Definition Was ist Voice over NB-IoT (VoNB-IoT)?

Voice over NB-IoT ist die Bezeichnung für die Übertragung von Sprache über den schmalbandigen IoT-Mobilfunkstandard NarrowBand IoT. Dieser ist eigentlich für die sporadische Übertragung kleiner Datenmengen gedacht und nicht für Echtzeit-Sprachservices vorgesehen. VoNB-IoT erschließt neue Anwendungsbereiche und wird aktuell im Kontext satellitengestützter NB-IoT-Netze erprobt.

Voice over NB-IoT, abgekürzt VoNB-IoT, ist die Bezeichnung für eine innovative Technologie, die es ermöglicht, Sprache in Echtzeit über den schmalbandigen IoT-Mobilfunkstandard NarrowBand IoT zu übertragen. Eigentlich ist der NB-IoT-Standard für die sporadische Übertragung von kleinen Datenmengen, zum Beispiel von Zählerständen oder Sensordaten des Internets der Dinge, und nicht für Echtzeitdienste wie Sprache gedacht.

VoNB-IoT erlaubt die Sprachübertragung innerhalb des bestehenden NB-IoT-Standards und erschließt neue Anwendungsfälle, zum Beispiel in der Notfall- und Katastrophenkommunikation. Die Technologie wird aktuell im Kontext satellitengestützter NB-IoT-Netze (NTN, Non-Terrestrial Networks) erprobt. 2025 wurde von den Unternehmen Mavenir und Terrestar erstmals eine Voice-over-NB-IoT-Verbindung über GEO-Satelliten demonstriert. Dennoch gilt VoNB-IoT eher als ein Nischenansatz für Sprache in IoT-Netzen.

In der Praxis dominiert in terrestrischen Netzen die von Grund auf für die Sprachübertragung besser geeignete Alternative LTE-M mit VoLTE. Für die satellitengestützte Kommunikation könnte VoNB-IoT aufgrund des relativ geringen Implementierungsaufwands, der großen Reichweite, der hohen Energieeffizienz und der robusten Verbindungen eine attraktive Option sein. Bestehende Satellitennetze lassen sich per Software-Upgrade relativ einfach für NB-IoT-basierte Sprachdienste befähigen.

Grundidee von Voice over NB-IoT und zu bewältigende technische Herausforderungen

NarrowBand IoT, abgekürzt NB-IoT, ist ein vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) spezifizierter Standard zur drahtlosen Vernetzung von Geräten des Internets der Dinge. Inzwischen ist er Bestandteil der 5G-Mobilfunkstandardisierung. NB-IoT arbeitet energieeffizient, erreicht eine gute Gebäudedurchdringung, bietet hohe Reichweiten, unterstützt sehr viele Geräte pro Funkzelle und ist auch dort nutzbar, wo die Reichweite, Qualität oder Gebäudedurchdringung 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 betrieben werden. Allerdings sind die maximal möglichen Datenübertragungsraten im Vergleich zur normalen LTE- oder 5G-Mobilfunkkommunikation sehr viel niedriger. Zudem gilt NB-IoT im klassischen Sinne bisher nicht als echtzeitfähig. Der NB-IoT-Standard sieht keine Sprachübertragung vor, da die Bandbreite dafür eigentlich zu gering und die Latenz zu hoch ist. Um die Sprachübertragung im schmalbandigen NB-IoT zu ermöglichen, muss daher sichergestellt sein, dass die extrem geringe Bandbreite von NB-IoT mit nur 180 kHz breiten Kanälen für die IP-basierte Sprachübertragung optimal ausgenutzt wird und keine übermäßigen Beeinträchtigungen der Sprachkommunikation durch die hohen Latenzzeiten von 250 ms und mehr bei zum Beispiel Satellitenverbindungen auftreten.

Technische Realisierung von VoNB-IoT

Grundsätzlich nutzt VoNB-IoT standardkonforme 3GPP-NB-IoT-Technologie und erweitert diese um die Fähigkeit der Sprachübertragung. Ziel ist es, auf derselben Infrastruktur nicht nur Sensordaten zu übertragen, sondern auch Sprachkommunikationsservices bereitzustellen.

Um Sprachdaten IP-basiert im schmalbandigen NB-IoT-Funkkanal zu übertragen, verwendet VoNB-IoT leistungsfähige und sehr stark komprimierende Codecs (Ultra-Low-Bitrate-Codecs) mit integrierten Fehlerkorrekturmechanismen, die nur niedrige Bitraten erfordern. Sie tragen auch zur Kompensation hoher Latenzen bei und liefern trotz der schmalbandigen Kanäle eine ausreichend gute Sprachqualität. Eine optimierte Steuerung der Sprachpakete im Open RAN minimiert Verbindungsabbrüche. Damit NB-IoT-fähige Endgeräte neben Datenpaketen auch Sprachverbindungen unterstützen, sind zudem einige Protokollanpassungen notwendig.

Demonstration einer Beispielimplementierung von Voice over NB-IoT durch Mavenir und Terrestar

Anfang 2025 demonstrierten die Unternehmen Mavenir, ein Anbieter von cloudnativer Netzwerkinfrastruktur, und Terrestar, Kanadas führender mobiler Satellitenbetreiber, erstmals die Implementierung einer Echtzeit-Voice-over-NB-IoT-Verbindung im nicht-terrestrischen Netzmodus über GEO-Satelliten. Sie nutzten dafür ein vollständig 3GPP-konformes nicht-terrestrisches Netz und ein 3GPP-standardisiertes NTN-S-Band-Spektrum, das Interferenzen mit terrestrischen Netzen verhindert. Da sich die demonstrierte Lösung per Software-Upgrade auf bestehenden Satelliten aktivieren lässt, können GEO-Satellitennetzbetreiber nicht-terrestrische VoNB-IoT-Dienste mit relativ geringem Aufwand in ihre Netze implementieren.

Die geostationären Satelliten sorgen für eine gute Netzabdeckung auch in abgelegenen Regionen und erzielen trotz der hohen Latenzzeiten und geringen Bandbreiten eine akzeptable Sprachqualität. Für die Demonstration der VoNB-IoT-Technologie kamen Standard-Codecs des Altair ALT1250-Moduls von Sony, das Mavenir Open RAN und das Mavenir Converged Packet Core zum Einsatz.

Mögliche Anwendungen für Voice over NB-IoT

Voice over NB-IoT ebnet durch die Einbindung von Sprachdiensten den Weg für eine breitere Nutzung von NB-IoT-Lösungen und erschließt neue Anwendungsmöglichkeiten. Sprachkommunikation wird in abgelegenen oder schlecht versorgten Regionen möglich, in denen normaler Mobilfunk zu aufwendig zu installieren oder dessen Nutzung zu energieintensiv ist. Potenzielle Anwendungen für Voice over NB-IoT sind zum Beispiel:

• Notfall- und Katastrophenkommunikation an abgelegenen oder aufgrund von mangelnder Netzabdeckung oder schlechter Gebäudedurchdringung unterversorgten Orten

• Notruf- oder Alarmgeräte, die sowohl IoT-Sensorik (zum Beispiel für die Ortung) als auch Sprache unterstützten

• Push-to-Talk-Anwendungen und sprachbasierte IoT-Geräte mit der Möglichkeit einfacher Sprachmeldungen

• Remote-Überwachung mit Sprachdurchsagen und Sprachfeedback

• Sprachunterstützung von Technikern an IoT-Geräten, -Anlagen oder -Maschinen

• Remote-Patientenüberwachung mit mobilen IoT-Geräten inklusive der Möglichkeit von Sprachkonsultationen

• Backup-Sprachkommunikation für kritische Infrastrukturen

Vor- und Nachteile der VoNB-IoT-Technologie

Die VoNB-IoT-Technologie basiert auf standardkonformen NB-IoT-Netzen und lässt sich mit relativ geringem Aufwand und kleinen Anpassungen unter Nutzung des verfügbaren Frequenzspektrums in bestehende Netze integrieren. Dadurch wird über das energieeffizient arbeitende, reichweitenstarke NB-IoT auch die Sprachkommunikation an abgelegenen, mit Mobilfunk unterversorgten Orten möglich. Voice over NB-IoT bietet eine gute Gebäudedurchdringung, arbeitet auch in schwierigen Umgebungen zuverlässig, ist in großem Umfang skalierbar, erreicht Batterielaufzeiten von Mobilgeräten von bis zu zehn Jahren und erlaubt die Verwendung von Standardendgeräten.

Für die mobile Sprachkonnektivität ergeben sich in Kombination mit satellitengestützten NTN-Lösungen große Vorteile hinsichtlich einer flächendeckenden und globalen Bereitstellung. Da VoNB-IoT ein deutlich kleineres Frequenzspektrum als beispielsweise LTE-M benötigt, ist es ideal für begrenzte Satellitenbandbreiten geeignet. Satelliten mit VoNB-IoT können abgelegene Regionen, Meere, Wüsten und den kompletten Luftraum erreichen und bestehende Funklöcher terrestrischer Netze schließen.

Die VoNB-IoT-Technologie ist aber auch mit einigen Nachteilen und Herausforderungen verbunden. So handelt es sich aktuell noch um einen Nischenansatz, der auf regulatorischer Ebene und hinsichtlich einer einheitlichen Standardisierung noch weiter verfeinert und harmonisiert werden muss. Auch an der Interoperabilität mit bestehenden terrestrischen Netzen muss noch gearbeitet werden. Die Integration in bestehende Mobilfunk- und NTN-Lösungen darf zu keinen Störungen oder rechtlichen Konflikten führen. Zudem ist aufgrund der begrenzten Bandbreite, der hohen Latenz der Kommunikation über Satelliten und der Verwendung stark komprimierender Codecs die erzielbare Qualität der Sprachkommunikation grundsätzlich niedriger als bei den üblichen Mobilfunktechnologien.

(ID:50798724)