Was ist Narrowband IoT (NB-IoT)?

Was ist NB-IoT?

Mit der Einführung der nichtzellulären LPWAN (Low Power Wide Area Network) Technologien wie LoRa und SigfoxAuf diese neuen Technologien reagierte die Mobilfunkbranche mit NB-IoT (Narrowband Internet of Things) für IoT- und M2M-Anwendungen (Machine-to-Machine). Dies wurde als Teil der Version (13) der 3GPP-Mobilfunknormenorganisation eingeführt, die auch als LTE CAT-NB bekannt ist. Die Hauptziele bei der Einführung von NB-IoT waren eine lange Akkulaufzeit, niedrige Latenzzeiten, geringer Stromverbrauch und eine verbesserte Abdeckung in Gebäuden. Ein weiteres interessantes Merkmal von NB-IoT-Einsätzen ist die Fähigkeit, neben 2G, 3G und 4G Mobilfunknetze, auch 3GPP hat bereits Vorkehrungen für die Einbeziehung von NB-IoT in 5G Standards. Lassen Sie uns nun in weitere Details über die Funktionsweise von NB-IoT und seine Funktionen eintauchen.

Wie funktioniert das?

NB-IoT nutzt das mobile Trägernetz zur Datenübertragung. Die Daten von den Sensoren werden gesammelt und an Übertragungsknoten oder NB-IoT-Basisstationen übertragen. Diese Übertragungsknoten sind mit einem IoT-Gateway und IoT-Cloud-Anwendungsserver zur weiteren Verarbeitung.

Es gibt drei Hauptbetriebsarten für den Einsatz von NB-IoT, nämlich: In-Band, Guard-Band und Standalone. Im In-Band-Betrieb wird ein einzelner Quellblock mit einer Bandbreite von 180 KHz innerhalb des zugewiesenen GSM-Bands für NB-IoT verwendet. Im Guard-Band-Betrieb wird der NB-IoT-Träger unter Nutzung des ungenutzten Guard-Bandes innerhalb eines LTE-Trägers übertragen. Schließlich wird der NB-IoT-Träger im Standalone-Betrieb als eigenständiger Träger übertragen.

Der Standalone-Betrieb bietet die beste Leistung, aber die meisten Anwendungsfälle nutzen den Guard-Band-Betrieb, der sich wiederum auf die Leistung der LTE. Die letztere Methode ist jedoch vermutlich kostengünstiger. Andererseits schränkt der In-Band-Betrieb die Leistung sowohl von LTE als auch von NB-IoT ein, da er NB-IoT-Träger in das zugewiesene LTE-Spektrum paketiert.

Die Übertragung der Daten von NB-IoT im Uplink-Kanal erfolgt effizient, da NB-IoT halbduplex ist. Dabei wird zunächst eine Verbindung zum Mobilfunknetz hergestellt, dann erfolgt die Zuweisung von Netzwerkressourcen an den Knoten und schließlich die Übertragung von Daten. Um den Prozess weiter auszuführen, wird das Gerät zunächst vom Netz getrennt, bis es Daten zu übertragen hat. Nach dem Aufbau der Verbindung bleibt das Gerät für eine konfigurierbare Zeit mit der Funkressourcensteuerung (RRC) verbunden, bis RRC inaktiv ist, und trennt dann die Verbindung. NB-IoT ermöglicht die sofortige Beendigung der Verbindung, sobald die Datenbestätigung eingegangen ist, wodurch der übermäßige Stromverbrauch in LTE-Netzen, die von aktiven Verbindungen ausgehen, reduziert wird. Um Daten an eine Anwendung zu senden, sind in NB-IoT außerdem zwei Optimierungen für das Cellular Internet of Things (CIoT) im Evolved Packet System (EPS) definiert, die auf die Nutzerebene und die Steuerungsebene angewendet werden.

Merkmale und Vorteile von NB-IoT

Sehen wir uns nun einige interessante Funktionen und Vorteile von NB-IoT an.

• Geringer Stromverbrauch: NB-IoT reduziert den Stromverbrauch batteriebetriebener Edge Nodes durch Funktionen wie Power Savings Mode (PSM) und Extended Discontinuous Reception (eDRX). PSM ist eine Funktion der Benutzerausrüstung (UE), bei der die UE meldet, wie oft und wie lange sie aktiv sein muss, um Daten zu übertragen. Dies ist vergleichbar mit dem Ausschalten, allerdings bleibt das UE im Netz registriert, so dass kein erneuter Verbindungsaufbau erforderlich ist. eDRX ist eine erweiterte Funktion des bereits bestehenden diskontinuierlichen Empfangs (DRX) in LTE, bei dem das UE für einen unbemerkten Zeitraum vom Netz getrennt wird. Beide Funktionen zielen darauf ab, eine Batterielebensdauer von mehr als 10 Jahren für Edge-Node-Geräte mit einer Batteriekapazität von 5Wh zu erreichen.
•  Bessere Abdeckung: Der maximale Kopplungsverlust (MCL) für NB-IoT beträgt 164 dB und ermöglicht eine tiefe Abdeckung in Tunneln, Kellern, ländlichen Gebieten und offenen Umgebungen. Dies ist eine Verbesserung um 20 dB gegenüber LTE und bedeutet eine 7-fache Vergrößerung des Abdeckungsbereichs.
• Niedrige Kosten für Geräte mit niedrigen Datenraten: Aufgrund der geringeren Komplexität der Geräte bewegen sich die Preise der Geräte um $6 pro Modul. Ein weiterer Faktor, der zur geringeren Komplexität der Geräte beiträgt, ist der Halbduplex-Kommunikationsmodus, der in NB-IoT eingesetzt wird.
•  Fähigkeit zum Anschluss einer großen Anzahl von Geräten mit niedrigem Durchsatz: Unterstützung von mindestens 50.000+ angeschlossenen Geräten innerhalb eines Zellensektors. Die erwartete Datenrate für Uplink und Downlink beträgt etwa 160 bps.
• Schmalere Kanäle: Die Kanalbreite für NB-IoT beträgt 180 kHz. Dies verringert die Komplexität des Geräteentwurfs und reduziert auch die Leistung und die Kosten der Geräte. NB-IoT weist jedem UE einen oder mehrere 15-kHz-Unterträger in dem zugewiesenen 180-kHz-Ressourcenblock zu. Es besteht die Möglichkeit, diesen auf 3,75 kHz zu verkleinern, so dass sich mehr Geräte den Platz teilen können.
• Geringere Latenzzeit: NB-IoT strebt Latenzzeiten von weniger als 10 Sekunden an.
• Erhöhte Kapazität: Funktionen wie Signalisierungsoptimierung, Schmalbandübertragung, hybride automatische Wiederholungsanforderung (HARQ) und adaptive Modulation ermöglichen Millionen von angeschlossenen NB-IoT-Geräten in einem bestimmten Gebiet.
• Vererbte Sicherheit: NB-IoT erbt Sicherheitsmerkmale von LTE-Sicherheitsmerkmalen, einschließlich SIM-basierter Authentifizierung.
• Keine Mobilität: NB-IoT unterstützt kein Handover und muss daher mit einer einzigen Zelle verbunden bleiben oder stationär bleiben.

Anwendung von NB-IoT

Einige der interessanten NB-IoT-Anwendungsbereiche sind im Folgenden aufgeführt:

• Intelligente Verbrauchsmessung: Aufgrund der verbesserten Durchdringungsfähigkeiten und der größeren Reichweite von NB-IoT eignet es sich gut für unterirdische Zählersysteme und Fernzählersysteme.
• Weniger mobile Verfolgung: NB-IoT eignet sich ideal für die Verfolgung weniger mobiler Objekte, bei denen eine geringere Mobilität gegeben ist.
• Intelligente Städte: NB-IoT kann Millionen von Geräten mit geringem Durchsatz miteinander verbinden, was für die Gestaltung komplexerer Systeme wie z. B. intelligenter Städte entscheidend ist.
• Intelligente Gebäude und industrielle IoT-Anwendungen (IIoT): NB-IoT kann Umwelt- und Wartungsdaten über die bestehenden Breitbandverbindungen in Gebäuden und Fabriken überwachen.

Wann sollte man NB-IoT in Betracht ziehen?

NB-IoT ist gut geeignet für schläfrige Geräte mit geringem Stromverbrauch. Es ist auch geeignet für IoT und M2M Anwendungsfälle, in denen niedrige Datenraten und weniger Mobilität bei geringen Kosten, starker Abdeckung und hoher Dichte der angeschlossenen Geräte für einen bestimmten Betriebsbereich erforderlich sind. Laut [1] entfällt der größte Marktanteil von NB-IoT in Europa auf die Bereiche Infrastruktur und Landwirtschaft, gefolgt vom Automobil- und Gesundheitssektor. So erhalten Sie eine Vorstellung davon, wann Sie NB-IoT für Ihre Anwendung in Betracht ziehen sollten.

NB-IoT vs. LTE-M

Sowohl NB-IoT als auch LTE-M wurden 2016 durch 3GPP Release 13 eingeführt. Erstens bietet LTE-M höhere Datenraten und geringere Latenzzeiten als NB-IoT. Außerdem kann LTE-M sowohl Sprach- als auch Datenkommunikation unterstützen, während NB-IoT nur Datenkommunikation unterstützen kann. Darüber hinaus ist LTE-M aufgrund der Übernahme von LTE mit einer Out-of-Box-Roaming-Fähigkeit ausgestattet, die den Einsatz in mehr mobilen Anwendungen ermöglicht.

NB-IoT bietet jedoch eine größere Reichweite und Durchdringungsfähigkeit als LTE-M. Außerdem ist NB-IoT abwärtskompatibel mit 2G- und 3G-Mobilfunknetzen, was bei LTE-M ein Nachteil ist, da diese Mobilfunknetze noch weit verbreitet sind. Schließlich ist NB-IoT aufgrund seiner geringen Bandbreite und niedrigen Datenraten eine kostengünstigere Alternative zu LTE-M.

Prüfen Sie die Unterschied zwischen NB-IoT und LoRa im IoT, wenn Sie daran interessiert sind.

Schlussfolgerung

Laut [1] wird der globale NB-IoT-Markt im Jahr 2018 auf 578,0 Mio. USD geschätzt und es wird erwartet, dass er als 3GPP hat bereits Vorkehrungen für NB-IoT auch in der 5G-Mobilfunkkommunikation getroffen. Dies wird eine größere Abdeckung und viele vernetzte Geräte ermöglichen, was zu einer massiven IoT-Einführung führen wird. Daher lohnt es sich, NB-IoT für Ihre statische IoT-Anwendung mit geringem Stromverbrauch in Betracht zu ziehen.