LTE-M: Lösung für IoT-Anwendungen?

Schon lange wurde prognostiziert, dass sich das Internet der Dinge (IoT) durchsetzen und alle Geräte, die vernetzbar sind, mit in die vernetzte Welt nehmen wird. Rund 5,5Mio. Geräte sind derzeit täglich miteinander verbunden – laut Gartner1 wächst diese Zahl rasant: in Kürze wird die 6,4Mrd.-Marke erreicht sein.

Mit diesen vernetzten Geräten wird rund 235Mrd.US$ erwirtschaftet, zwei Prozent mehr als im vergangenen Jahr. In fünf Jahren werden voraussichtlich rund 25Mrd. Maschinen und Geräte mit einer Wirtschaftskraft von über 300Mrd.? miteinander kommunizieren. In manchen Industrien oder auch in der Unterhaltungselektronik sind vernetzte Lösungen bereits Alltag. Logistik-Flotten profitieren schon lange von vollautomatisierten Abläufen – und somit auch der Endkunde, bei dem die Online-Bestellung pünktlich zum angegebenen Termin eintrifft. Consumer-Geräte, vor allem im Bereich Unterhaltungselektronik, Handys und Gadgets, sind bereits heute standardmäßig mit Kommunikationstechnologie versehen. Auch in Zukunft werden Elektrogeräte für den alltäglichen Gebrauch im Internet der Dinge vorherrschen und 4Mrd. aller M2M-Verbindungen ausmachen. Aber auch der geschäftliche Nutzen wird deutlich zunehmen, denn viele Unternehmen haben angekündigt, die Vorteile von IoT nutzen zu wollen. Auf den steigenden Bedarf müssen sich alle Beteiligten in der Industrie – Hersteller, Provider und Telekommunikationsunternehmen frühzeitig einstellen, um sich möglichst große Marktanteile zu sichern. Die Prognosen für die gewaltige Entwicklung des IoT und den damit einhergehenden neuen Marktchancen haben den Wettbewerb entfacht: Um die Weiterentwicklung von IoT konkurrieren bereits viele Technologien wie Wi-Fi, Bluetooth oder auch proprietäre Systeme wie Sigfox. Für die Entwickler von IoT-Geräten und -Lösungen besteht die Herausforderung nun darin, sich bereits jetzt für die richtigen und nachhaltigen Technologien zu entscheiden, denn es ist derzeit schwierig, sich einen umfassenden Überblick über die Angebote und die entscheidenden Unterschiede zu verschaffen. Welche Technologien sich für das Internet der Dinge durchsetzen werden, hängt auch davon ab, ob sie modernen Kriterien genügen.

LPWA-Technologien: LTE-M im Fokus

Bereits heute zeichnet sich ab, dass ein entscheidendes Kriterium für die weitere Entwicklung und den Erfolg neuer Technologien die Energieeffizienz sein wird. So haben stromsparende Lösungen wie Low Power Wide-Area (LPWA) einen entscheidenden Vorteil. Daher werden Technologien wie Long Term Evolution-Machine Type Communications (LTE-M) oder auchNarrow Band (NB-IoT) gute Chancen eingeräumt. Bei LPWA handelt es sich weniger um eine spezifische Technologie, als eher um eine Beschreibung einer Netzwerkkategorie – vergleichbar mit Begriffen wie Wide Area Network oder Personal Area Network. LPWA umfasst Technologien zur Datenübertragung bei möglichst geringem Stromverbrauch. So soll für kostengünstige IoT-Geräte die Übertragung mit geringer Geschwindigkeit bei niedriger Datennutzung und einer extrem hohen Netzabdeckung gewährleistet werden. LPWA-Technologien können damit dem wachsenden Bedarf an kostengünstigen Verbindungen für IoT-Anwendungen mit geringer Bandbreite entsprechen, die für Mobilfunkoptionen mit wenig Reichweite wie Bluetooth oder Zigbee geeignet sind. Die verschiedenen LPWA-Technologien unterscheiden sich in ihrer Entwicklung bezüglich der Standardisierung und ihrer Verfügbarkeit. Proprietäre LPWA-Lösungen werden eher auf dem Markt erscheinen, denn der langwierige Prüf- und Zertifizierungsprozess der Regulierer und Zertifizierungsstellen entfällt. Zu den bekanntesten proprietären Lösungen gehören u.a. Random Phase Multiple Access (RPMA) von On-RampWireless, Ultra Narrow Band (UNB) von SigFox sowie LoRa von Semtech. Standardisierte Lösungen gelten jedoch als langlebiger, denn sie profitieren von einem gut funktionierenden Ecosystem, das die Technologie trägt. Die LTE-M-Technologie könnte die Lösung für Niedrigstromnetzwerke mit einer großen Reichweite sein, so dass die Welt mit dem Internet der Dinge verbunden wird. Sie bietet eine schnelle und zuverlässige Netzwerkverbindung und hat so das Potenzial für eine weite Verbreitung. Besonders für vernetzte M2M- und IoT-Geräte bietet LTE-M die Vernetzung von deutlich mehr Geräten und eröffnet so die Möglichkeit, viele weitere Bereiche in das Internet der Dinge einzugliedern. Long Term Evolution-Machine Type Communications (LTE-M) ist ein Teil des 3GPP-LTE-Standards und es handelt sich tatsächlich um LPWA und nicht um eine herkömmliche Mobilfunktechnologie. LTE-M reduziert den Stromverbrauch und vergrößert die Reichweite gegenüber der Mobilfunktechnologie um 18dB. Extended Coverage GSM (EC-GSM) ist eine Erweiterung von LPWA des GSM 2G-Standards mit zusätzlicher Reichweite von 20dB sowie einer höheren Energieeffizienz. EC-GSM kann bestehende 2G-Chipsets nach einem Firmware-Upgrade weiter nutzen und somit eher auf den Markt gebracht werden. Dennoch sind derzeit viele Netzbetreiber vor allem in Nordamerika und Asien dabei, die 2G-Netzwerke abzuschalten und stattdessen LTE einzuführen. Vor allem in Europa setzen viele MNOs mit großen M2M-Anwendungen auf Basis von GSM für ihre IoT-Anwendungen auf EC-GSM. Es ist allerdings schwer vorherzusagen, wann EC-GSM verfügbar sein wird. Narrow Band IoT (NB-IOT) soll die Abdeckung um 20dB erhöhen und 200kHz-Kanäle einführen, so dass die Systeme eigenständig oder innerhalb eines LTE-Netzwerks funktionieren. Da die Entscheidung für LTE-Based Modulation erst kürzlich gefällt wurde, ist noch nicht abzusehen, wann NB-IOT verfügbar sein wird. Die Hauptkriterien für alle LPWA-Technologien sind die Akkulaufzeit, die Reichweite, die Kosten und die Zeit bis zur Marktreife. Die Unterschiede der Technologien sind marginal. Viele IoT-Anwendungen erfordern eine Akkulaufzeit von mehreren Jahren; daher ist eine Niedrigstromanwendung eine der wichtigsten Anforderungen für LPWAs. Während LTE-M, EC-GSM und NB-IoT unterschiedliche Technologien sind, nutzen alle die gleichen Protocol-Strategien, um Strom zu sparen. Dazu gehören auch Funktionen, die die Geräte öfter und länger in den Ruhezustand versetzen. Die Akkulaufzeit wird auch durch Reichweite bestimmt. Grundsätzlich gewinnt man mehr Reichweite durch die Reduzierung der Datenrate. Dann steigen jedoch die Übertragungszeiten erheblich, die wiederum viel Strom benötigen. LTE-M nutzt bestehende Aspekte des LTE-Standards, so dass es für OEMs, Lösungsanbieter und Netzwerkbetreiber weltweit einfacher wird, es einzuführen. LTE-M bietet die gleiche geringe Latenz wie herkömmliches LTE, so dass Anwendungen in Echtzeit wie Sprachdienste unterstützt werden können, die für einige IoT-Anwendungen in den Bereichen Automotive, Sicherheit, Smart Home und weiteren industriellen Anwendungen erforderlich sind. LTE-M sorgt auch für Kontinuität für Hersteller und MNOs in den Bereichen Sicherheit, Roaming, mobiles Management oder auch bei der Integration von OSS und BSS. Schließlich nutzt LTE-M die gleichen bewährten und standardisierten Sicherheitsmethoden, die bei heutigen Mobilfunklösungen üblich sind. LTE-M einzuführen bedeutet für Netzbetreiber auch nur den physischen Austausch eines Layers. Alle anderen Funktionen wie das Roaming, die Rechnungsstellung, die Registrierung und der allgemeine Service laufen nahtlos weiter.