Definition Was ist NarrowBand IoT (NB-IoT)?

NarrowBand IoT ist ein Mobilfunkstandard, der speziell für die Vernetzung von Geräten, Maschinen und Komponenten des Internets der Dinge vorgesehen ist. Der Standard setzt auf der LTE-Mobilfunktechnik und vorhandenen Mobilfunknetzen auf und zeichnet sich durch einen niedrigen Energieverbrauch, große Reichweiten und eine gute Gebäudedurchdringung aus. Die realisierbaren Datenraten sind aber gering.

NarrowBand IoT, abgekürzt NB-IoT, ist ein Mobilfunkstandard, der dafür vorgesehen ist, Geräte des Internets der Dinge drahtlos zu vernetzen. Alternativ werden für den zu den LPWA-Technologien (Low Power Wide Area) zählenden Standard auch die Bezeichnungen LTE Cat NB1 beziehungsweise LTE Cat NB2 verwendet. Spezifiziert wurde NB-IoT vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Inzwischen ist NB-IoT auch Bestandteil des 5G-Mobilfunkstandards.

Die NB-IoT-Mobilfunktechnik arbeitet energieeffizient, erreicht eine gute Gebäudedurchdringung, bietet hohe Reichweiten, unterstützt sehr viele Geräte pro Funkzelle und ist auch dort nutzbar, wo die Reichweite oder Qualität der herkömmlichen 2G-, 3G-, 4G- oder 5G-Mobilfunksignale zu niedrig ist. Im Gegensatz zum normalen Mobilfunk ist die Funkversorgung auch an schwer zugänglichen Orten wie in Kellerräumen gegeben. Endgeräte benötigen wesentlich weniger Energie als herkömmliche Mobilfunkgeräte und können mit relativ kleinen Batterien oder Akkus problemlos über lange Zeiträume mit Energie versorgt werden. Allerdings sind die maximal möglichen Datenübertragungsraten im Vergleich zur normalen LTE- oder 5G-Mobilfunkkommunikation sehr viel niedriger.

NarrowBand IoT kann von den Netzbetreibern in bestehende Mobilfunknetze integriert werden. Es lässt sich im lizenzierten Frequenzspektrum vorhandener Netze parallel betreiben und steht dann zusätzlich für die verschiedenen Anwendungen des Internets der Dinge zur Verfügung. NB-IoT ist aber auch standalone in einem dedizierten Funkspektrum betreibbar.

NB-IoT hat sich weltweit für die Vernetzung von IoT-Geräten etabliert. In Deutschland ist NarrowBand IoT in den bestehenden Mobilfunknetzen der großen Mobilfunknetzbetreiber (Deutsche Telekom, Vodafone und Telefónica) über ihre lizenzierten Frequenzspektren flächendeckend verfügbar. Auch Roaming mit anderen europäischen Ländern oder weltweit wird zunehmend unterstützt. NB-IoT über Satelliten, auch als NTN-NB-IoT (Non-Terrestrial Networks NarrowBand IoT) bezeichnet, erweitert die schmalbandige IoT-Konnektivität auf Gebiete ohne Mobilfunkempfang, wie Meere, Wüsten, Berge oder den Luftraum.

Die grundlegenden Anforderungen an NarrowBand IoT

Bei der Entwicklung und Standardisierung von NarrowBand IoT standen die Anforderungen des Internets der Dinge und der Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) im Mittelpunkt. Typische Anforderungen in diesen Bereichen sind:

• geringer Energieverbrauch der Endgeräte (Betrieb mit Batterien oder Akkus über Zeiträume von bis zu zehn Jahren)

• geringe Kosten für die benötigten Kommunikationskomponenten

• hohe Reichweiten, tiefe Gebäudedurchdringung und gute Netzabdeckung auch in schwer zugänglichen Räumen wie Tiefgaragen, Kellerräumen oder in Schächten

• Möglichkeit der einfachen und kostengünstigen Implementierung in die Infrastruktur der bestehenden LTE-Mobilfunknetze und ihrer vorhandenen Lizenzspektren

• hohe Zuverlässigkeit der Technik und der Datenübertragung

• hohes Sicherheitsniveau der übertragenen Daten

Die technische Umsetzung von NarrowBand IoT

Technisch ist NarrowBand IoT eine Erweiterung des LTE-Standards. Sie verbessert die Signalpegel und Reichweiten, reduziert die Komplexität des Funkmoduls und begrenzt die maximalen Übertragungsraten in Sende- und Empfangsrichtung. Aufgrund einer um 20 dB besseren Leistungsübertragungsbilanz erreicht NB-IoT eine deutlich höhere Netzabdeckung. Die hohe Energieeffizienz wird durch spezielle Stromsparmodi und Technologien wie erweitertem diskontinuierlichem Empfang erreicht.

Für die Funkübertragung kommen in Europa lizenzierte LTE- beziehungsweise 5G-Bänder überwiegend im 900-MHz- und 800-MHz-Bereich zum Einsatz. Sie bieten eine bessere Gebäudedurchdringung als Funksignale in Frequenzbereichen von 1.800 MHz, 2.600 MHz oder noch höher, da langwellige Funksignale mit niedriger Frequenz Gegenstände und Hindernisse besser durchdringen als hochfrequente, kurzwellige Signale. Eine robustere Modulationstechnik trägt ebenfalls zur Reichweitenerhöhung und zu einer höheren Stabilität der Kommunikationsverbindungen von NarrowBand IoT bei.

Die für NB-IoT verwendeten Kanäle sind jeweils nur 180 Kilohertz breit. Dank dieser schmalen Kanalbreiten kann NarrowBand IoT sowohl inband auf regulären LTE-Trägern als auch outband, beispielsweise im Guard-Band (Abstandslücke zwischen den Funkbändern), betrieben werden. Die Download- und Uploaddatenraten betragen maximal bis zu 250 Kilobit pro Sekunde und erlauben nur schmalbandige Anwendungen mit geringen Datenmengen. Endgeräte benötigen eine NB-IoT-fähige SIM-Karte oder eSIM für den Zugang zum Netz eines Mobilfunkbetreibers. Die Betreiber bieten hierfür spezielle IoT-Tarife mit meist langen Laufzeiten, geringem Datenvolumen und günstigen Preisen im Vergleich zu normalen Mobilfunktarifen an.

Unterschiede von NB-IoT zu anderen drahtlosen IoT-Vernetzungstechnologien

Zur Abgrenzung gegenüber anderen drahtlosen IoT-Vernetzungstechnologien wie LTE-M oder LoRaWan zeigt die nachfolgende Tabelle eine kurze Gegenüberstellung der wichtigsten Eigenschaften und Unterscheidungsmerkmale.

Tabelle: Gegenüberstellung der wichtigsten Eigenschaften und Unterscheidungsmerkmale von NB-IoT, LTE-M und LoRaWAN

Typische Anwendungsbereiche von NarrowBand IoT

NarrowBand IoT ist ideal für Anwendungen geeignet, die in größeren Zeitabständen nur kleine Datenpakete versenden und bei denen die Endgeräte auch in schwer zugänglichen Bereichen über längere Zeit ohne externe Stromversorgung betrieben werden sollen.

Eine wichtige Anwendung von NB-IoT ist die intelligente Messdatenerfassung (Smart Metering), zum Beispiel von Gas-, Strom-, Wärme- oder Wasserzählern. Die Zähler befinden sich häufig in Kellerräumen oder an schwer zugänglichen Stellen und besitzen keinen eigenen Stromanschluss. Dank der guten Netzabdeckung und Gebäudedurchdringung von NB-IoT können die Zähler ihre Verbrauchsdaten in regelmäßigen Abständen per Funktechnik an einen zentralen Server des Versorgers oder Netzbetreibers übertragen. Das macht das manuelle Ablesen und Übermitteln von Zählerständen überflüssig und ermöglicht Einblicke in die Verbrauchscharakteristika der Haushalte. Bei den übertragenen Daten handelt es sich um kleine Datenmengen, die keine breitbandigen Netze erfordern. Für die Gas-, Wärme- und Wasserzähler ergibt sich der Vorteil, dass die Funkmodule per Batteriebetrieb über viele Jahre betreibbar sind und keine externe Stromversorgung notwendig ist.

Weitere typische Anwendungen von NB-IoT sind in folgenden Bereichen zu finden:

• Smart City (intelligente Stadt)

• Smart Building (intelligente Gebäude)

• Transport und Logistik

• Produktion und Industrie

• Landwirtschaft

• Sicherheitstechnik

• Lokalisation von Gegenständen

• Lokalisation von Personen oder Tieren

In einer intelligent vernetzten Stadt (Smart City) lässt sich NarrowBand IoT einsetzen, um beispielsweise die Straßenbeleuchtung zu steuern. Mit entsprechenden Funkmodulen ausgestattete Straßenlampen lassen sich aus der Ferne einschalten, ausschalten oder dimmen. Gleichzeitig können sie Störungen an eine zentrale Stelle melden. Vernetzte Mülltonnen informieren Abfallentsorgungsunternehmen über ihren Füllstand, Messstellen informieren über die Luftqualität oder Verschmutzung in bestimmten Gebieten oder Sensoren erfassen die Belegung von Parkplätzen und leiten die Information in Echtzeit an Parkleit- oder Navigationssysteme weiter.

Auch in der Logistik und im Transportwesen ist der Einsatz von NarrowBand IoT sinnvoll. Container oder Güterwaggons können ihren Standort in regelmäßigen Abständen melden oder Tankfahrzeuge ihre Füllstände übermitteln. In Lagerhallen ist die Nachverfolgung von Waren auf mit NB-IoT-Modulen ausgestatteten Paletten möglich.

Land- und forstwirtschaftliche Anwendungen profitieren ebenfalls von der guten Netzabdeckung von NarrowBand IoT. Gerade in ländlichen Bereichen und Wäldern ist die Versorgung mit herkömmlicher Mobilfunktechnik oft nicht in ausreichendem Maße vorhanden. Zudem ist auf freier Flur in der Regel keine Stromversorgung verfügbar. Mit NB-IoT lassen sich Nutztiere tracken oder ihr Gesundheitszustand überwachen, Temperaturen oder Windrichtungen messen, Rauchentwicklungen in Wäldern melden oder Füllstände von Bewässerungstanks übermitteln. Weitere Anwendungen in der Land- und Forstwirtschaft sind das Erfassen ungewöhnlicher Bewegungen von Tieren, das Messen von Feuchtigkeit und Temperatur der Böden oder das Erfassen von Regenmengen.

Für intelligente Gebäude (Smart Buildings) ergibt sich für die NB-IoT-Technologie ebenfalls ein großes Anwendungsspektrum. In den Gebäuden installierte Sensoren informieren über Zustände oder Probleme der Gebäudetechnik wie Beleuchtungen, Heizungen, Lüftungen oder Sicherungsanlagen. Sensoren, die per NB-IoT mit einem Überwachungssystem verbunden sind, arbeiten autark, sind klein und unauffällig und lassen sich an vielen Stellen im Gebäude installieren. Da sie die Informationen direkt drahtlos an eine entfernte Zentrale übermitteln und kaum zu lokalisieren sind, sind sie von Eindringlingen nur schwer zu entdecken oder zu deaktivieren.

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