Narrowband-IoT. Implementierung auf dem Markt und Herausforderungen


Hausarbeit, 2019

16 Seiten, Note: 1,4


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abstract

1. Einleitung
1.1 Definition
1.2 Mögliche Anwendungsszenarien

2. Implementierung von NB-IoT
2.1 Technischer Hintergrund

3. Einordnung von NB-IoT in der restlichen IoT Landschaft
3.1 Herausforderungen

4. Fazit

Literaturverzeichnis

Internetquellen

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Was muss ein LPWA-Gerät leisten können (https://www.management-circle.de/blog/warum-low-power-wide-area-das-internet-der- dinge-revolutionieren-wird/)

Abbildung 2: Vorteile NB-IoT - Infografik (https://www.roundsolutions.com/media/image/Vorteile-NB-IoT-Infografik.png)

Abbildung 3: Drahtlostechnologien am heutigen Markt (Stand 2017) (https://www.vodafone.de/media/downloads/pdf/vodafone-whitepaper-narrowband-iot.pdf, Seite 4)

Abbildung 4: Wichtige technische Spezifikationen für NB-IoT (https://www.vodafone.de/media/downloads/pdf/vodafone-whitepaper-narrowband-iot.pdf, Seite 6)

Abbildung 5: Mögliche Einsatzfelder von LPWA sind (https://www.management-circle.de/blog/warum-low-power-wide-area-das-internet-der- dinge-revolutionieren-wird/)

Abbildung 6: Die drei Installationsmöglichkeiten von NB-IoT (http://www.techplayon.com/wp-content/uploads/2017/05/NB-iot.png)

Abbildung 7: A Wireless Communication System (https://www.lynda.com/Software-Development-tutorials/Wireless-communication- basics/533280/608397-4.html)

Abbildung 8: Types of Communication Connections (https://www.lynda.com/Software-Development-tutorials/Wireless-communication- basics/533280/608397-4.html)

Abbildung 9: Network Architecture (https://www.lynda.com/Software-Development-tutorials/LTE-based-IoT-wireless- networks/533280/608418-4.html)

Abbildung 10: A technology and business model for the mass IoT (https://www.youtube.com/watch?v=vqHOyQK6jJ8)

Abbildung 11: LPWA will represent 20 to 25% of the IoT connectivity market by 2025 (https://www.youtube.com/watch?v=vqHOyQK6jJ8)

Abbildung 12: Deutsche Telekom NB-IoT Roll-Out Plans (https://www.youtube.com/watch?v=dLup1xQFYTQ)

Abstract

Das Internet of Things (loT, auf Deutsch: Internet der Dinge) ist einer der größten Digitalisierungstreiber und in fast allen Branchen angekommen. Doch die Herausforderungen sind komplex, da noch, bevor es zur eigentlichen Umsetzung kommen kann, die Basis in Form von verlässlichen und vor allem zukunftsfähigen Technologien gelegt werden muss. Bei einer dieser Technologien handelt es sich um Narrowband-IoT, welches in der Zukunft bis zu Millionen von Geräten vernetzen, und hierbei eine hohe Reichweite und niedrigen Energieverbrauch gewährleisten soll. Die vorliegende Arbeit wird zunächst mit einer Einleitung zu den Anforderungen an den Markt der Zukunft, in Bezug auf IoT, beginnen. Danach folgen eine Definition und die Zielsetzung dieser Technologie. Im Anschluss werden einige Szenarien aufgezeigt, in denen NB-IoT eingesetzt werden kann. Im darauffolgenden Kapitel wird auf die Komponenten eingegangen, mit denen NB-IoT implementiert wird und zudem ein Überblick über den technischen Ablauf der Kommunikation gegeben. Danach wird erläutert wie sich NB- IoT im Markt einordnet und welche Herausforderungen es hat und ein Fazit gezogen.

1. Einleitung

Im Zeitalter des Internet of Things (IoT) wird alles miteinander verbunden, was irgendwie sinnvoll vernetzt werden kann. Während beim Internet of People (IoP) noch der Zweck war, Menschen untereinander zu vernetzen, liegen in der nächsten digitalen Revolution Maschinen im Fokus. Diese sollen mit Sensoren und Modulen ausgestattet werden, die die Basis für die vernetzte Gesellschaft legen sollen. Diese müssen meist lediglich eine kleine Menge an Daten, frequentiert, an einen Empfänger senden, der diese weiterverarbeiten kann. Als passendes Medium für diese M2M (Machine to Machine) Kommunikation eignen sich hierfür drahtlose Netzwerke, wie zum Beispiel das Mobilfunknetz. Aber obwohl dieses eine gute Abdeckung bietet, sind WLAN, Bluetooth und co. nicht dafür ausgelegt auf Dauer nur eine kleine Menge an Daten über viele Kilometer hinweg hin und her zu versenden. Einerseits würde zu viel Energie verbraucht werden, weil man, die vorhandenen Netze, welche auf hohe Datenraten ausgelegt sind, nicht vollends ausreizen würde - diese Ineffizienz würde in höhere Kosten münden. Des Weiteren würde die Infrastruktur früher oder später unter der Last der zunehmenden Anzahl an Geräten und Sensoren zusammenbrechen. Aus diesem Grund wurden Netzwerke entwickelt, die eine noch höhere Abdeckung bei niedrigem Stromverbrauch bieten sollen - die sogenannten Low Power Wide Area Networks (kurz: LPWANs, auf Deutsch: Niedrigenergie-Weitverkehr-Netzwerke)1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Abbildung 1 sind vier Ziele genannt, die ein LPWA-Protokoll erfüllen soll. Hierzu zählen eine ununterbrochene Batterielaufzeit von 10 Jahren zu gewährleisten, eine Reichweite von mindestens zehn Kilometern zu erreichen, Anschaffungskosten für Module sollen sich auf maximal 10$ belaufen und pro Stunde sollten nicht mehr als 10 Bytes übertragen werden.

Ein Netzwerk was auf diesem LPWA-Protokoll basiert, ist Narrowband-Internet of Things (kurz: NB-IoT) und bedeutet übersetzt Schmalband-Internet der Dinge. Im Bereich der Kommunikationstechnik beschreibt der Begriff Schmalband, einen Übertragungskanal mit sehr geringer Bandbreite, der im Niedrigfrequenzspektrum Daten überträgt.

1.1 Definition

NB-IoT wurde von 3GPP, und den Firmen Huawei und Ericsson entwickelt und wurde im Rahmen des 3GPP-Release 13 im Juni 2016 als Kommunikationstechnologie standardisiert - dort offiziell unter dem Namen LTE Cat NB. Bei der 3GPP handelt es sich um das 3rd Generation Partnership Project, einer weltweiten Kooperation von Standardisierungsgremien für die Standardisierung im Mobilfunk, die sich für die stetige Entwicklung dessen einsetzen.1 Wie der Name LTE Cat NB vermuten lässt, handelt es sich hierbei um eine Technologie, welche auf LTE aufbaut. Es wurde spezifisch im Hinblick auf die Anforderungen an den zukünftigen Markt, bezüglich einer effizienten Lösung für IoT, entwickelt. Abgezielt hat man es vor allem auf ressourcenbeschränkte Geräte, zum Beispiel eine geringe Rechenleistung haben, oder, mit der Netzwerkanbindung Probleme haben - aber auch Probleme mit der Akkulaufzeit zählen hierzu. Des Weiteren spielen mögliche hohe Latenzzeiten keine Rolle.

NB-IoT erfüllt diese Anforderungen. Zunächst einmal arbeitet es im Niedrigfrequenzbereich, was vor allem interessant für Endgeräte ist, die geringe Datendurchsatzmengen haben und nicht fortlaufend Daten übertragen müssen. Damit einhergehend wird ein geringer Energieverbrauch ermöglicht. Außerdem werden eine hohe Reichweite sowie eine tiefe Gebäudedurchdringung erreicht, sodass selbst ein Austausch zu Geräten in vorher schwer abdeckbaren Gebieten möglich wird. Weitere Vorteile kann man Abbildung 2 entnehmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Vorteile NB-IoT – Infografik

Anhand Abbildung 3 hat man eine bessere Vorstellung wie sich NB-IoT bzw. die Gruppe der LPWA-Netzwerke im restlichen Spektrum der Drahtlosnetzwerke einordnen lassen. Während es sich bei WiFi um einen Standard handelt, der keine hohe Reichweite besitzt und zusätzlich viel Strom verbraucht, konsumieren Technologien wie Bluetooth und co. weniger Strom. Das Mobilfunknetz erreicht zwar eine hohe Reichweite, jedoch schaffen es nur LPWANs zusätzlich wenig Strom zu verbrauchen. Somit ergänzen sie den Markt sinnvoll.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Drahtlostechnologien am heutigen Markt (Stand 2017)

Abbildung 4 zeigt eine Übersicht der Spezifikationen, mit denen NB-IoT ausgestattet ist. Die Netzabdeckung beläuft sich auf 164 dB, wohingegen noch diese bei GSM (2G) auf 144 dB belief. Dies entspricht umgewandelt einer siebenmal größeren Reichweite. Ebenfalls handelt es sich, wie bei LTE, um eine lizenzierte Frequenz, was Stabilität hinsichtlich der Verbindungen bedeutet. Duty Cycle-Einschränkungen, also die Pflicht, pro Tag eine bestimmte Anzahl an Rückmeldungen an das Netzwerk zu senden, gibt es ebenfalls keine, was für mehr Flexibilität spricht. Beim Downlink und Uplink können maximal jeweils bis zu 200 kbit/s bzw. 180 kbit/s erreicht werden (diese Begriffe werden im späteren Verlauf der Arbeit erläutert). Die Batterielaufzeit läuft bei einem täglichen Senden von 200 Byte pro Tag auf 15 Jahre, was in Einklang mit der Definition von 3GPP über LPWANs ist. Weiterhin beliefen sich die Kosten, Stand 2017, noch auf 6$ pro Gerät und geplant ist, dass dies im Laufe des kommenden Jahres auf unter 2$ sinken soll. Eine hohe Sicherheit ist aufgrund der LTE-Sicherheitsstandards gegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Wichtige technische Spezifikationen für NB-IoT

1.2 Mögliche Anwendungsszenarien

Im ersten Kapitel wurde erläutert, mit welchem Hintergrundgedanken NB-IoT konzipiert und entwickelt wurde. Im folgenden Abschnitt werden nun einige Anwendungsszenarien vorgestellt, die ein direkt von einem Arbeiten mit NB-IoT profitieren können.

Mögliche Einsatzfelder lassen sich im Wesentlichen in sechs Bereichen finden, wie man Abbildung 5 entnehmen kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Mögliche Einsatzfelder von LPWA sind

So können im Logistiksektor Geräte und Sensoren eingesetzt werden, um die „just-in-time- Produktion" weiter zu optimieren. Man könnte so das Tracking (auf Deutsch: Verfolgen) von beispielsweise Frachtcontainern dafür nutzen, um eine permanente Lokalisierung möglich zu machen. Verbraucher könnten davon profitieren, die Lieferkette der gewünschten Ware in Echtzeit zu überwachen und bei Problemen, Verlust oder Verzögerungen schnell reagieren. Im Bereich Smart Metering und Smart Grids bieten sich diverse Einsatzmöglichkeiten. Zwei konkrete Beispiele stellen hierbei Gas- und Wasserzähler dar. Solche können unter Kanaldeckeln oder in Gebäudekellern untergebracht sein, wo der Mobilfunkempfang meist unzuverlässig ist. Des Weiteren sind diese nicht am Strom angeschlossen. Aus diesem Grund würden batteriebetriebene NB-IoT-Module eine ideale Lösung zur Überwachung darstellen. Zudem hätte es den Vorteil, dass die Anbieter die Werte auch ablesen könnten, ohne dass der Kunde hierfür Zuhause sein muss. Auch in der Landwirtschaft werden Geräte eingesetzt, die ohne Stromzugang arbeiten müssen - zum Beispiel in der Präzisionslandwirtschaft, wenn der Zustand des Ackers überwacht werden muss - und dabei eine Laufzeit von mehreren Jahren anstreben müssen. Aber auch Anwendungsfälle, die erfordern, dass man in unbewohnbaren Gebieten Wettermessungen vornehmen muss, würden direkt durch die erhöhte Reichweite profitieren können. Nach dem gleichen Prinzip wie beim Smart Metering könnten auch Applikationen im Bereich Smart Building von NB-IoT profitieren, so wie es u.a. der Fall bei Alarm- und Rauchmeldern ist. Diese werden in Massen produziert und erfordern ein manuelles Überprüfen von Personal in einem regelmäßigen Abstand. Durch eine batteriegestützte Vernetzung könnte man Kosten für dieses einsparen und die Werte als Anbieter auch von außerhalb erfassen. Eines der größten Einsatzfelder findet sich bei Anwendungen einer Smart City. Diese verfolgt das Ziel, den Alltag in urbanen Räumen effizienter zu machen und hierbei stellt NB-IoT eine passende Lösung dar. Angefangen beim sogenannten Smart-Parking (auf Deutsch: Intelligentes Parken), einem intelligenten Parkleitsystem, welches Autofahrer auf dem kürzesten Weg zum nächsten freien Parkplatz führen soll. Die Messgeräte dieses Systems müssen nur ein Signal übermitteln, ob ein Parkplatz verfügbar ist oder nicht, und dies muss zudem nicht permanent und in Echtzeit erfolgen. Weiterhin gibt es das Konzept des Smart-Waste-Managements (auf Deutsch: Intelligente Müllversorgung), einem intelligentem Abfallmanagement-System, welches dafür sorgen soll, dass Mülltonnen nicht mehr nach einem festen Zeitplan, sondern nur noch in Abhängigkeit von ihrem Füllstand geleert werden. Hierdurch könnten die Fahrtrouten der Müllfahrzeuge reduziert, und Zeit und Kosten gespart werden. Zuletzt noch könnte man Straßenlaternen vernetzen und diese aus der Ferne bedienen. In Abhängigkeit von den Bewegungen von Fußgängern, Fahrradfahrern und Autos könnte man je nach Fall die Helligkeit anpassen und dafür sorgen, dass Defekte sich selbstständig melden würden. Dies mit NB-IoT ausgestattet, würde für eine angepasste Betreibung der Straßenbeleuchtung sorgen, was den Stromverbrauch, Wartungskosten sowie Lichtverschmutzung senken würde.2

2. Implementierung von NB-IoT

Um NB-IoT für eine Funkzelle zu aktivieren, reicht es, wenn man ein Software-Upgrade auf eine LTE-Basisstation aufspielt. Danach muss seitens des Verbrauchers nur noch ein NB-IoT-Modul angeschafft werden, welche mit SIM-Karten ausgestattet werden. Diese bringen durch die 3GPP entwickelte Sicherheitsstandards mit, wie sie auch bei LTE genutzt werden, wie zum Beispiel Datenverschlüsselung. Die Nutzung einer von der 3GPP standardisierten SIM hat den Vorteil, dass auch ein internationaler Einsatz ermöglicht wird.3

Um NB-IoT nun an einer LTE-Basisstation zu integrieren, stehen drei Optionen zur Verfügung, wie man Abbildung 6 entnehmen kann. Diese sind entweder die „in-band" (auf Deutsch: Im Band), die „guard-band" (auf Deutsch: Schutzband) oder die „standalone" (auf Deutsch: Eigenständig) Installation. Bei den ersten beiden Varianten handelt es sich um die Fälle, auf denen die meisten Use-Cases in Zukunft setzen werden, da die dritte die Kostspieligste von ihnen ist.4 Bei der „in-band"-Installation wird hierbei in die LTE-Systembandbreite von 20 MHz ein 200 kHz NB-IoT-Band eingesetzt. Bei einer „guard-band"-Installation geschieht dies wiederum im Schutzband, welches ohnehin ein ungenutzter Bereich zwischen zwei benachbarten Funkbereiche ist. Bei der letzten Form der Installation, der „standalone"- Installation, wird das Band in das Spektrum des GSM-Bandes eingesetzt.5

2.1 Technischer Hintergrund

Nachdem im vorherigen Kapitel erklärt wurde, wie die Installation von NB-IoT an eine LTE- Basisstation abläuft, möchte ich nun die Kommunikation zwischen Endgeräten und den Empfängern, mittels NB-IoT, erläutern.

Grundsätzlich werden bei der drahtlosen Kommunikation elektromagnetische Funkwellen verwendet, um Daten von einem Transmitter (auf Deutsch: Funksender) zu einem Receiver (auf Deutsch: Funkempfänger) zu übertragen. Das hierbei verwendete Übertragungsmedium ist Luft, weswegen man diese Art von Übertragung auch „over the air" nennt. Die elektromagnetischen Wellen erstrecken sich von 3 Hz (Hertz) bis hin zu 3 THz (Terahertz). Hierin arbeiten die aus dem Alltag bekannten Standards, wie Radiowellen, welche im Niedrigfrequenzsektor anzufinden sind, aber auch WiFi, Bluetooth, das Mobilfunknetz und entsprechend die LPWA-Technologien, wie NB-IoT.6

Nun wird anhand Abbildung 7 die Kommunikation zwischen zwei Geräten näher erläutert. Beide besitzen jeweils eine Funkschnittstelle mit dazugehöriger Antenne. Hierbei fungiert jeweils eine Schnittstelle hauptsächlich als Transmitter, während die andere die Rolle eines Receivers annimmt. Die zu übertragenden Daten sind im Speicher des Receivers gespeichert. Wenn nun eine Übertragung stattfinden soll, werden diese Daten vom Speicher des Ausgangsgeräts an das Funkempfängermodul desselbigen weitergegeben. Dieses wandelt dann die Daten in Funksignale um und kann diese dann über die Antenne „over the air" übertragen. Ist die Antenne des Receivers auf die gleiche Frequenz gestellt, kann diese die Funksignale empfangen und entsprechend verarbeiten.

[...]


1 Vgl. (Flynn, Kevin, 2015, o.S)

2 Vgl. (Deutsche Telekom AG, 2017, S. 8 f.)

3 Vgl. (Deutsche Telekom AG, 2019, S. 10 f.)

4 Vgl. (Vodafone Gruppe, 2017, S.10)

5 Vgl. (SmartMakers GmbH, 2018, S. 10 f.)

6 Vgl. (DATACOM Buchverlag, 2019, o.S.)

Ende der Leseprobe aus 16 Seiten

Details

Titel
Narrowband-IoT. Implementierung auf dem Markt und Herausforderungen
Hochschule
Technische Hochschule Mittelhessen
Veranstaltung
Wirtschaftsinformatik-Seminar l (Proseminar)
Note
1,4
Autor
Jahr
2019
Seiten
16
Katalognummer
V993040
ISBN (eBook)
9783346366511
ISBN (Buch)
9783346366528
Sprache
Deutsch
Schlagworte
narrowband-iot, implementierung, markt, herausforderungen
Arbeit zitieren
Ehsan Omid (Autor:in), 2019, Narrowband-IoT. Implementierung auf dem Markt und Herausforderungen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/993040

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