Internet der Dinge

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Low Power Wide Area Networks
– Sigfox
Machine Type Communication
– Narrow Band IoT

Entwicklung des Internet der Dinge

Der Zweck des Internets war ursprünglich Daten über ein Netzwerk auszutauschen. Meist handelt es sich hierbei um Zugang zu externen Daten für die Nutzung von Personen. Das Internet kann aber auch genutzt werden, um z.B. die aktuellen meteorologischen Daten einer Messstation zu lesen. Hierbei werden Daten von Sensoren über das Internet gelesen. Man spricht bei diesen Szenarien vom Internet der Dinge oder Internet of Things (IoT). Im Laufe der Nullerjahre wurden mehr und mehr Sensoren an das Internet angeschlossen, so dass es mittlerweile mehr Verbindungen zu Dingen als zu Personen bzw. Servern gibt. Dies war auch einer der Gründe die Anzahl von IP-Adressen mit der Einführung von IPV6 deutlich zu erhöhen.

Ein üblicher Weg Sensoren ans Internet anzuschließen waren sogenannte IoT Hubs. Hierbei werden Sensoren mit einem PAN oder LAN-Netzwerk mit einem Router verbunden, der an das Internet angeschlossen ist. Hierbei kommen Technologien wie WLAN, BT oder ZigBee zum Einsatz. Es wäre jedoch für viele Anwendungen einfacher einen Sensor direkt ans Internet anzuschließen. Z.B. einen Stromzähler im Keller eines Hauses. Ideal wäre es, dass ein Versorgungsunternehmen den Zähler direkt per Funk jederzeit auslesen könnte, oder dass der Zähler regelmäßig seinen Stand über ein Netzwerk mitteilt wenn möglich über das Mobilfunknezt. Allerdings gäbe es damit einige Probleme. Die Sensoren (mit Mobilfunkanschluss) wären zu teuer und verbräuchten zu viel Strom. Außerdem könnte ein Mobilfunknetz überlastet werden, wenn es zu viele Sensoren „betreuen muss“. Auf der anderen Seite waren übliche Mobilfunkendgeräte, vor allen LTE-Endgeräte viel zu mächtig für die Sensoren. Diese brauchen etwa keine hohen Übertragungsraten, sondern müssen typischerweise nur wenige Bytes übertragen.

Low Power Wide Area Networks

Getrieben von IoT entstand die Idee eines Netzwerkes mit großen Zellen (Wide Area Networks) aber bestimmt durch Endgeräte, welche nur wenig Informationen übertragen und extrem wenig Energie verbrauchen. Man spricht von LPWAN.

Sigfox

Ein Unternehmen welches die Chancen eines LPWAN früh erkannte hieß Sigfox. Dies war ein französisches Start Up welches 2010 gegründet wurde. Sie entwickelten einen eigenen LPWAN Standard. Dieser basiert auf schmal-bandinger Übertragung in ein unlizenziertes Frequenzband (860 MHz). Die Bandbreite ist etwa 200 kHz. Einzelne Signale sind aber bis zu 100 Hz schmal. Es wird mit entweder 100 oder 600 bits/s übertragen. So ist es möglich selbst im unlizenzierten Band sehr hohe Reichweiten zu erreichen und tief in Gebäude einzudringen. Sigfox sendet mit lediglich 40 mW. Mit Investitionen von mehreren hundert Millionen Dollar gelang es Sigfox ein Weltweites IoT Netzwerk aufzubauen. Hierbei ist Sigfox entweder selbst der Netzbetreiber oder er arbeitet mit Netzbetreibern zusammen. Enge Zusammenarbeit gibt es auch mit einer Reihe Chipherstellern, welche günstige Chips für IoT bauen, welche dann in Module verbaut werden. Eine große Anwendung von Sigfox ist z.B. das Tracking von Lieferungen.

Der Nachteil von Sigfox ist, allerdings dass es sich nicht um einen „Standard“ handelt. Wer immer ein System auf Sigfox aufbaut, ist von Sigfox abhängig. Sigfox geriet 2021 in finanzielle Probleme und musste Anfang 2022 Insolvenz anmelden. Inzwischen ist Sigfox an ein Taiwanesischens IoT Unternehmen verkauft worden.

Machine Type Communication

3GPP erkannte den Bedarf an IoT Kommunikation, wohl auch durch den Erfolg von Sigfox. Man sah die folgenden Leistungsmerkmale für sogenannte Machine Type Communication (MTC).

  • Kosten für ein Modul von weniger als 5 Dollar
  • Tausende mögliche Endgeräte in einer Zelle
  • Extrem energiesparender Betrieb mit Batterielaufzeiten von bis zu 10 Jahren

Um diesen Zielen näher zu kommen spezifizierte 3GPP drei neue Kategorien für das LTE-Netzwerk.

  • LTE CAT-1 (bis zu 10 Mbit/s) kein MIMO-Betrieb
  • LTE CAT-2 (bis zu 1 Mbit/s) Halbduplexbetrieb und spezieller Power Save Modus (PSM)
  • LTE CAT-M1 1,4 MHz Bandbreite (Unterbereich eines normalen LTE-Trägers)

Diese Kategorien ließen sich zwar leicht einführen führte aber nicht zum erreichen der geforderten Leistungsmerkmale. Man musste eine neue Luftschnittstelle definieren.

Narrow Band IoT

Ein wichtiger Schritt den Stromverbrauch zu reduzieren ist es die Bandbreite zu verringern. Vor allem beim Senden ist der Stromverbrauch proportional zur Bandbreite. Außerdem ist es unsinnig eine 20 MHz breiten Kanal zu verwenden, wenn man nur wenige Bytes übertragen will. Mit dem 3GPP Release 13 schuf man daher eine neue Luftschnittstelle für MTC welche extrem schmalbandig ist. Sie verwendet nur 180 kHz Bandbreite. Dies entspricht bei einem Subcarrier Abstand von 15 kHz nur 12 Unterträgern. Somit passt auch genau nur ein Resource Block in den Narrow Band Kanal. Die Framestruktur des LTE-Systems und auch seine wesentliche Architektur wird beibehalten. Allerdings wird auf viele Merkmale eines „Mobilen Systems“ verzichtet, da von vornherein davon ausgegangen wird, dass NB-IoT Geräte Ortsfest installiert werden. Dadurch vereinfacht sich das Protokoll deutlich. 

Es gibt drei Möglichkeiten einen NB-IoT Kanal zu platzieren.

  • Innerhalb eines existierenden LTE-Kanals
  • Im Guard Band (freier Schutzbereich zwischen LTE-Kanälen)
  • In einem GSM-Kanal (ein GSM-Kanal ist 200 kHz breit)

Im Downlink wird jeweils nur einem Endgerät alle 12 Subcarrier zugewiesen. Im Uplink ist es jedoch möglich nur einzelne Subcarrier zu benutzen. Wenn nur 1 Subcarrier benutzt wird kann man mit einem zwölftel der Sendeleistung senden. Es gibt sogar die Möglichkeit einen Subcarrier noch einmal zu vierteln mit Abständen von 3,75 kHz und dadurch mit noch geringeren Leistungen auszukommen. Durch die Bündelung auf nur einen extrem schmalen Kanal ist es dann auch möglich selbst bei extrem schlechten Bedingungen (z.B. aus dem Keller) noch empfangen zu werden. Beim Uplink kann einem Gerät 1, 3, 6 oder alle 12 Subcarrier zugewiesen werden. Die Modulation ist hierbei nur QPSK oder BPSK.

NB-IoT hat dieselbe Framestruktur wie „normales“ LTE, also 7 Zeitslots pro 0,5 ms. Wie bei LTE gibt es Synchronisationsslots und sehr einfachen Kontrollkanäle.

NB-IoT wurde 2016 mit Release 13 eingeführt und sehr bald von einigen Mobilfunkbetreibern wie z.B. der Deutschen Telekom getestet.