LTE-M als Brückenschlag zwischen NB-IoT und 5G

Von Rauchmeldern im Smart Home über Sendungen in der Logistik bis zu Robotern in der Industrie 4.0, vernetzten Anlagen in der Produktion und Fahrzeugen auf der Straße: Derzeit interagieren weltweit rund 30 Milliarden Geräte im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT). Die fortschreitende Digitalisierung in Unternehmen aus Industrie und Wirtschaft treibt diesen Trend weiter: Bereits in fünf Jahren sollen bis zu 75 Milliarden Geräte, Gebäude, Maschinen, Waren und Fahrzeuge Daten über das Internet miteinander austauschen. Von dieser Entwicklung gehen die Marktforscher von IHS aus. Damit eröffnen sich neue Umsatzchancen und neue Geschäftsmodelle für die Wirtschaft, es stellen sich aber auch neue Herausforderungen an die Infrastruktur: Die Kapazitäten von 2G (GSM-Standard) reichen für viele industrielle Einsatzbereiche nicht mehr aus. Sie werden in etlichen Ländern in naher Zukunft zurückgebaut oder sind bereits abgeschaltet worden.

Voraussetzung für die rasant wachsende Vernetzung sind leistungsstarke mobile Technologien für das Internet of Things wie NarrowBand IoT (NB-IoT, auch CAT-NB1 genannt) und LTE-M (Long Term Evolution for Machine Type Communication, CAT-M1). Beide Mobilfunkstandards sind sogenannte Low Power Wide Area Networks (LPWA-Netze): Ihre Funkmodule und die Übertragung benötigen wenig Energie, punkten aber dennoch mit einer hohen Reichweite. NB-IoT- und LTE-M-Netze basieren auf 4G (LTE), sind jedoch auch Teil des 5G-Standards für Massive Machine Type Communications (mMTC).

Noch leistungsfähiger werden die Low-Power-Maschinennetze durch die nuSIM, die integrierte SIM (iSIM) speziell für das Internet of Things. Bei der nuSIM werden die Funktionen der SIM-Karte direkt in den Kommunikationschip integriert. IoT-Geräte mit einer nuSIM verbrauchen weniger Strom als mit einer separaten SIM-Karte und sind die richtige Wahl, wenn es um besonders kompakte Anwendungen mit langer Batterielaufzeit geht, wie beispielsweise vernetzte Park-Sensoren, smarte Mülleimer oder kosteneffiziente Tracker.

Der Mobilfunkstandard 5G wird nicht nur die weltweite Maschinenvernetzung noch einmal beschleunigen. Dann wird alles smart – in allen Lebens- und Arbeitsbereichen: vom Smart Home und Smart Office über die Smart Factory, Smart Production, Smart Logistics und Smart Farming bis hin zu Smart Cities.

Dabei stellt jede IoT-Lösung spezifische Anforderungen an das Netz. Die wichtigsten Fakten, Vorteile und Einsatzszenarien von 5G und den LPWA-Standards im Überblick.

Für IoT-Lösungen, die nur hin und wieder kleine Datenmengen verschicken, ist NarrowBand IoT für IoT-Projekte von Unternehmen oder Städten ideal. Seine Datenrate ist begrenzt und liegt bei maximal 250 Kilobit pro Sekunde (Down- und Upload). Die Latenz von NB-IoT ist jedoch für kritische Bereiche der Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M), wie zum Beispiel die Übertragung wichtiger Informationen wie Echtzeitdaten oder zeitkritischen Alarmmeldungen, zu hoch.

• Vorteile: NB-IoT-Module sind auf die notwendigen Funktionen beschränkt. Sie überbrücken große Distanzen bei extrem niedrigem Energieverbrauch und niedrigen Kosten. NarrowBand IoT bietet eine hohe Gebäudedurchdringung und funkt auch aus Kellern, aus Kanälen oder durch dicke Betonwände zuverlässig. Die Batterie der Module hält je nach Beanspruchung bis zu zehn Jahre durch. Im Gegensatz zu proprietären Funktechnologien wie LoRaWAN oder Sigfox ist NB-IoT ein international und flächendeckend verfügbarer, verlässlicher und zukunftssicherer Industriestandard für IoT-Konnektivität, der auch Teil der 5G-Familie ist.
• Verfügbarkeit: flächendeckend
• Anwendungen für Unternehmen: Smart-City-Lösungen wie Smart Parking (navigiert Autofahrer intelligent zum freien Parkplatz), Smart Waste Management (Leeren von Müllcontainern abhängig vom Füllstand) und Smart Lighting (intelligente Stadtbeleuchtung); Smart Buildings (Facility Management, digitale Zugangskontrollen, Überwachungs- und Alarmsysteme); Smart Metering (automatisches Auslesen von Zählerständen per Funk); Construction Equipment Monitoring (Lokalisierung und optimierte Wartung von Maschinen in Fabriken); Smart Home/Smart Office (digitale Sicherheitssysteme, Zutrittskontrolle, Heiz- und Lüftungssysteme).

LTE-M eignet sich dort, wo ein etwas höherer Datendurchsatz und geringere Latenz bei guter Gebäudedurchdringung und niedrigem Energiebedarf der Funkmodule erforderlich sind. Hier spielt auch die energiesparende nuSIM ihre Trümpfe aus. LTE-M basiert auf dem LTE-3GPP-Standard und ist daher 5G-kompatibel.

• Vorteile: Im Vergleich zu NarrowBand IoT bietet LTE-M höhere Datenraten (bis zu 350 kbit/s), geringere Latenzzeiten und SMS-Unterstützung bei dennoch großer Reichweite. Ein optimierter Energieverbrauch der Module, eine gute Abdeckung in Innenräumen sowie bis zu 50 Prozent niedrigere Modulkosten im Vergleich zu herkömmlichen Funkmodulen sind weitere Pluspunkte.
• Verfügbarkeit: Landesweite Netzabdeckung bietet die Telekom bereits in Deutschland und vielen europäischen Ländern.
• Anwendungen für Unternehmen: Smart City (Messung der Luftverschmutzung / Air Quality Management), Smart Building (mit Sensoren vernetztes Gebäude), Wearables (mit Sensortechnologie ausgestattete Mode oder Fitnesstracker), E-Health (Electronic Health, Digitalisierung der Medizin wie etwa Datenübertragung bei der Remote-Überwachung vernetzter Herzschrittmacher), White Goods Monitoring (Überwachen von Haushaltsgeräten), Smart Tracking und Smart Lighting (bei der Übertragung größerer Datenmengen, etwa der permanenten Zustandsüberwachung).

Der 5G-Mobilfunk ist im Vergleich zu 4G (LTE) 100-fach schneller. Unter optimalen Voraussetzungen beträgt die Datenübertragungsrate über das neue mobile Breitbandnetz bis zu 20 Gbit/s im Download und 10 Gbit/s im Upload. Das ist ideal für alle zeitkritischen Lösungen im Internet of Things.

• Vorteile: Mehrere externe Antennen, die gleichzeitig an einer Datenübertragung mitwirken, ermöglichen die Vernetzung extrem kritischer Anwendungen miteinander. So sorgt 5G dafür, dass Sensoren und Geräte mit hoher Verbindungssicherheit und geringer Latenz untereinander kommunizieren können.
• Verfügbarkeit: 5G-Mobilfunk ist bereits vielerorts verfügbar. Mittlerweile können mehr als 90 Prozent der Haushalte in Deutschland auf das 5G-Netz der Deutschen Telekom zugreifen. Bis zum Jahr 2025 will die Telekom 99 Prozent der Bevölkerung mit 5G versorgen und 90 Prozent der Fläche Deutschlands abdecken, womit auch Wirtschafts- und Industrieunternehmen in ländlichen Gegenden das schnelle Internet für IoT-Anwendungen und ihre weitere Digitalisierung nutzen können.
• Anwendungen für Unternehmen: Campus-Netze (mittlerweile auch als 5G NR Standalone-Netz; z.B. für autonome Roboterfahrzeuge in der Industrie), autonomes Fahren, E-Health (Digital Health, der digitale Patient), Telemedizin, Smart City, Smart Grid, Smart Factory (Optimierung von Maschinenlaufzeiten in der Produktion durch die Analyse großer Datenmengen), Predictive Maintenance (vorausschauende Wartung in der Produktion), Videoüberwachung (Smart Video) und Streaming, Platooning (gesteuertes Kolonnen-Fahren von LKWs), Smart Farming, Logistik (intelligente Container, Lieferkettenüberwachung).