Jul, 12 2022

Wie funktioniert Narrowband IoT (NB-IoT)?

Zusammengefasst: Narrowband IoT (NB-IoT), auf deutsch auch Schmalband IoT ist ein stromsparendes Mobilfunknetz, speziell für das Internet der Dinge. Es beansprucht schmalere Bandbreiten als herkömmliche Netze, vermag aber dank Wide Area-Technologie mehr Geräte und Fläche pro Zelle abzudecken.

IoT-Glossar
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Definition Narrow Band IoT - so funktioniert's

Narrowband IoT setzt auf LTE-Netztechnologie auf und beansprucht hierbei ungenutzte Frequenzen im lizensierten Bandbereich. Wie der Name bereits verrät, nutzt NB-IoT Im Vergleich zu 3G oder 4G ein schmaleres Frequenzband. Im Gegensatz zu 5G hat es dadurch eine höhere Gebäudedurchdringung.

Als sogenanntes „Low Power Wide Area Network“ (LPWAN) verbessert NB-IoT automatisch die Signalabdeckung, indem es Übertragungen wiederholt. So stellt es sicher, dass ein Signal den Empfänger auch tatsächlich erreicht. So vermag NB-IoT mehr Geräte pro Funkzelle mit Reichweite zu versorgen. Im Vergleich zu GSM versorgt NB-IoT bis zu 100x mehr Geräte pro Zelle.

Dank stromsparender Funktionen wie dem Stromsparmodus (PSM) und dem erweiterten diskontinuierlichem Empfang (eDRX), aber auch einer optimierter Frequenznutzung haben Mobilfunkgeräte mit NB-IoT eine über Jahre andauernde Akkulaufzeit. Perfekt für das Internet der Dinge.

Die Datenübertragung erfolgt bei NB-IoT stets bidirektional. Das IoT-Gerät ist also Sender und Empfänger zugleich, benötigt zudem oftmals nur eine einzelne Antenne. Aber: NB-IoT-Geräte benötigen stets eine SIM-Karte. Mit dieser ist auch Roaming möglich, sofern unbedingt nötig.

Anwendungsbeispiele: NarrowBand IoT im Einsatz

Eines, der anschaulichsten Anwendungsbeispiele für NB-IoT ist die sogenannte Smart City. Vernetzte, urbane Räume mit ihren komplexen Verkehrs- und Gebäudestrukturen bilden ein nahezu ideales Szenario für NB-IoT. Aber auch im Kontext Gebäudesicherheit sowie Bauwirtschaft sind NB-IoT-Use-Cases verbreitet.

NB-IoT in der Gebäudesicherheit

Kritische Infrastrukturen wie Brücken oder auch andere Gebäude werden beständig auf ihre Sicherheit überwacht. Dort eingebaute Sensoren, die sich beispielsweise in Schrauben unterbringen lassen automatisieren diesen Überwachungsprozess. An der Brücke wahrgenommene Warnsignale wie zum Beispiel Feuchtigkeit oder Korrosion können via Schmalband-IoT an ein Kontrollzentrum weitergegeben werden. Und dies noch bevor erste Schäden mit dem menschlichen Augen erkennbar sind.

Dies spart nicht nur Zeit und Geld, sondern macht Reparatur- und Wartungsarbeiten deutlich effektiver. Und dies, noch bevor dauerhafte Schäden an entstehen.

Asset Tracking in der Bauwirtschaft

Bevor eine Brücke befahren wird, muss sie gebaut werden. Hierfür braucht es neben schwerem Gerät auch spezielles Baumaterial. Ist beides beschafft, müssen alle Planungsabläufe und Prozesse ineinandergreifen. Dies ist nur möglich, solange kein Gerät ausfällt oder gestohlen wird. Ansonsten kommt der gesamte Bauprozess zum Stehen. Auch mit Blick auf die aktuelle supply chain keine besonders attraktive Aussicht.

Größere Gerätschaften mit Sensoren samt NB-IoT-Modulen können so eingerichtet werden, dass sie unerwartete Bewegung oder Erschütterung sofort weitergeben. Handelt es sich hierbei um einen versuchten Diebstahl oder die Ankündigung eines Defekts, kann das bauausführende oder bereitstellende Unternehmen schnell handeln.

NB-IoT und Smart City: Drei Beispiele

Auf manchen Parkplätzen oder dem Parkhaus ist NB-IoT bereits im Einsatz. Mit NB-IoT-ausgerüstete Sensoren melden, wenn sich Lichtverhältnisse am Boden ändern. Wird es dunkel, ist der Platz besetzt. Diese Information wird an ein Gateway weitergegeben. Von dort können Autofahrer einsehen, wo es freie Parkplätze gibt.

Laternen, die mit entsprechenden NB-IoT-Modulen ausgestattet sind, können aus der Ferne ein- und ausgeschaltet werden. Viel wichtiger aber ist, auch Defekte werden tagesaktuell erfasst und können schnell behoben werden. Das ist insbesondere für den Betrieb der Autobahn ein entscheidender Vorteil. Aber nicht nur dort.

Jeden Montag wird die schwarze Tonne, jeden Mittwoch die gelbe Tonne geleert. Mit NB-IoT-Modulen ausgestattete Container hingegen melden selbständig, sobald sie geleert werden müssen. Flexibles Waste Management sammelt diese Daten und routenoptimiert die Abholung. So wird Abfallmanagement auf einen Schlag nicht nur smart, sondern auch nachhaltiger.

Die Vorteile von NB-IoT

Die wichtigsten Gründe, NB-IoT-Verbindungen in Betracht zu ziehen, sind ähnlich wie die Gründe, warum Hersteller auf LTE-M setzen. Die Vernetzung von Geräten mit bereits bestehenden Mobilfunknetzen halten insbesondere die initialen Investitionskosten niedrig. Die Vorteile von NB-IoT liegen zudem auf der Hand. Man denke an geringen Stromverbrauch, geringe Störungen und niedrige Kosten für den Einsatz.

Geringer Verbrauch dank Stromsparmodus (PSM)

Wie bereits erwähnt, verfügt Narrowband IoT über zwei stromsparende Technologien, die es für IoT-Anwendungen nützlicher machen als herkömmliche 2G-, 3G- oder 4G-Netze.

Der sogenannte PSM Stromsparmodus ermöglicht es dem Gerät, sich in den Ruhezustand zu versetzen, wenn es nicht benutzt wird. Herkömmliche Netze wurden für Mobiltelefone entwickelt, die sich spontan miteinander verbinden. Dahingegen wurden NB-IoT und LTE-M für IoT-Geräte entwickelt, die sich oft in vorhersehbaren Intervallen verbinden - und in der Zwischenzeit keinen Dienst benötigen.

Sobald sich ein Mobilfunkgerät bewegt, sendet es ein sogenanntes Tracking Area Update (TAU), um dem Netz mitzuteilen, wo es sich befindet. Auch wenn sich nicht bewegt, sendet es ebenfalls in regelmäßigen Abständen TAUs, um dem Netz mitzuteilen, dass es noch verfügbar ist. Das ist einer der Gründe, warum Handys so effizient spontane Verbindungen herstellen können. All das aber auf Kosten des Akkus natürlich, der entsprechend leistungsstark ausfallen muss.

Eine intelligente Parkuhr oder ein intelligenter Sensor erwartet hingegen keine derartigen Downlink-Nachricht. Sie können also einfach für einen längeren Zeitraum in einen Energiesparmodus wechseln, ohne ihre Position mit dem Netz auszutauschen.

Erweiterter diskontinuierlicher Empfang (eDRX)

Einige IoT-Anwendungen werden weiterhin Downlink-Nachrichten empfangen wollen, um zum Beispiel Re-Konfiguration, Firmware-Updates, Konfigurations-SMS oder Fernzugriff zu ermöglichen. Die Zeitspanne, in der nach eingehenden Daten gesucht wird, kann dank dem sogenannten Discontinuous Reception Mechanismus (DRM) auf bis zu 2,56 Sekunden erhöht werden.

Für NB-IoT und LTE-M existiert zusätzlich ein erweiterter diskontinuierlicher Empfang (eDRX). Dieser ermöglicht es, den Zeitraum für die Überprüfung des Funksignals auf bis zu 40 Minuten zu verlängern.

Effiziente Frequenznutzung

Da das Funkfrequenzspektrum selbst begrenzt ist, hat jedes Land eigenen Regulierungsbehörden. Diese sorgen dafür, dass das HF-Spektrum effizient genutzt wird. Sie vergeben Lizenzen für verschiedene Frequenzbänder an verschiedene Mobilfunkanbieter. Jeder Mobilfunkanbieter muss entscheiden, wie diese Frequenzbänder effektiv genutzt werden.

NB-IoT-Netzwerke nutzen schmalere Bandbreiten als die meisten anderen Typen. Außerdem kann NB-IoT die Guardbands, also die Lücken zwischen den Netzen nutzen. So haben Netzbetreiber die Möglichkeit, bei der Nutzung des HF-Spektrums kreativ zu sein, so dass sie mehr Geräte in denselben Zellen unterbringen können.

Gute Abdeckung in Innenräumen

Für Anwendungen in Innenräumen müssen die Funksignale Baumaterialien durchdringen. Eine der Messgrößen, die 3GPP entwickelt hat, um die Netzabdeckung zu messen, ist der maximale Kopplungsverlust (MCL). Er bestimmt, wie viel Signalstärke zwischen Sender und Empfänger verloren gehen kann, ohne dass das Signal verloren geht. Der theoretische MCL-Wert für NB-IoT-Verbindungen beträgt 164 Dezibel (dB) und ist damit der höchste aller LPWANs.

LPWAN Typ

Maximum Coupling Loss (MCL)

NB-IoT

164 dB

LoRaWAN

156 dB

Sigfox

160 dB

LTE-M/Cat-M1

156 dB

Das bedeutet, dass Übertragungen, die über NB-IoT-Netzwerke gesendet werden, dichtere Baumaterialien durchdringen können (und mehr Störungen durch andere Signale verkraften). Dies macht sie für Geräte, die sich in Innenräumen befinden, außerordentlich nützlich. Allerdings erfordert NB-IoT bei derart hohen MCL-Werten viele Neuübertragungen, was sich wiederum negativ auf den Stromverbrauch auswirkt.

Kostengünstige Modems, aber...

Für IoT-Hersteller ist die Konnektivität ein wichtiger Faktor der Gesamtbetriebskosten (TCO - Total Cost of Ownership). In der Regel erfordern fortschrittlichere Netzwerke mit höheren Datengeschwindigkeiten kompliziertere (und teurere) Modems. NB-IoT-Netze nutzen ihrerseits universelle Modems, die in jedem NB-IoT-Netz auf der ganzen Welt funktionieren. Diese sind ihrerseits sogar viel günstiger als 4G LTE- oder 5G-Modems.

Doch obwohl die Modems kostengünstig sind, gilt es zu bedenken, dass NB-IoT-Geräte einen Chipsatz benötigen, der ältere Technologien unterstützt. Ein Beispiel: Sollte keine NB-IoT-Konnektivität verfügbar sein, greifen diese Netzwerke auf 2G-Dienste zurück. Der Einbau von Chips, die veraltete Technologien unterstützen, kann die Kosten also unerwartet erhöhen.

Nachteile von NB-IoT

Damit sind wir auch schon bei den Nachteilen des schmalbandigen Netzes. So hat NB-IoT trotz all seiner Stärken auch seine Schwächen - vor allem im Vergleich zu LTE-M. Hier gilt es, einige Dinge besonders im Auge zu behalten, bevor Sie sich für Narrowband IoT-Konnektivität entscheiden.

Niedrige Datengeschwindigkeit

Obwohl NB-IoT sowohl im Innen- als auch im Außenbereich gut funktioniert, ist es für Anwendungen mit höherem Datenbedarf keine optimale Lösung. Im Uplink wie auch im Downlink beträgt die maximale Datengeschwindigkeit lediglich einen Bruchteil eines Megabits.

Hohe Latenzen

Während die meisten Netzwerktypen die Latenz in Millisekunden messen, kann die Latenz bei NB-IoT bis zu 10 Sekunden betragen. Das bedeutet, dass ein Signal bis zu 10 Sekunden benötigt, um den Weg von Sender zu Empfänger zu bewältigen. Das ist in Bereichen, in denen Verzögerungen Ihren Kunden teuer zu stehen kommt, nicht praktikabel.

Bei Anwendungen, die große Datenmengen übertragen müssen, ist NB-IoT zudem auch weniger energieeffizient. Aufgrund der langen Latenzzeit sowie der niedrigen Uplink- bzw. Downlink-Geschwindigkeiten müssen Anwendungen mit NB-IoT länger online bleiben. Das bedeutet, sie verbrauchen mehr Strom als andere Lösungen – siehe LTE-M.

Kein Roaming für den globalen Einsatz

Viele Mobilfunkanbieter haben keine Roaming-Vereinbarungen für ihre NB-IoT-Netze abgeschlossen. Das bedeutet, dass Ihr Vertrag mit einem Anbieter oft nur die Region abdeckt, die dieser bedient. Wenn Sie in einem anderen Land oder einer anderen Region tätig werden, wird ein zusätzlicher Vertrag mit einem anderen Anbieter vonnöten. Unterschiedliche Rechnungen von unterschiedlichen Netzbetreiber inklusive.

Keine redundante Netzabdeckung

Netzwerkredundanz ist wichtig, so dass Ihre Geräte auch bei Ausfällen verlässlich verbunden bleiben. Sollte das Narrowband IoT-Netzwerk einmal ausfallen oder Netzabdeckung schlechter werden, gibt es kein Backup-System. NB-IoT bietet seinerseits keine redundante Netzabdeckung, wie man sie selbst vom normalen Mobilfunknetz gewohnt ist.

Aus diesem Grund verlassen sich viele Netzbetreiber weiterhin auf alte Netze. Insbesondere in Gebieten, in denen NB-IoT nicht verfügbar ist. Diese alten Netze wie zum Beispiel 2G werden in Zukunft hingegen abgeschaltet. Je nach Einsatzgebiet und je nach Anbieter kann es also schwierig werden vorherzusagen, welche Art von Service wie gut verfügbar sein wird.

Fehlende Handover-Unterstützung

In mobilen Anwendungsfällen bewegen sich IoT-Geräte oft innerhalb eines Netzes von Zelle zu Zelle. Wenn sie sich über Zellgrenzen hinweg bewegen, können Netzressourcen wie eNBs den Übergang vorhersehen und erleichtern.

NB-IoT hält die Verbindung sich bewegender Geräte aufrecht, aber es unterstützt keinen Handover. Das bedeutet, das Gerät erhöht die Sendeleistung, je weiter es von der Antenne entfernt ist. Bis zu dem Punkt, an dem die Verbindung abbricht. Erst dann baut erst es eine Verbindung zu einer neuen Zelle auf.

Aber: erhöhte Sendeleistung sowie die erneute Verbindung zur nächsten Zelle verbraucht signifikant mehr Strom. Das macht sie zu einer schlechten Lösung für mobile Anwendungsfälle wie Fleet Management oder auch globales Asset Tracking.

Wählen Sie das richtige Netz für Ihre Anwendung

Ihre Netzauswahl hat einen großen Einfluss auf die Fähigkeiten, die Leistung und die Lebensdauer Ihrer Geräte. Sollten Sie Ihre Anwendung weltweit einsetzen, ziehen Sie gern eine vielseitigere Lösung als Narrowband IoT in Betracht. LTE-M ist hier einen Blick wert.

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Tobias Weber

Mehr als sieben Jahre Erfahrung als leitender Redakteur im Bereich Smart Home, Konnektivität und Internet of Things. Und noch immer genauso neugierig, wie am ersten Tag.

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