Sechs Vorteile von Narrowband-IoT

Christian Pereira
Christian Pereira – Chief Operating Officer

Narrowband-IoT Vorteile

Die Vorteile von Narrowband-IoT spiegeln sich in vielfältigen Aspekten wider. Kurz zusammengefasst: Mit NB-IoT können kostengünstig kleine Datenmengen von IoT Geräten gesendet und empfangen werden. Dies geschieht besonders energiesparend, so dass ein langlebiger Batteriebetrieb möglich ist. NB-IoT hat aufgrund der genutzten Frequenzen auch eine gute Flächenabdeckung. Zudem begeistert Narrowband-IoT mit einer guten Gebäudedurchdringung bis in den Keller. Die Technologie wird heute von vielen Netzbetreibern angeboten, so dass eine hervorragende internationale Abdeckung gewährleistet ist. Im Folgenden erläutern wir Ihnen die Vorteile von Narrowband-IoT im Detail.

Vorteile von NB-IoT 1: Maximale Konnektivität und hohe Kosteneffizienz

Bei der Einführung von Narrowband-IoT sollten in der Kostenbetrachtung alle relevanten Positionen bewertet werden. Dies sind die Kommunikationskosten, die Hardware-/Modemkosten sowie die relevanten Betriebskosten. Die gute Nachricht vorweg: Narrowband-IoT begeistert in allen Betrachtungsdimensionen mit einer günstigen Anwendung, insbesondere im Vergleich zum herkömmlichen zellularen Mobilfunk. Die Kommunikationskosten sind im Vergleich zu herkömmlichen Mobilfunktarifen sehr gering. So ist der Einbau heute oft auch bei Geräten wirtschaftlich sinnvoll, bei denen dies früher am monetären Aufwand gescheitert ist. Die Hardwarekosten sind im Vergleich zu LTE / 5G-Netz erheblich günstiger. Dies betrifft die Modems aber auch die zusätzlichen Bauteile, die benötigt werden. Moderne System-on-a-chip Lösungen (SoC) verfügen über leistungsfähige Dual-Mode Modems auf einem fingernagelgroßen Bauraum.

Zudem findet sich für NB-IoT und LTE-M hier auch noch ein leistungsfähiger Mikroprozessor (ARM Cortex M33 Klasse). Dieser begeistert mit ausreichend Hauptspeicher und erweiterten Hardware-Sicherheitsmerkmalen. Bei den Betriebskosten tragen zwei wesentliche Vorteile zur Kostenreduktion bei. So ist in Deutschland beispielsweise ein „Fallback“ auf das Netz eines anderen Mobilfunkanbieters bereits im Preis inbegriffen. Durch dieses „national roaming“ wird die benötigte Redundanz im Netzbetrieb hergestellt. Auch der wesentliche Kostentreiber, der Kostenblock für Wartung, ist optimiert, da aufgrund von geringem Energieverbrauch die Batterielaufzeiten maximiert werden. Dies hat direkte Auswirkungen auf die finanziellen Parameter im Lebenszyklus. Aufgrund der hohen Austauschkosten der Batterien limitieren deren Betriebszeiten oft die Lebenszeit des gesamten Gerätes. Eine deutliche Verlängerung der Betriebszeit kann den Produktpreis senken und damit neue Anwendungen ermöglichen. Grandcentrix hat eine eigenes Connectivity Board für bestehende Produkte im Portfolio.

Vorteile von NB-IoT 2: Netzbetrieb mit optimaler Energieeffizienz

In Bezug auf die Energieeffizienz ist Narrowband-IoT dem klassischen Mobilfunk (2G/3G/4G/5G) erheblich überlegen. IoT-Anwendungen funktionieren generell wie ein funkender Sensor, der alle paar Stunden die Sensordaten überträgt. So ein Sensor kann stundenlang im Schlafmodus sein. Er wacht insofern nur auf, um eingehende Daten zu überprüfen und sie alle paar Stunden hochzuladen. Dieser Vorgang wird „Paging“ genannt. Das erhöht die Energieeffizienz um ein Vielfaches. Um die Akkulaufzeit von IoT-Geräten zu verbessern, wurde in 3GPP Release 12 der Energiesparmodus PSM (Powersafe Mode) eingeführt. PSM ähnelt dem einfachen „Abschalten“. Die Ausnahme ist, dass das Gerät auch in diesem nicht erreichbaren Zustand im Netzwerk registriert bleibt.

Die Nutzung von PSM bewirkt einen reduzierten Energieverbrauch, da das energieintensive, regelmäßige Neu-Einbuchen ins Netz entfällt. Die Geräte benötigen nur dann Energie, wenn Daten gesendet oder empfangen werden. So befinden sie sich die meiste Zeit in dem Powersave-Modus. Dadurch können je nach Anwendung auch Batterielaufzeiten von mehr als zehn Jahren erreicht werden. Bei der Nutzung von PSM ist allerdings zu beachten, dass Geräte im PSM-Zustand keine externen Daten empfangen können. Man muss also wissen, wann genau das Gerät wieder aufwacht, um dann Daten zum Gerät zu kommunizieren. Um dies eleganter zu ermöglichen, wurde der Diskontinuierliche Empfang (DRX) zu eDRX weiterentwickelt. Ziel war es, den Stromverbrauch weiter zu senken und die Batterielebensdauer zu verlängern. Ein Fortschritt, der besonders für die Anwendung in Smartphones und anderen LTE-Geräten von Vorteil ist.

In NB-IoT erlaubt eDRX dem IoT-Gerät, für eine lange Zeit zu schlafen und regelmäßig aufzuwachen, um das Paging zu überprüfen. Dabei kann die Dauer des Ruhezustands bei eDRX konfiguriert werden. So wird im Gegensatz zum herkömmlichen DRX viel Strom gespart. Damit eDRX funktioniert, muss eine perfekte zeitliche Synchronisation zwischen dem IoT-Gerät und dem Netz gegeben sein. Das jeweilige Netz muss eDRX unterstützen. Mit beiden Methoden kann also eine lange Tiefschlafphase der Geräte und damit eine erhebliche Energieeinsparung erreicht werden. Immer bei gleichzeitiger Möglichkeit, vom Gerät regelmäßig Daten zu empfangen und auch Daten an das Gerät zu senden.

Vorteile von NB-IoT 3: Gute Flächendeckung durch internationale Mobilfunkanbieter

Narrowband-IoT wird in Europa in zwei Frequenzbändern betrieben – 800Mhz (Band 20) und 900Mhz (Band 8). Durch die niedrige Frequenz von NB-IoT haben die Signale eine hohe Reichweite. So kann mit wenigen Funkzellen eine gute Flächenabdeckung hergestellt werden. Die niedrige Wellenlänge ermöglicht darüber hinaus eine hohe Gebäudedurchdringung. Das macht Narrowband-IoT zum idealen Übertragungsstandard für Anwendungsfälle innerhalb von Objekten. Gleiches gilt an anderen Orten, in denen kein ungestörter Empfang gewährleistet werden kann. Das Signal dringt auch durch dicke Wände und in Kellerräume. Ein Leistungsmerkmal, was beispielsweise für Smart Metering – also intelligente Strom-, Wasser- oder Wärmeversorgung – von Vorteil ist. Die einzige Voraussetzung für den Betrieb einer IoT-Plattform ist eine gute Internetverbindung.

Vorteile von NB-IoT 4: Einfache Absicherung des Netzbetriebs

Vor der Marktreife von Narrowband-IoT war es bei der Nutzung von 3G und 4G zur Datenübertragung üblich, einen „Fallback“ als Absicherung einzurichten. Darin wurde ein digitales Sicherheitsnetz für Netzstörungen oder Funklöcher aufgespannt. Bei der Nutzung von NB-IoT ist dieser „Fallback“ schon durch die Netze anderer Diensteanbieter automatisch vorhanden. So bucht sich ein IoT-Gerät bei einer Netzstörung von Netzbetreiber A automatisch bei Netzbetreiber B ein. Sollte in der betroffenen Region auch LTE-M verfügbar sein, so kann auch dieses Netz problemlos als weitere Fallback-Option genutzt werden. Insofern die eingesetzte Hardware (Modem) dies unterstützt, kann die Firmware des Herstellers entsprechend konfiguriert werden.

In Ausschreibungen passiert es häufig, dass aus dem historischen Reflex heraus weiter ein 2G Fallback angefragt wird. Dies ist aber nicht nötig und auch kontraproduktiv, da damit viele der beschriebenen LPWAN-Vorteile zunichte gemacht werden. Konkret ergeben sich folgende Herausforderungen. Während es aktuell für NB-IoT und LTE-M Kombi-Chips gibt, muss 2G über ein entsprechendes Modul ergänzt werden. Kombi-Chips unterstützen generisch beide Standards. Allerdings verdoppeln sich die Hardwarekosten für den Modembetrieb. Zudem findet 2G in einem anderen Frequenzband statt. So wird die Stückliste (BOM, „bill of material“) durch eine zusätzliche Antenne weiter belastet.

Entscheidend ist aber, dass 2G eben nicht auf energiesparenden Betrieb ausgelegt worden ist. Im Falle einer Sendung über das 2G Modem wird erheblich mehr Energie benötigt. Insbesondere bei Batteriebetrieb kann die Batterielaufzeit dabei nicht mehr garantiert werden. Zudem verlangt die dem 2G zugrundeliegende GSM-Technik erhebliche Pulsströme. Die gängigen Batterie-Chemie-Technologien mit langer Lebensdauer, insbesondere solchen die nicht wiederaufladbar sind, können diese nicht liefern. Generell ist die IoT-Sicherheit hoch und durch die Anwendung über die Netzdienste der internationalen Mobilfunkanbieter geschützt. So versteht sich die Implementierung von Narrowband-IoT gleichsam der Einführung einer integrierten Sicherheitslösung – bei einer durchweg ausgezeichneten Funktionalität.

Vorteile von NB-IoT 5: Hohe Skalierbarkeit in der IoT-Anwendung

Der heutige Technologiestandard Narrowband-IoT zielt schon seit der Entwicklungsphase auf Massenanwendungen ab. IoT-Geräte müssen sich nicht jedes Mal wieder anmelden, wenn die Verbindung unterbrochen war. Auch bei Störungen sind sie dem Netz weiterhin als Teilnehmer bekannt. Im Vergleich zur herkömmlichen Mobilfunknutzung durch andere Endgeräte führt dies zu einer deutlich reduzierten Netzlast. So lassen sich viel mehr Endgeräte in einzelnen Zellen verwalten, als dies mit herkömmlichen Diensten (2G/3G/4G) der Fall ist.

Hierdurch sind auch umfangreiche Anwendungen an einzelnen Orten (z.B. das kleinflächige Ausrollen von Sensorik in Smart City Anwendungen) problemlos möglich. Der Stau auf der Datenautobahn wird dadurch vermieden. Die Lösung zur Leichtigkeit im Netzbetrieb von IoT-Anwendungen lautet: Cloud Computing. Die jeweils aufgerufenen Datenmengen befinden sich gebündelt in der Cloud und können so orts- und zeitunabhängig abgerufen werden. Eine Cloud-Schnittstelle reagiert dabei in Echtzeit. Mit der richtigen Konfiguration Ihrer Infrastruktur und einem Unternehmensnetzwerk mit Edge Computing können Sie Ihre IoT-Daten ganzheitlich absichern. Dabei ist das Monitoring auf der IoT-Plattform entscheidend. Im Fokus stehen verschiedenene Sicherheits- und Datenschutzmerkmale.

Vorteile von NB-IoT 6: Sicherheit und Verlässlichkeit im Geschäftsalltag

Im Gegensatz zu anderen LPWA Networks wie LoRaWAN ist Narrowband-IoT ein lizensierter Mobilfunkstandard. So weist NB-IoT alle Sicherheits- und Datenschutzmerkmale von Mobilfunknetzen auf. Dazu gehören unter anderem Datenintegrität, Vertraulichkeit oder die sichere Authentifizierung. Zudem sieht der NB-IoT-Standard als weitere Verschlüsselungsmöglichkeit für die Datenübertragung über ein UDP (User Datagram Protocol) optional DTLS (Datagram Transport Layer Security) vor.

Das einfachere Online-Protokoll Transport Layer Security (TLS) ist für die UDP Datenübertragung nicht geeignet, da keines der nach einem Paketverlust folgenden Pakete mehr authentifiziert werden kann. Die Funktionsweise von DTLS entspricht aber weitgehend der von TLS für die Datenübertragung über ein TCP (Transmission Control Protocol). So wird vermieden, dass eine Implikation zu einer starken Veränderung des Ursprungsprotokolls bezüglich der Sicherheit des neuen Protokolls herbeiführt. DTLS wurde gemäß RFC 4347 standardisiert und wird in der Praxis zum Beispiel bei VPN-Protokollen wie Cisco AnyConnect eingesetzt. Grandcentrix arbeitet gemeinsam mit Vodafone an den führenden Lösungen für Narrowband-IoT. Im gemeinsamen Verbund realisieren wir auch Ihre Vorstellung vom “Internet der Dinge”.

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.
BOMBill-of-Material ist hier eine Stückliste mit Preisangaben von den für die Elektronikfertigung benötigten Bauteilen.
DRXDiskontinuierlicher Empfang (DRX) ist eine Methode, die in der mobilen Kommunikation verwendet wird, um den Akku des mobilen Geräts zu schonen. Das mobile Gerät und das Netzwerk verhandeln Phasen, in denen die Datenübertragung stattfindet. Zu anderen Zeiten schaltet das Gerät seinen Empfänger aus und wechselt in einen Energiesparzustand.
DTLSDatagram Transport Layer Security (DTLS) ist ein Sicherheitsprotokoll, dass auf der Funktionsweise von TLS (Transport Layer Security) basiert. Im Gegensatz zu TLS nutzt es nicht das gesicherte, verbindungsorientierte Transportprotokoll TCP, sondern das ungesicherte UDP (User Datagram Protocol) zur verschlüsselten und geschützten Übertragung von Daten über IP-Netze.
eDRXMit eDRX kann das Gerät auf eine Datenübertragung warten, ohne eine vollständige Netzwerkverbindung herstellen zu müssen. Indem eDRX nur auf die Datenübertragung wartet, verbraucht es weniger Strom, als wenn es eine vollständige Netzwerkverbindung herstellen würde.
Internet of ThingsKurzform: IoT, Übersetzt: „Das Internet der Dinge (IdD)“, ist ein Sammelbegriff für Technologien einer globalen Infrastruktur, die es ermöglichen, physische und virtuelle Objekte miteinander zu vernetzen und sie durch Informations- und Kommunikationstechniken zusammenarbeiten zu lassen.
LPWANLow Power Wide Area Network (LPWAN oder LPN, deutsch: Niedrigenergieweitverkehrnetz) beschreibt eine Klasse von Netzwerkprotokollen zur Verbindung von Niedrigenergiegeräten wie batteriebetriebene Sensoren mit einem Server. Das Protokoll ist so ausgelegt, dass eine große Reichweite und ein niedriger Energieverbrauch der Endgeräte bei niedrigen Betriebskosten erreicht werden können.itle
LoRaWANLong Range Wide Area Network (LoRaWAN) ist ein Low-Power-Wireless-Netzprotokoll auf der Ebene der Vermittlungsschicht (engl. network layer). Die LoRaWAN-Spezifikationen werden von der LoRa Alliance festgelegt. Sie sind frei verfügbar und Software-Grundmodule sind als Open-Source-Software verfügbar.
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.
NB-IoTDas Schmalband-Internet der Dinge (NB-IoT) ist ein vom 3GPP entwickelter Funkstandard für Low-Power-Wide-Area-Network (LPWAN) für Mobilfunkgeräte und -dienste.
PSMDer Energiesparmodus (PSM) wurde in 3GPP Release 12 eingeführt, um die Batterielebensdauer von IOT-Geräten zu verbessern. PSM ist mit dem Ausschalten vergleichbar, mit der Ausnahme, dass das IoT-Gerät im Netz registriert bleibt und die vollständige Netzwerk-Verbindung nicht neu aufgebaut werden muss.
TLSTransport Layer Security (TLS, englisch für Transportschichtsicherheit), auch bekannt unter der Vorgängerbezeichnung Secure Sockets Layer (SSL), ist ein Verschlüsselungsprotokoll zur sicheren Datenübertragung im Internet.
UDPDas User Datagram Protocol (UDP) ist ein minimales, verbindungsloses Netzwerkprotokoll, das zur Transportschicht der Internetprotokollfamilie gehört. UDP ermöglicht Anwendungen den Versand von Datagrammen in IP-basierten Rechnernetzen und findet Einsatz bei NB-IoT.