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30.04.2019     Lena Wostal

Ob sich die Vernetzung im Internet der Dinge lohnt, ist eine Entscheidung zwischen Kosten und Nutzen. Mit NarrowBand IoT sinkt der technische und finanzielle Aufwand drastisch. Damit steigt die Zahl der Anwendungsfälle, in denen sich IoT-Anwendungen wirtschaftlich realisieren lassen.

Im Mobilfunk steht meist das „höher, schneller, weiter“ im Mittelpunkt: Mehr Daten in kürzerer Zeit an möglichst viele Nutzer ausliefern. Doch es gibt auch Szenarien, für die das gar nicht notwendig ist. Messfühler, Stromzähler, Feuermelder und ähnliches müssen lediglich wenige Bit oder Bytes senden können. Sie brauchen weder große Bandbreiten noch extrem hohe Datenraten. Für diese Anwendungen wurde vom weltweit agierenden Standardisierungsgremium 3GPP in Release 13 der Standard NarrowBand IoT(NB-IoT) geschaffen.

Ein Ziel dieses weltweiten Standards liegt in der Reduzierung auf das Wesentliche: Wenige Daten, einfache Technik, geringer Energieverbrauch. Nur so ist es wirtschaftlich möglich, große Mengen an Sensoren ins Internet der Dinge (IoT) zu bringen. Denn nicht nur die Hardware wird günstiger, sondern auch die Datentarife, aber auch der Betriebsaufwand, wenn die Devices nicht mehr ans Stromnetz angeschlossen werden müssen, sondern lange Zeit mit einfachen Batterien auskommen können.

Energieeinsparung

Abseits der Fertigungs- oder Gebäude-Automation, wo es auf schnelle Reaktionszeiten und intensiven Datenaustausch ankommt, gibt es auch Anwendungen, bei denen lediglich zyklische Messwerte, beispielsweise tägliche Zählerstände, übertragen werden müssen, oder die Überschreitung von Grenzwerten gemeldet werden soll, um eine geplante Reaktion auszulösen.

Ein Beispiel dafür bietet die Müllabfuhr im spanischen Santander. Wird ein bestimmter Füllgrad der Mülltonne überschritten, wird sie bei der nächsten Routenplanung berücksichtigt. Sie muss aber nicht sofort geleert werden, da noch ausreichend Aufnahmekapazität vorhanden ist, bis das Müllauto vorbeikommt. Ähnliche Konzepte werden inzwischen auch in anderen europäischen Städten umgesetzt. Für solche Anwendungen ist es nicht nötig, ständig sendebereit zu sein. Es genügt, wenn einmal pro Tag der Füllgrad übermittelt wird, die übrige Zeit kann das System im energiesparenden Ruhemodus verbringen.

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NB-IoT kennt zu diesem Zweck zwei Zustände: eDRX (extended Discontinous Reception) und PSM (Power Saving Mode). Beim eDRX sorgt ein Timer dafür, dass das Device im Schlafmodus (Sleep Mode) komplett unerreichbar ist, für mindestens 5,12 Sekunden und maximal knapp 3 Stunden. In der Wachphase (PTW, Paging Transmission Window) kann es sowohl senden als auch empfangen.

Im Power Saving Mode (PSM) dagegen schläft das Device die meiste Zeit und kann auch nicht erreicht werden (Deep Sleep Mode). Jedoch kann es jederzeit aufgrund eines Events eine Datenübertragung starten, und ist dann auch für eine begrenzte Zeit empfangsbereit.

Wird eine bidirektionale Kommunikation benötigt, sollte die Gegenstelle diese Energiespar-Funktionen unterstützen. Das IoT-Gateway von T-Mobile beispielsweise buffert die anfallenden Kommandos für Devices, die sich im Schlafmodus befinden. Kommt eDRX zum Einsatz, sendet es gezielt in der Zeit, in der sich das Paging Transmission Window öffnet, bei Devices im PSM-Mode wartet es auf Sende-Aktivität, um dann die Phase der Empfangsbereitschaft zu nutzen.

Keine unnötigen Rechenoperationen

Ein weiterer Aspekt des Energiesparens ist die Frage nach der Datenaufbereitung oder Umwandlung im Device. Dies würde einen Rechenaufwand und damit einen empfindlichen Energieverbrauch bedeuten. Insbesondere eine Verschlüsselung von Daten kostet viel Rechenpower. Doch das ist bei der Nutzung des NB-IoT-Netzes nicht nötig. Innerhalb des Netzes sind die Daten durch LTE Verschlüsselung sicher. Eine Umwandlung der Daten in Hinblick auf die Anwendung, die die Daten entgegennimmt und auswertet, wird ebenso wie die kryptografische Behandlung erst im IoT-Gateway vorgenommen, wo der Energieverbrauch keine Rolle spielt.

Robuste Netzverbindung

Auch beim Smartphone zeigt sich, dass schlechter Empfang den Stromverbrauch beeinflussen kann: Grenzwertige Mobilfunknetze und schlechter WLAN-Empfang führen dazu, dass das Gerät die Sendeleistung erhöht – und den Akku schneller leert.

Das sollte bei NB-IoT-Devices, die abseits des Stromnetzes betrieben werden, natürlich nicht passieren. Daher ist die Netzqualität hier ein entscheidendes Kriterium. T-Mobile betreibt NB-IoT als Stand-Alone-Dienst im Bereich der unteren 900-MHz-Frequenzen, die früher für GSM, inzwischen auch für LTE genutzt werden. Die physikalischen Ausbreitungseigenschaften dieses Frequenzbandes sichern eine hohe Gebäudedurchdringung und schaffen in der Regel auch eine gute Verbindung in Kellern und Schächten.

Ganz Österreich wird damit abgedeckt, seit die Antennentechnik Mitte 2018 vollständig umgerüstet ist. Darüber hinaus bietet T-Mobile auch in sieben anderen europäischen Ländern NB-IoT an: in Deutschland, Polen, Ungarn, Kroatien, Griechenland, der Slowakei und den Niederlanden. Auch in den USA ist das NB-IoT-Netz von T-Mobile bereits aktiv.

Da es sich hier um ein „Managed Band“ handelt, gibt es keine störenden Applikationen auf derselben Frequenz. Bei alternativen Low-Power-Standards, die in unregulierten Frequenzbereichen agieren, kann dies dagegen nicht sichergestellt werden.

Reduziertes Datenaufkommen

Ebenfalls nicht unterschätzt werden sollte die Bedeutung von Datenübertragung außerhalb der eigentlichen Nutzdaten. Der sogenannte Overhead beträgt bei normalen Datenübertragungen nur einen Bruchteil der Gesamtmenge, würde aber im Falle von NB-IoT, wo nur geringe Datenmengen anfallen, einen überproportional hohen Anteil ausmachen. Daher wurde hier der Overhead drastisch reduziert.

Darüber hinaus muss ein stationäres Device, das aus dem Schlafmodus erwacht, die Verbindung nicht neu aushandeln – es bleibt im Netz eingebucht und kann sofort senden. Auch dies trägt erheblich dazu bei, die übertragenen Datenmengen und damit die benötigte Energie weiter zu reduzieren.

Veränderte Voraussetzungen beim mobilen Einsatz

Der Einsatz von NB-IoT muss nicht zwingend stationär erfolgen. Auch der mobile Einsatz ist möglich, beispielsweise zur Sendungsverfolgung in der Logistik, zur Überwachung der Kühlkette auf Transporten oder ähnlichen Anwendungen. Sie unterliegen aber gewissen Einschränkungen. Die Kombination aus geringem Datenvolumen, bestem Netz und geringstem Energieverbrauch lässt sich in diesem Fall nicht immer sicherstellen.

So ist beispielsweise kein nahtloser Wechsel der Funkzelle vorgesehen. Ebenso können Umgebungsbedingungen die Netzqualität beeinflussen. Dann sollten Übertragungen zurückgestellt werden, bis die Funkverbindung wieder besser ist und mit geringerem Energieaufwand gesendet werden kann. Auch dieses Verhalten wird vom IoT-Gateway von T-Mobile unterstützt.

Einfache, günstige Technik

Wenn auf der einen Seite kein Stromnetzanschluss mehr nötig ist, sondern dank der integrierten Energiesparfunktionen bis zu 10 Jahre Batterielaufzeit möglich sind, auf der anderen Seite eine landesweite Netzversorgung in Gebäuden, Kellern und Schächten besteht, steigt die Zahl der Sensoren und Geräte, für die NB-IoT ein interessanter Anwendungsfall ist, in den Bereich von tausenden Devices.

Umso wichtiger ist es, dass auch die Anschaffung der Sendemodule im wirtschaftlichen Rahmen bleibt. Inzwischen gibt es eine große  Palette von Stand-Alone- und Erweiterungsmodulen zu günstigen Preisen, da die Technik noch einfacher ist als beispielsweise für GSM-/GPRS-Module. Dazu trägt in Zukunft auch der Einsatz von eSIMs bei, so dass keine manuelle Installation der SIM-Card notwendig ist.

Fülle von erschwinglichen Anwendungen

Mit niedrigen Anschaffungskosten, reduzierten Betriebskosten und einem geringen Betreuungsaufwand werden zahllose IoT-Anwendungen im NB-IoT-Mobilfunknetz wirtschaftlich attraktiv. Die Erhebung von Messdaten muss nicht mehr manuell erfolgen, die Überwachung kann automatisiert und ausgeweitet werden – so wächst das Internet der Dinge weiter an und ermöglicht neue Qualitätssprünge im Service.

Die Grundlage bilden eine einfache Technik, die kostengünstige Empfangsmodule ermöglichen, aber auch ein sicheres Mobilfunknetz, das eine hohe Verfügbarkeit garantiert, und ein optimales Zusammenspiel aus Devices und Gateway, das sowohl die Datensicherheit als auch den effizienten Einsatz der knappen Ressource Energie sicherstellt.

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