LTE-M - Technologie für bewegliche IoT-Projekte

IoT Technologie LTE-M

Das Internet of Things (IoT) ist anhaltend auf Expansionskurs. Bereits Ende 2020 hat IoT Analytics weltweit rund 11,7 Milliarden IoT-Verbindungen gezählt. Im Jahr 2025 sollen es schon über 30 Milliarden sein und die Analysten prognostizieren im Zuge dessen einen stärkeren Einfluss von LPWA-Technologien auf IoT-Geräte. Dabei ist LTE-M die führende LPWA-Technologie für die Vernetzung von industriellen Anwendungen im Internet of Things (IoT). Der komplementäre Dienst bietet geringere Latenzzeiten und einen höheren Durchsatz für IoT-Anwendungen. Im Anwendungsszenario Werksgelände ist dies ein klarer Vorteil.

LTE-M (auch LTE-MTC / LTE Cat-M1/2)

LTE-M ist die Abkürzung von LTE-Technik für Machine-type Communications. Der Standard basiert auf 3GPP-Spezifikationen und somit auf Technologie-Bausteinen von 4G und 5G. Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) erstellt weltweit gültige Standards für die Datenübertragung und hat so auch den LTE-Standard festgelegt. Im Vergleich der Low Power Wide Area Networks (LPWAN) empfiehlt sich LTE-M für die Übertragung hoher Datenraten. Bis zu 7 Mbit/s im Uplink (vom Sensor zum Netz) und bis etwa 4 Mbit/s im Download (vom Netz zum Sensor) sind möglich. Die Übertragung erfordert jedoch ein breiteres Frequenzband als NB-IoT: LTE-M-Geräte unterstützen typischerweise Bandbreiten zwischen 1,4 und 5 MHz.

Die spezielle Bezeichnung von LTE-M mit einer maximalen Bandbreite von 1,4 Megahertz lautet LTE Cat-M1. Im zugeordneten Frequenzspektrum kann LTE-M auch durch Mauern oder tiefergelegenen Räumen heraus die Daten zwischen den IoT-Devices übertragen. Die Gebäudedurchdringung der Signale ist über weite Strecken im Kommunikationsnetz sehr hoch. So empfiehlt sich LTE-M besonders für IoT-Anwendungen, in deren Umgebung die gewöhnlichen Mobilfunknetze im Funkloch versiegen und die Netzabdeckung nicht mehr gewährleistet wird. Zudem fallen die Latenzen im Wireless Network bei einer Übertragung via LTE-M deutlich geringer aus. Mobilität ist eine weitere Stärke dieser LTE-Versorgung. Dabei verlaufen Schreibgeschwindigkeit und Lesegeschwindigkeit ähnlich schnell wie bei klassischen, breitbandigen Mobilfunkverbindungen über 4G und 5G im gleichen LTE-Standort. So lassen sich bei Bedarf auch SMS oder Sprachnachrichten mit geringem Energieverbrauch und einer hohen Durchdringung (Gewinn etwa 10 dB) in Upload-Richtung übermitteln.

Arten von LTE-M

LTE-M im 3GPP-Standard beinhaltet drei Versionen: Cat-0, Cat-M1 und Cat-M2. Cat steht hierbei für Category und beschreibt die Entwicklungsstufe des Standards. Demzufolge stellen Cat-M1 und Cat-M2 eine Weiterentwicklung von Cat-0 dar. Der Unterschied in der Entwicklung von LTE Cat-0 zu LTE Cat-M1 besteht darin, dass die Bandbreite statt 20 Megahertz nur noch 1,4 Megahertz beträgt. Dadurch ist die Nutzung der Version Cat-M1 deutlich energiesparender. Bei Cat-M2 hat 3GPP die Bandbreite wiederum auf fünf Megahertz angehoben. So kann dieser LTE-M Standard auch höheren Datenraten gerecht werden. Häufig nutzen die Anbieter von LTE-M die einfache Bezeichnung LTE Cat-M und meinen damit LTE Cat-M1.

LTE-M: Größere Bandbreiten für stationäre und mobile IoT-Anwendungen

LTE-M steht als Abkürzung für Long Term Evolution for Machines. Mit Einführung dieses Standards wurde die allgemeine Nutzbarkeit von IoT-Systemen entschieden erweitert. Der komplementäre Dienst wurde für die Übertragung von Daten optimiert. Durch den fortschreitenden Netzausbau manifestiert sich LTE-M im industriellen Sektor weltweit als zukunftssichere Alternative für ältere Mobilfunktechnologien. 2G und 3G sind in einigen Ländern bereits abgeschaltet oder werden in den kommenden Jahren nicht mehr verfügbar sein. So hat sich LTE-M als Dienst mit niedrigem Frequenzspektrum vielerorts neben Narrowband-IoT (NB-IoT) im Kommunikationsnetz etabliert. Beide Standards werden von führenden Telekommunikations-Gremien und Mobilfunknetzbetreibern unterstützt und profitieren von einer globalen Netzabdeckung. Somit wird die wichtigste Eigenschaft von LTE-M gewährleistet.

Stichwort: Mobilität. Im Ende-zu-Ende-Prozesse mit Geschäftskunden sind bewegliche IoT-Anwendung mit größeren Bandbreiten, respektive Datenmengen, notwendig. Beispielweise, wenn der Provider ein neues Firmware-Update auf die vernetzten IoT-Geräte spielen muss. Hierfür nutzt der Dienst die Vorteile der LTE-Versorgung sowie aktuelle Verschlüsselungsverfahren, um die Datenübertragungen zwischen den Geräten für Dritte unlesbar zu machen. Ein weiterer Vorteil ist die ganzheitliche Nachverfolgung der im Einsatz befindlichen IoT-Geräte. Mittels Signalübertragung im LTE-M kann ein Sender in einem Transportcontainer in regelmäßigen Abständen melden, wo er sich befindet – Smart Tracking. Ein weiterer Anwendungsfall sind Gesundheitstracker, die zu festen Zeiten wichtige Daten zum Gesundheitszustand seines Besitzers an eine zentrale Stelle melden – e-Health. Der Faktor Mobilität macht LTE-M zum idealen Standard bei IoT-Lösungen, in denen Bewegung eine grundlegende Rolle spielt:

  • Wearables
  • e-Health-Sensoren
  • Asset-Tracking
  • Smart City-Anwendungen mit höheren Datenmengen (z.B. Verkehrsüberwachung)
  • Alarmanlagen und Sicherheitssysteme
  • Fernsteuerung und vorausschauende Wartung von Maschinen
  • Smart Factory- (und Smart Home-) Anwendungen
In Deutschland ist die Verbreitung von LTE-M und Narrowband-IoT weiter auf dem Vormarsch. Im Jahr 2020 nannte Vodafone den Wert von etwa 90 Prozent Netzabdeckung der Fläche der Bundesrepublik. Die Verbreitung von LTE-M ist eng verknüpft mit der Verfügbarkeit des LTE-Netz, sodass sich die Netzabdeckung mit dem LTE-Ausbau in Deutschland weiter erhöhen wird. In den Großstädten werden die Netzwerkanforderungen bislang am besten erfüllt. Vor Ort haben die großen Netzbetreiber und IoT-Anbieter bereits Einzelprojekte für Smart City-Anwendungen – beispielsweise im Bereich E-Health sowie zum Nachverfolgen von Waren auf Transportwegen (Smart Tracking) – umgesetzt. Zahlreiche LTE Module sichern dabei als Schnittstelle den Datenaustausch zwischen den meist kommerziellen IoT-Anwendungen.

LTE-M Module: Der Standard in seiner operativen Anwendung

LTE-M bietet als Standard zahlreiche Vorteile und ist vielseitig einsetzbar. Der LTE-M Standard allein ist jedoch nur die theoretische Grundlage, um eine Datenübertragung zwischen IoT-Geräten in Netzwerken auszuführen. Die tatsächliche Funktionalität steckt in den LTE-M Modulen. Firmware, die in den Embedded Systems der IoT-Geräte eingebaut wird, um die Daten zu übertragen. Dabei existieren LTE-Module, die sowohl LTE-M als auch Narrowband-IoT unterstützen. Ein solches LTE-M Modul ist das Connectivity Board von grandcentrix. Damit können wir die Übertragung zwischen den Geräten einer individuellen IoT-Lösung sicherstellt. Es unterstützt ebenfalls die beiden Standards LTE Cat-M1 und Narrowband-IoT.

NB-IoT und LTE-M: Zwei Standards für den stationären und mobilen Dienst

Niedrige Bandbreiten, ein geringer Stromverbrauch, gut Gebäudedurchdringung und hohe Reichweiten – mit diesen Vorteilen werden sich LTE-M und Narrowband-IoT als Standard für IoT-Anwendungen im 4G und 5G durchsetzen. Beide Standards sind eng verwoben mit den bestehenden Mobilfunknetzen. Darüber hinaus sind beide Dienste ein Bestandteil der Spezifikationen für künftig vorgesehene 5G-mMTC-Implementationen. Die Einbettung in Mobilfunk-Standards macht die Investition in LTE-M oder Narrowband-IoT zukunftssicher – unabhängig Ihrer Auswahl.

Im direkten Vergleich sind die unterschiedlichen Vorzüge von LTE-M und Narrowband-IoT offensichtlich. NB-IoT empfiehlt sich aufgrund seiner Sendestruktur für die stationäre Überwachung von IoT-Geräten und IoT-Anwendungen passend. Im Smart Parking meldet ein Parkplatzsensor über NB-IoT, ob der Parkplatz frei ist. Ein typischer Anwendungsfall in der Smart City. Mit einer geringeren Latenzzeit und höheren Bandbreite ist LTE-M hingegen perfekt für den mobilen Einsatz geeignet – beispielweise im Smart Tracking von Fahrzeugen, Paketen und ihrem jeweiligen Lieferstatus innerhalb von komplexen Logistikzentren.

Basierend auf bestehenden Hardware-Komponenten erstellt grandcentrix maßgeschneiderte Lösungen für Ihre IoT-Anwendungen und Geschäftsmodelle im Internet of Things. Insbesondere im Narrowband-IoT verstehen wir uns Spezialist für die Konnektivität von hochindividualisierten Lösungen mit komplexen Netzwerkanforderungen. Bereits seit dem Jahr 2010 realisieren wir mit über 200 Mitarbeitern von Köln aus, Ihre kundenspezifischen IoT-Projekte. Im Verbund im Vodafone ist unser Lösungsportfolio für NB-IoT seit 2020 zudem stark gewachsen.

BegriffDefinition
3GPP3rd Generation Partnership Project (3GPP) ist eine weltweite Kooperation von Standardisierungsgremien für die Standardisierung im Mobilfunk; konkret für UMTS, GSM, LTE und 5G/NR.
LTE-MLTE for Machines, kurz LTE-M bzw. LTE-Cat-M1, ist auch bekannt unter der Bezeichnung Enhanced Machine-type Communications, kurz eMTC. Es handelt sich um einen ergänzenden Standard der 3GPP (Release 13) für LTE. Damit kann ein LTE-Netzbetreiber sein Mobilfunknetz für die typischen Anwendungen im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) ausrüsten.