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Narrowband IoT

Mehr Konnektivität mit dem neuen Funkstandard

03/2017 - Ob durch Betonwände oder in unterirdischen Bahnhöfen: Der neue Funkstandard Narrowband IoT sorgt selbst unter schwierigen Bedingungen für eine stabile Verbindung im Internet der Dinge.

Wohin man im Bereich aktueller Technologien auch schaut: Das sogenannte Internet der Dinge ist unaufhaltsam auf der Überholspur – sowohl in Haushalten als auch in professionellen Umgebungen. Wer seinen Lebensraum privat mit entsprechenden Gadgets wie intelligenten Rauchmeldern, Thermostaten oder Waschmaschinen ausstattet, hat einen großen Vorteil: Die Geräte greifen meist per WLAN auf die im jeweiligen Haushalt bestehende Internetinfrastruktur zu und können so untereinander oder mit angeschlossenen Cloud-Diensten kommunizieren.

Doch gerade in einem professionellen Umfeld stellt die Kommunikation im „Internet of Things“ (IoT) spezielle Anforderungen an Übertragungsnetze. Viele Anwendungsszenarien für das Internet der Dinge benötigen eine mobile Übertragungstechnologie, da sich die Geräte entweder fortbewegen, eine großräumige Abdeckung notwendig ist oder vor Ort keine Anbindungsmöglichkeiten bestehen und dadurch erst kostenintensiv aufgebaut werden müssen. Zudem stehen für einige IoT-Anwendungsszenarien nicht immer die Datenrate sowie die Latenz- oder Reaktionszeit im Vordergrund, sondern vielmehr sollen die vernetzten „Dinge“ mit möglichst geringem Energieverbrauch kommunizieren, damit die verbauten Batterien mehrere Jahre durchhalten. Auch sollten die verwendeten Funkmodule möglichst preiswert sein, damit angesichts großer Stückzahlen die Kosten nicht explodieren. Eine besondere Herausforderung bei der Vernetzung ist, dass die miteinander verbundenen Geräte auch in funktechnisch ungünstigen Bedingungen erreichbar bleiben müssen – etwa Verbrauchszähler in tiefen Kellern oder Frachtstücke im Inneren eines mit Stahlblech verkleideten Güterwaggons.

Neuer Standard, vielfältige Vorteile

Keine der heute verfügbaren, konventionellen Übertragungstechnologien erfüllt diese Anforderungen. Verkabelte Verbindungen eignen sich für alle IoT-Anwendungsszenarien in Gebäuden und Büros, fallen aber aus, sobald Geräte sich fortbewegen oder vor Ort keine Möglichkeit der Verkabelung oder Stromversorgung gegeben ist. Drahtlose Technologien wie Wi-Fi, Bluetooth oder Zigbee haben nicht die Reichweite für großflächige Rollouts, und andere wie 3G oder 4G bieten zwar mehrere Kilometer Reichweite, sind aber für hohen Datendurchsatz ausgelegt und damit teuer und energiefressend (zum Beispiel kostet ein typisches 4G IoT Modul 40 Dollar bei einer Batterielaufzeit von weniger als einem Jahr).

Hier kommt die neue Übertragungstechnologie Narrowband IoT (NB-IoT) ins Spiel. Bei NB-IoT handelt es sich um einen Low Power Wide Area (LPWA)-Funkstandard, dessen Übertragung über die bereits heute verfügbaren und etablierten Mobilfunknetze abgewickelt wird. Die Vorteile: äußerst geringer Energieverbrauch, exzellente Gebäudedurchdringung und damit Abdeckung sowie niedrige Übertragungs- und Komponentenkosten.

Ein Vergleich lohnt sich

In den letzten Jahren sind im Bereich LPWA eine Vielzahl unterschiedlichster Technologien durch Unternehmen, Konsortien, Normungsgremien und Allianzen entwickelt worden. Die bekanntesten neben Narrowband IoT sind LoRa und SigFox. Im Vergleich zu LoRa und SigFox hat Narrowband eine höhere Signalstärke, wodurch das Gerät in funktechnisch schwer zugänglichen Bereichen in der Lage ist, besser zu kommunizieren. Zudem erreicht es eine höhere Datenrate, was neben der reinen Datenübertragung auch noch genug Spielraum für sicherheitsrelevante Themen wie Authentifizierung, Verschlüsselung oder auch das Patchen („over-the-air“) von Firmenware zulässt.

Ein großer Unterschied liegt zudem auch im unlizenzierten Frequenzband. Diese unlizenzierten Bänder können sich auf die Leistungsqualität von LoRa und SigFox auswirken, da diese unter anderem auch für verschiedene Dienste wie drahtlose Alarmsysteme und Fernbedienungen genutzt werden, und damit das Netzwerk unter hohe Last stellen können. Dies kann zu einem Datenverlust durch Kollisionen und Störungen führen. Weiterhin besteht das Problem, dass diese unlizenzierten Frequenzbänder von jedermann – einschließlich Hackern – für die Datenübertragung genutzt werden können (zum Beispiel für Denial-of-Service-Attacken).

Pilotprojekt mit Vodafone

Die Vorteile im Bereich der Energie- und Kosteneffizienz, der Sicherheit und der besseren Konnektivität für die genannten Anwendungsszenarien sind Gründe, weshalb DB Systel bereits vor dem offiziellen Marktstart als exklusiver Partner gemeinsam mit Vodafone ein Pilotprojekt durchführt, um den zu erwartenden Nutzen im Konzern zu testen. Wie zukunftsweisend das Projekt ist, stellt Christa Koenen, Vorsitzende der Geschäftsführung von DB Systel, in ihrer Rede zur Einweihung des Vodafone IoT-Labs in Düsseldorf Anfang Februar dar:

„Digitalisierungsprojekte im Rahmen des Internets der Dinge benötigen eine effiziente Übertragungstechnologie. Narrowband-IoT hat das Potenzial, ein wichtiger Baustein in unserer IoT-Leistungskette zu werden. Es kann die Kommunikation von Dingen untereinander erheblich verbessern und kostengünstig eingesetzt werden. Dabei können wir uns viele Anwendungsmöglichkeiten vorstellen. So kann zum Beispiel ein intelligenter Mülleimer Signale aussenden, wenn er geleert werden muss, oder es können technische Anlagen überwacht werden, die per Funk schwer erreichbar sind.“

Erste Funktionstests fanden Mitte Januar 2017 im IoT Lab von Vodafone statt. Ab April beginnt der Feldtest in der Region Berlin. Dabei sollen mögliche Anwendungsszenarien entwickelt werden. Als erster Partner in der Pilotierungsphase konnte DB Services gewonnen werden. Aus gutem Grund: Die gemeinsam entwickelten intelligenten Mülleimer bieten sich für einen Testbetrieb mit NB-IoT an.

Ein weiterer Vorteil des Pilotprojekts: Vodafone stellt der DB Systel und deren internen Kunden Narrowband IoT genau dort zur Verfügung, wo es gebraucht wird – unabhängig von einem flächendeckenden Ausbau.

Baustein für die Digitalisierungskette

Bei IoT-Projekten wird immer die gesamte Leistungskette betrachtet. Narrowband IoT kann neben anderen Übertragungstechnologien, die je nach Nutzungsszenarien andere Vorteile bieten, ein effizienter Konnektivitätsbaustein für die Umsetzung von Projekten im Internet der Dinge werden. Aber vor allem ist es eine energie- und kosteneffiziente Übertragungstechnologie.

Zur erfolgreichen Umsetzung von IoT-Anwendungsszenarien wird bei der DB Systel die gesamte IoT-Leistungskette von der Datenerfassung bis zur Anwendung durch den Nutzer betrachtet und stetig durch neue IoT-Bausteine ergänzt.

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Eine wichtige Aufgabe ist es also, immer mehr wiederverwendbare IoT-Bausteine anhand der IoT-Leistungskette zu identifizieren und die Technologie so für Kunden konsumierbar zu machen: von der Sensorik oder Datenerfassung, der Übertragung der Daten, der Speicherung und Interpretation bis hin zur Integration der verwertbaren Informationen in die Unternehmensprozesse und Anwendungen. Schon jetzt ist die Liste an Werkzeugen von DB Systel groß – und sie wird Stück für Stück erweitert.

Wir machen also den Reality-Check.

Jörn Petereit (DB Systel GmbH)

Das ist also vor allem das Ziel des Tests: die Versprechungen des Datenblatts zu überprüfen. Also ob wirklich die Datenraten erreicht werden, die Technologie flächendeckend eingesetzt werden kann und wie kosten- und energieeffizient sie wirklich ist. „Wir machen also den Reality-Check“, sagt Jörn Petereit. Und Ideen, wofür Narrowband IoT eingesetzt werden könnte, gibt es bereits viele.