Was NB-IoT, LTE-M von Sigfox und LoRa unterscheidet

Das Internet der Dinge (IoT) ermöglicht viele Anwendungen, die ganz spezifische Anforderungen an die Infrastruktur stellen. Besonders gefragt sind niedrigere Kosten, geringerer Stromverbrauch sowie eine besser Versorgung von Innenräumen. Genau dies bieten sowohl die beiden neuen Mobilfunktechnologien NB-IoT und LTE-M als auch Übertragungstechniken wie Sigfox und LoRa. Lesen Sie in diesem Blogbeitrag, wie sich NB-IoT, LTE-M, Sigfox und LoRa voneinander unterscheiden.

Einer Studie der Wirtschaftsprüfungsfirma EY (Ernst & Young) zufolge soll sich weltweit die Anzahl der vernetzten Geräte bis zum Jahr 2030 auf 50 Milliarden vervierfachen. Dieser Trend stellt hohe Anforderungen an die Infrastruktur. Denn damit das Internet der Dinge so stark wachsen kann und auch funktionstüchtig bleibt, hängt von der Connectivity ab. Etablierte Mobilfunktechnologien wie GSM, UMTS und LTE sind dafür ausgelegt, möglichst viele Funktionen wie Sprachtelefonie, SMS oder eine etwa für Videostreaming notwendige hohe Datenrate zu bieten. Dies erfordert eine teure Hardware und benötigt viel Energie. Andere Übertragungstechnologien wie WLAN, RFID, NFC oder Bluetooth weisen eine zu geringe Reichweite auf, um Sensoren und Geräte zu vernetzen. Kabelgebundene Lösungen können hingegen nur eine sehr eingeschränkte Rolle spielen und sind nur bei wenigen IoT-Use-Cases sinnvoll.

IoT-Use-Cases haben spezifische Anforderungen an das Netz

Das Internet der Dinge ermöglicht viele verschiedene Anwendungen. Sie alle stellen ganz spezifische Anforderungen an das Netz. Denken Sie etwa an eine “smarte” Brücke: In die Fahrbahn sowie im Bauwerk eingelassene Sensoren messen kritische Faktoren wie Temperatur, Feuchte und Korrosion und geben diese Daten an eine Zentrale weiter. Mögliche Schäden sind damit frühzeitig erkennbar.

So wie bei diesem Use Case sind bei vielen anderen IoT-Anwendungen vor allem vier Eigenschaften wichtig: Niedrige Kosten, geringer Energieverbrauch, gute Netzabdeckung und die Möglichkeit, viele Geräte miteinander zu verbinden. So genannte Low Power Wide Area Networks (LPWAN) erfüllen diese Kriterien sehr gut. Mittlerweile gibt es eine ganze Fülle von verschiedenen LPWAN-Standards, die sich teilweise stark voneinander unterscheiden. Die vier derzeit wichtigsten sind NB-IoT, LTE-M, Sigfox und LoRa. Diese Technologien lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen: NB-IoT und LTE-M nutzen das lizenzierte, Sigfox und LoRa das unlizensierte Frequenzspektrum.

Die Stärken des Mobilfunks

Gegenüber Übertragungstechnologien, die das unlizensierte Spektrum verwenden, haben NB-IoT und LTE-M einige Stärken:

• Beide Mobilfunktechnologien basieren auf Standards des weltweiten Normierungsgremium 3rd Generation Partnership Project (3GPP), an der auch die Deutsche Telekom beteiligt ist. 3GPP hat die Standards für die bestehenden Mobilfunktechnologien wie GSM, UMTS und LTE sowie das neue 5G eingeführt. Diese Standards, die übrigens ständig weiter entwickelt werden, stellen sicher, dass die Mobilfunktechnologien die Kundenbedürfnisse nach internationalem Betrieb, Stabilität, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Kosteneffizienz und hoher Skalierbarkeit erfüllen.
• Für NB-IoT und LTE-M bedeutet die 3GPP-Standardisierung, dass sie langfristig verfügbar und Investitionen in diese Technologien damit gesichert und nicht verloren sind. NB-IoT und LTE-M sind also fit für 5G – das Netz der nächsten Generation.
• Beide Mobilfunktechnologien können auf die bestehende Infrastruktur aufgesetzt werden und die vorhandenen Ressourcen der Mobilfunker nutzen.
• NB-IoT- und LTE-M-Netzwerke enthalten sowohl auf SIM- als auch auf Netzwerkebene bereits bewährte LTE-Sicherheitsmechanismen. Eine große Gemeinschaft von Unternehmen und Developern entwickelt diese weltweit kontinuierlich weiter.
• Ein weiterer Vorteil von Mobilfunknetzen ist ihre Interoperabilität: NB-IoT- und LTE-M-Multimode-Funkmodule können auf andere Träger, einschließlich 2G und 3G, umgeschaltet werden. Damit funktionieren diese Komponenten auch in Ländern, in denen noch keine mobilen IoT-Netze zur Verfügung stehen.
• NB-IoT und LTE-M profitieren nicht nur von der umfassenden Unterstützung der Mobilfunkbetreiber, sondern auch von einem großen Ökosystem von Chipsatz- und Geräteherstellern. Dies verringert letztendlich das Risiko einer Lieferantenbindung. Bei proprietären Technologien tritt dieses Problem recht häufig auf.

Die Stärken von unlizenzierten Frequenzbereichen

Der Hauptvorteil von Sigfox und LoRa ist in dem Umstand begründet, dass sie freie Frequenzbänder nutzen, für die keine Lizenzgebühren anfallen. SIM-Karten und Verträge mit Mobilfunkanbietern werden ebenfalls nicht benötigt und Roaminggebühren fallen auch keine an. Die Kosten für den Betrieb sind insgesamt also niedriger. Sigfox und LoRa weisen aber noch weitere wesentliche Unterschiede zu NB-IoT und LTE-M auf, die ja nach Use-Case ein Vor- oder ein Nachteil sein können:

• Besonders Sigfox aber auch LoRa sind dafür ausgelegt, sehr einfache Geräte miteinander zu vernetzen. Oft werden Sie daher auch in Anlehnung an das 5G-Netz als 0G-Netze Sigfox und LoRa benötigen sehr wenig Energie. Allerdings: Für einige IoT-Use-Cases mögen die Datenmengen zu gering, die Übertragungsgeschwindigkeit zu langsam und die Latenzzeit zu hoch sein. Zur Erklärung: Latenz oder Latency bezeichnet in diesem Kontext die Zeit, die ein Datenpaket von ihrer Quelle bis zum Ziel benötigt.

• Sowohl SigFox als auch LoRa sind bereits einige Jahre am Markt und daher praxiserprobt. Dennoch weist die Infrastruktur bei SigFox noch Lücken auf. Bei LoRa muss sich der Nutzer selbst um das Netz kümmern. Allerdings bieten Unternehmen in einigen Ländern, eine flächendeckende Versorgung mit LoRaWAN-Netzen an. Ein eigenes Netz aufzubauen kann durchaus Vorteile haben. Man kann damit ein Gebiet versorgen, das von den Mobilfunkanbietern nicht abgedeckt wird. Und: Innerhalb des eigenen abgegrenzten Netzes bleiben die Daten in den eigenen Händen.

Sowohl LoRa als auch Sigfox haben aber auch entscheidende Schwächen, denen man sich bewusst sein sollte:

• SigFox ist eine proprietäre Technologie, die das gleichnamige französische Unternehmen entwickelt und im Jahr 2009 auf den Markt gebracht hat. Hinter LoRa steht zwar eine Non-Profit-Organisation namens LoRa Alliance. Die Technologie ist aber ebenso patentiert und proprietär, weil sie lediglich mit Chips des chinesischen Herstellers Semtech Die Nutzer sind also auf die beiden Firmen als Lieferanten angewiesen. Wollen Sie auf eine andere Übertragungstechnologie wechseln, müssen sie auch ihre Hardware tauschen.
• Da die freien Frequenzen aber jedem zur Verfügung stehen, kann eine zu große Menge an Signalen für Störungen sorgen. Außerdem gelten in freien Frequenzbändern gesetzlich festgelegte Arbeitszyklusbeschränkungen: Ein Device darf nicht mehr als 1% des nicht lizenzieren Frequenzbandes auslasten: Anbieter, die den unlizenzierten Bereich nutzen, können also keine Service Level Agreements (SLAs) garantieren, die mit denen der Mobilfunkbetreiber vergleichbar sind. Für kritische Anwendungen wie etwa Notrufsysteme eignen sich SigFox und LoRa daher nicht.

Welche Übertragungstechnologie in Frage kommt, hängt in hohem Maße vom Use-Case selbst ab. Trotz einiger Einschränkungen eignen sich Übertragungstechnologien, die den unlizenzierten Bereich nutzen, durchaus für viele IoT-Anwendungen: Die französische Luxusmarke Louis Vuitton bietet Gepäckstücke an, die einen mit Sigfox-Technologie ausgestatteten Tracker an Bord haben. So können Passagiere ihr aufgegebenes Gepäck an den großen Flughäfen verfolgen.

Mobilfunktechnologien lassen das IoT abheben

NB-IoT und LTE-M decken gemeinsam so gut wie alle möglichen IoT-Anwendungsfälle ab, bei denen die typischen Anforderungen wie geringe Kosten, geringer Energieverbrauch und gute Gebäudedurchdringung gefragt sind. Der “Mobile IoT Guide” der Deutschen Telekom zeigt dabei detailliert, wie die beiden Technologien dabei helfen, das Internet der Dinge Wirklichkeit werden zu lassen. Zusammengefasst unterscheiden sich NB-IoT und LTE-M durch folgende Aspekte voneinander:

NB-IoT ist sparsam und flächendeckend verfügbar

NB-IoT oder auch LTE Cat-NB ist eine schmalbandige Funktechnik mit einer Übertragungsbandbreite von 180 kHz und wurde speziell für das Internet der Dinge entwickelt. Die Technologie bietet folgende Eigenschaften:

• Es benötigt viel weniger Energie als herkömmliche Mobilfunkgeräte wie Smartphones oder auch Handys. Akkulaufzeiten von bis zu 10 Jahren sind mö
• Gegenüber GSM, UMTS oder auch LTE weist NB-IoT eine viel bessere Gebäudedurchdringung auf und ist noch in Kellerräumen verfügbar.
• Die Gesamtkosten sind viel niedriger, als die von GSM, UMTS oder LTE. Ein NB-IoT-Modul kostet derzeit weniger als 5 US-Dollar.
• Die Datenrate ist begrenzt und liegt bei maximal 250 Kilobit pro Sekunde (Down- und Upload). NB-IoT ist für die Übertragung von Daten und nicht für Sprache oder SMS konzipiert.
• Seit Juni 2018 betreibt Magenta Telekom ein flächendeckendes NB-IoT-Netz in Österreich. Die Technologie ist also bereits vorhanden und kann genutzt werden.
• Es lassen sich im Vergleich zu GSM etwa 100mal mehr Geräte pro Funkzelle miteinander vernetzen.
• Die Latenz von NB-IoT ist niedrig: Zur Übertragung von Echtzeitdaten oder zeitkritischen Alarmmeldungen eignet sich die Mobiltechnologie weniger gut.

NB-IoT eignet sich für eine Fülle an IoT-Lösungen. Einige davon funktionieren bereits in der Praxis: So nutzt der österreichische Entsorger Saubermacher bereits NB-IoT, um Mülltonnen miteinander zu vernetzen. So wie das Smart-Parking-Angebot “Park and Joy” in Hamburg und jenes in der kroatischen Küstenstadt Split ebenso. Auch das eingangs erwähnte Beispiel mit der smarten Brücke verwendet NB-IoT.

LTE-M schlägt die Brücke zu LTE

LTE-M (oder auch LTE Cat M1) soll die Vorteile von LTE einerseits und NB-IoT andererseits kombinieren. LTE-M zeichnet sich durch die folgenden Eigenschaften aus:

• Im Gegensatz zu NB-IoT ermöglicht LTE-M vernetzte Mobilität: Ein LTE-M-Gerät kann so wie eine Handy in einem Fahrzeug die Verbindung aufrecht erhalten, wenn es mehrere Mobilfunkzellen durchquert (Handover). NB-IoT-Geräte müssen sich jedes Mal neu einwählen.
• Die Technologie ist für die Übertragung von kleinen bis mittelgroßen Datenmengen konzipiert. Die maximale Datenrate beträgt bis zu 1 Megabit pro Sekunde.
• Die Akkulaufzeit der Komponenten ist etwas geringer als bei NB-IoT – beträgt aber immer noch zwischen 5 und 10 Jahren.
• Die Latenzzeit von LTE-M ist geringer als jene von NB-IoT.
• LTE-M unterstützt SMS und künftig auch Sprachtelefonie.
• Die Kosten für die Module für LTE-M sind um bis zu 50 Prozent geringer als für LTE allerdings etwas höher als jene des NB-IoT-Equipments.

Die Eigenschaften von LTE-M ermöglichen Anwendungen, die mit NB-IoT nicht ideal realisiert werden können. Vor allem für Use-Cases aus den Bereichen Wearables, E-Health oder Smart Tracking ist LTE-M ideal: So hat das deutsche Startup Velocate einen Diebstahlschutz für Fahrräder entwickelt. Derzeit nutzt das System noch das 2G-Netz. Durch LTE-M will man die Batterielaufzeit erhöhen und die Verbindung innerhalb von Gebäuden verbessern. Die Deutsche Telekom wird das neue LTE-M-Netz heuer ausrollen. In Österreich ist ein Testnetz verfügbar. Bereits Ende des Jahres 2018 präsentierte Magenta Telekom erste Prototypen für die neue Netztechnologie.

Fazit: NB-IoT, LTE-M, Sigfox, LoRa

Ohne Connectivity läuft im Internet der Dinge gar nichts. Umso wichtiger ist es, für den eigenen Use-Case die geeignete Übertragungstechnologie auszuwählen. Die vermeintlich günstigere Alternative auszuwählen, kann teuer werden. Denn wenn die eigene Anlage stillsteht, Ressourcen vergeudet werden oder Unfälle passieren, nur weil die Verbindung zwischen Sensor und Server einmal nicht geklappt hat, zieht das immer hohe Kosten nach sich. Als Lieferant für die IoT-Infrastruktur sollte deshalb nur ein verlässlicher Partner in Frage kommen.