Drei Standards im Bereich Mobilfunk

Sigfox, LoRa und Co. sehen sich der wachsenden Konkurrenz durch Mobilfunk-Provider gegenüber, die bei der Suche nach zusätzlichen Erlösquellen auf den Gedanken gekommen sind, dass sie ihre für viel Geld ersteigerten Lizenzen auch für Low-Power-Weitverkehrsverbindungen nutzen könnten. Vor allem Deutsche Telekom, Vodafone und Telefónica unternehmen in Deutschland und anderen Ländern grosse Anstrengungen, um im Geschäft mit dem Internet der Dinge mit­zumischen. Ein Vorteil der Mobilfunkfirmen ist, dass sie als milliardenschwere Unternehmen über ganz andere finanzielle und technologische Ressourcen verfügen als die Unternehmen, die LPWAN-Netze im offen verfügbaren Funkspek­trum betreiben.

„Technologien wie 4G und 5G sind teurer als Sigfox. Allerdings ermöglichen sie es, viel mehr Daten zu versenden, und haben eine höhere Bandbreite“, erläutert Vincent Ohana, Partner bei dem auf Lo­gistik-Lösungen spezialisierten Beratungs- und Software-Unternehmen Concept Reply mit Stammsitz in Turin. „Daher eignen sich die Mobilfunkverfahren eher für Anwendungen, bei denen viele Daten in einer hohen Taktrate verschickt werden sollen“, lautet Ohanas Schlussfolgerung.

Um die Standardisierung der mobilfunkbasierten Kommunikation mit „Dingen“ kümmert sich die 3GPP-Gruppe (3rd Generation Partnership Project), ein weltweiter Zusammenschluss mehrerer Standardisierungsgremien, darunter das European Telecommunications Standards Institute (ETSI). 3GPP hat gleich drei Standards spezifiziert, die unterschiedliche Netztechniken und Einsatzfelder abdecken: LTE Cat-M1, Narrowband-IoT (NB-IoT) und EC-GSM-IoT.

Letzterer ist nur noch in Ausnahmefällen relevant: EC-GSM nutzt 200 kHz pro Kanal in alten GSM-Netzen (2G). Die Datenraten liegen bei circa 70 bis zu 240 KBit/s. Um eine vorhandene GSM-Infrastruktur für EC-GSM fit zu machen, müssen die Netzwerkkomponenten ein Software-Upgrade erhalten. Schwerer wiegt ein anderer Faktor: 2G und selbst 3G (UMTS) werden in den kommenden Jahren durch 4G (LTE) und ab 2020 durch 5G ersetzt. Damit wird EC-GSM mittelfristig nur noch in Regionen relevant sein, in denen ältere 2G-Netze vorhanden sind. Die Zukunft gehört LTE Cat-M1 und NB-IoT.

Im Gegensatz zu EC-GSM setzt LTE Cat-M1 auf dem Mobilfunkstandard LTE (Long Term Evolution) auf. Das Verfahren nutzt das 1,4-GHz-Frequenzband und erzielt eine Datenrate von bis zu 1 MBit/s – sowohl beim Senden wie beim Empfangen. Laut ABI Research weisen Module für Cat-M1 einen um 20 bis 25 Prozent niedrigeren Komplexitätsgrad auf als Versionen für die weit verbreitete LTE-Variante Cat4. Das schlägt sich in weniger Kosten und einem geringeren Stromverbrauch nieder.

Zu den typischen Einsatzfeldern von LTE Cat-M1 zählen laut Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) das Tracking von Fahrzeugen, Transportbehältern und Geräten sowie die Überwachung von Systemen in der Strom- und Wasserversorgung. Mit etwa 10 Dollar, so das Beratungshaus ABI Research, liegen die Kosten eines Cat-M1-Moduls doppelt so hoch wie bei EC-GSM und Narrowband-IoT.

Narrowband-IoT (NB-IoT) ist eine Weiterentwicklung von LTE Cat-M1 und nutzt ebenfalls das LTE-Mobilfunknetz. Gemeinsam haben beide auch den Einsatz von Halbduplex-Übertragungsverfahren.

Im Unterschied zu LTE Cat-M1 greift NB-IoT auf ultra­schmale Übertragungskanäle von 180 kHz zurück. Die Datenrate liegt bei bis zu 250 KBit/s. Der Vorteil dieses verschlankten Designs sind ein einfacherer Aufbau der Funk­module und geringere Kosten. Nach Berechnungen des IEEE ist ein NB-IoT-System mit einer Batterieladung rund zehn Jahre funktionstüchtig, wenn es maximal 200 Byte Daten pro Tag übermittelt. Als Vorteile von Narrowband-IoT nennen Deutsche Telekom und Vodafone die niedrigeren Kosten und die gute Versorgung in Gebäuden. Dort erreicht NB-IoT 20 dB mehr als GSM. Hinzu kommt die relativ lange Laufzeit der AA-Batterien, mit denen ein Grossteil der Endgeräte ausgestattet ist.

„Interessant ist Narrowband, wenn bisherige Lösungen unrentabel oder nicht effektiv sind“, erläutert Suyash Tiwari von Tata Consultancy Services (TCS). „So sind etwa intelligente Strom- oder Wasserzähler in den meisten Fällen in Kellern angebracht und für den bisherigen Mobilfunk schlecht erreichbar. Narrowband-IoT hingegen bietet eine bessere Gebäudedurchdringung, grosse Reichweite sowie einen niedrigen Energieverbrauch.“