeme führen.

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