Narrowband-IoT als Baustein für Effizienz und Innovation
Was ist Narrowband-IoT?
Narrowband-IoT oder NB-IoT ist ein Standard zur Datenübertragung, der auf die verlässliche Übertragung kleiner Datenmengen, Telemetriedaten, zugeschnitten ist. Narrowband lautet der englische Begriff für Schmalband. Der Standard Narrowband-IoT existiert bereits seit 2016 und wurde durch das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) in den 3GPP-Standard 13 aufgenommen. Die Organisation 3GPP standardisiert neue Formen der Datenübertragung und vereinfacht damit Anwendungen für digitale Projekte im Internet der Dinge.
Schmalband und Breitband sind Begriffe aus der Kommunikationstechnik, die Datenraten bei der Übertragung von Daten bezeichnen. Bei einer Schmalband-Verbindung handelt es sich um eine Datenübertragung mit niedrigen Bandbreiten. Typische Beispiele für eine Schmalband-Verbindung sind etablierte Internetstandards wie analoge Modems oder ISDN-Modems. Im Gegensatz dazu bieten Breitband-Verbindungen eine hohe Datenübertragungsrate, sodass Daten deutlich schneller übertragen werden können. Zu Breitband-Verbindungen gehören etwa LTE und WLAN.
Mit dem Entstehen des Internet of Things kamen jedoch beim Übertragen von Daten neue Herausforderungen auf. Im Internet der Dinge sind Gegenstände und Sensoren miteinander vernetzt. Die Zahl von IoT-Geräten im Alltag wächst rasant an. In der Praxis stellte sich schnell heraus, dass die normalen Mobilfunknetze und SIM-Karten in Geräten wie bei Smartphones nicht für das IoT geeignet sind. Je mehr Geräte sich in die bestehenden Funkzellen einwählten, desto schneller waren Netzwerke überlastet. Sie konnten unter hoher Last nicht mehr verlässlich arbeiten, sodass die Nutzung von IoT-Anwendungen erschwert wurde.
Vorteile von Narrowband-IoT
Lösen wird diese Probleme der Narrowband-IoT-Standard. Er nutzt Teile des LTE-Netzes. Dadurch kann die global aufgebaute Infrastruktur für mobiles Telefonieren auch für diese Technologie mitgenutzt werden. Narrowband-IoT besitzt eine schmale Bandbreite und verbraucht weniger Energie. Die Batterien in den Sensoren, die in solchen Netzwerken arbeiten und die Datensignale übertragen, halten bis zu zehn Jahre. Für Firmen, die diese Technologie nutzen, entstehen sehr niedrige Kosten sowohl bei der Nutzung des Dienstes wie auch für entsprechende Modems. Der spezielle Vorteil von NB-IoT ist eine gute Gebäudedurchdringung. NB-IoT sendet und empfängt selbst dort noch Daten, wo ein mobiles Endgerät wie ein Smartphone keine Netzbalken mehr anzeigt. Dank der geringeren Netzbelastung durch schmale Bandbreiten ist es möglich, dass einzelne Funkzellen bis zu 50.000 Geräte störungsfrei kommunizieren können.
Alternative Technologien für die IoT-Kommunikation
Neben dem Narrowband-IoT-Standard existieren weitere Varianten, um Daten in IoT-Netzwerke zu übertragen und IoT-Anwendungen zu betreiben. Diese lassen sich als LPWAN-Standards zusammenfassen. LPWAN ist die Kurzform für Low Power Wide Area Network. Der wichtigste Unterschied zum NB-IoT-Standard besteht darin, welche Frequenzen und Protokolle der jeweilige Standard für ein Netzwerk nutzt.
Einige Standards erstellen ein IoT-Netzwerk, indem sie eigene Netzinfrastrukturen aus Antennen und Basisstationen nutzen, um Geräte mit Sensoren zu vernetzen. Andere IoT-Systeme verwenden dafür existierende Infrastrukturen von Mobilfunkanbietern, die über eigene Mobilfunknetze verfügen.
Anbieter mit einer eigenen Infrastruktur sind beispielsweise SigFox aus Frankreich und The Things Network (TTN) auf Basis von LoRaWAN von der gemeinnützigen LoRA-Alliance. Zu den anderen Standards, die das Mobilfunknetz und hier meist LTE nutzen, gehört neben Narrowband-IoT noch LTE-M. Das steht als Eigenname für Long Term Evolution for Machines. Beide Angebote, NB-IoT und LTE-M, sind als Angebot bei Vodafone verfügbar. Jeder dieser Standards hat besondere Vorteile und ist daher jeweils für spezielle Anwendungen geeignet.
Unterschiede von Standards in IoT-Projekten
SigFox und LoRaWAN bieten eigene Netzwerke für IoT-Anwendungen und deren Sensoren an. Als Vorteil stellt sich das dort heraus, wo die Netzabdeckung der Mobilfunkanbieter noch nicht ausreicht. Neben der Infrastruktur stellen die beiden Standards auch sichere Netzwerke bereit, um die Daten in einem Netzwerk zu schützen. Allerdings eignen sich diese Netzwerke nur für jene Anwendungen, die geringe Datenübertragungen zu bestimmten Zeiten benötigen. Sie sind nicht dafür vorgesehen, permanent große Datenmengen zu übertragen.
NB-IoT und LTE-M basieren auf dem LTE-Standard von 3GPP. Damit sind sie ein Teil der Mobilfunk-Infrastruktur und nutzen dabei Frequenzbereiche der LTE-Bänder. Narrowband-IoT zeigt seine Stärke als Standard darin, dass Anbieter von IoT-Anwendungen kein eigenes Netz aufbauen müssen, um eine ausreichende Netzabdeckung in Deutschland zu erreichen. NB-IoT ist ebenfalls passend, um geringe Datenmengen zu übertragen, die Sensoren in bestimmten Abständen an IoT-Geräte zu senden. Die Sensoren sind sowohl örtlich ungebunden als auch unbeweglich und fest verbaut einsetzbar. Im Betrieb bleiben diese dauerhaft in einer Funkzelle. Mit LTE-M lassen sich dagegen höhere Mengen von Daten für IoT-Projekte übertragen, die in Bewegung sind.
Anwendungen mit NB-IoT
Die Anwendungsfälle für LPWAN-Standards sind vielfältig. Im Moment befinden sich viele Anwendungen bereits in Entwicklung und Erprobung. Zentral für IoT-Anwendungen ist die Idee der Smart City, in der sich viele innovative und smarte Szenarien gestalten lassen. Ausgangspunkt ist das Konzept, mithilfe von Sensoren möglichst viele Daten über eine Stadt zu sammeln und daraus Erkenntnisse abzuleiten. Die Evaluierung der Daten ermöglicht somit Maßnahmen, die sich auf die Bedürfnisse der Endnutzer ausrichten. Hersteller erhalten zudem wertvolle Informationen, die sie in die Entwicklung von neuen Produkten einfließen lassen können.
Narrowband in einer Smart City
Ein Beispiel für solche Anwendungen ist das smarte Parken in vielen Städten. Parkplätze werden mit Sensoren ausgestattet, die über NB-IoT ein Netzwerk abbilden und aktuelle Informationen zur Auslastung von Parkplätzen versenden. Apps können die Datenbasis verarbeiten und dafür nutzen, freie Stellflächen zu dokumentieren. Autofahrer greifen mobil über das Smartphone darauf zu, um einen verfügbaren Parkplatz zu finden.
Ein weiteres Beispiel für Anwendungen auf Basis von NB-IoT ist der gesamte Bereich von Smart Home-Systemen. Dort lassen sich Technologien nutzen, die mittels Narrowband auf den Austausch von Daten angewiesen sind. Sensoren messen beispielsweise Feuchtigkeit oder Temperaturen in der Wohnung und regulieren über Steuereinheiten das Heizen oder Lüften in den Räumen.
Als Praxisbeispiel der IoT-Technologie dient auch Smart Metering. Dabei handelt es sich um das automatische Ablesen von Strom- und Gaszählern. Die Zähler befinden sich häufig in Kellern oder Wohnungen und sind für das Personal der Stadtwerke nicht zugänglich. Der Vorteil der LPWA-Technologie, auch Wände und Böden in Gebäuden gut durchdringen zu können, zahlt sich hierbei ideal aus.
IoT mit Narrowband in der Praxis
Abseits einer Smart City lässt sich Narrowband-IoT oder ein anderer LPWA-Standard überall und sogar in der Landwirtschaft einsetzen. Dort geht es um Smart Farming. Sensoren mit NB-IoT übertragen die in Gebäuden oder auch den Tieren direkt gemessenen Werte, wenn sich die Bedingungen für die Tiere ändern.
NB-IoT übernimmt in der Praxis grundsätzlich die Funktion der Datenübertragung. Der Standard ist nicht dazu gedacht, Telemetriedaten zu übertragen oder in der Gegenrichtung auch Geräte oder Maschinen fernzusteuern. So spielt Narrowband eine große Rolle, um Verbrauchsanzeigen, Wartungshinweise oder Fehlermeldungen über M2M-Kommunikation zu übertragen. In der Logistikindustrie unterstützt der NB-IoT-Standard die Aufzeichnung von Fahrtwegen und Lieferrouten.
Ein anderes Einsatzbeispiel zeigt, wie LTE-M mit einer höheren Datenübertragungsrate im Vergleich zu anderen LPWA-Standards in der Praxis funktioniert. Der Standard mit LTE-M ist für Verfahren nützlich, die größere Datenmengen verarbeiten. Das ist beim Überwachen der Vitalwerte von Patienten der Fall, unabhängig davon, wo diese sich gerade befinden.
Narrowband als Baustein für die Zukunft
Die vorliegenden Beispiele zeigen einen Ausschnitt der umfangreichen Anwendungsfälle für Narrowband-IoT. Viele Unternehmen treiben die Entwicklung voran, um IoT-Technologien mehr und mehr in unseren Alltag zu integrieren. Sie sollen helfen, das Leben zu erleichtern und die Herausforderungen der Zukunft zu meistern. Die Grundlage für eine moderne Welt mit dem Internet of Things ist gelegt. In den nächsten Jahren werden weitere Anwendungen mit NB-IoT auf den Markt kommen.