Narrowband-IoT: Internet of Things - ?· Narrowband-IoT: Internet of Things Narrowband-IoT ist die neue…

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<ul><li><p>Narrowband-IoT: Internet of Things Narrowband-IoT ist die neue standardisierte Technologie fr Ihre IoT- Projekte </p><p> Vodafone </p><p>Power to you </p></li><li><p>Zusammenfassung Mit diesem Whitepaper bekommen Sie einen berblick ber Narrowband-IoT (NB-IoT). </p><p>Diese Kommunikationstechnologie ist die Grundlage fr das Maschinen-Netz der Zukunft. </p><p>Industrielle Qualitt ist der zentrale Bestandteil von NB-IoT. Sie macht IoT massentauglich </p><p>und erweitert die Mglichkeiten des Internet of Things. </p><p>Was ist NB-IoT? </p><p>Narrowband IoT ist eine Technologie, die das Internet of Things (IoT) verndern wird. Sie basiert auf Low Power </p><p>Wide Area (LPWA), einer drahtlosen Kommunikationstechnologie, die bestimmte Anforderungen voraussetzt: </p><p>geringer Energieverbrauch der Gerte, bertragung kleinerer Datenmengen auf lngeren Distanzen sogar unter der </p><p>Erde, und optimale Stabilitt und Zuverlssigkeit bei der IoT-Kommunikation. Zur Erfllung dieser LPWA-</p><p>Anforderungen wurde eine Reihe verschiedener Technologien entwickelt, unter anderem auch NB-IoT. Somit ist NB-</p><p>IoT eine 3GPP-standardisierte Kommunikationstechnologie, die Merkmale von LPWA erfllt. Dieser neue 3GPP-</p><p>Standard bietet die Mglichkeit, Dinge zu verbinden, die zuvor nicht verbunden werden konnten. Sie bietet </p><p>bestmgliche Sicherheit bei der Daten-bertragung durch Ende-zu-Ende-Verschlsselung. Das lizensierte Spektrum </p><p>garantiert eine qualitativ hochwertige bertragung der Daten. Wir sind berzeugt, dass vor allem NB-IoT den </p><p>massentauglichen Einsatz von IoT ermglichen wird. </p><p>LPWA-Technologien haben folgende Merkmale: </p><p>Ausgezeichnete Gebude-</p><p>Durchdringung mit einer besseren </p><p>Netzabdeckung um 20dB. </p><p>Hohe Energieeffizienz durch </p><p>geringen Energieverbrauch. Eine </p><p>Batterieladung luft ber 10 Jahre. </p><p>Massive Skalierbarkeit, denn </p><p>Millionen Gerte knnen in nur </p><p>einem System vernetzen werden. </p><p>Modul und Hardwarekosten </p><p>sinken auf unter 10$. </p><p>Geringe Bandbreite, da ein Gert </p><p>wenige Bytes/Tag bermittelt. </p><p>Mehr zu LPWA, NB-IoT und Konkurrenztechnologien finden Sie auf Seite 4. </p><p>Narrowband-IoT 2 </p><p>2017 </p><p>http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1785-nb_iot_complete</p></li><li><p>Zusammenfassung </p><p>Das IoT entwickelt sich rasant weiter. Es erfordert hohe Effizienz und flexible </p><p>Skalierbarkeit der Kommunikation. NB-IoT erfllt beide Anforderungen: hervorragende </p><p>Reichweite, eine hohe Durchdringung und eine lange Batterielebensdauer zum niedrigen </p><p>Preis. </p><p>1 Technologie in Industriequalitt </p><p> Netzabdeckung berall: NB-IoT bietet eine gute </p><p>Netzabdeckung in schwierigen Umgebungen, die fr </p><p>LPWA-Anwendungsflle prdestiniert sind. Wie bei 3G </p><p>und 4G werden lizenzierte Frequenzbnder genutzt. </p><p>NB-IoT wird so kaum durch Strungen beeintrchtigt. </p><p> Schnellerer Datendurchsatz ohne </p><p>Nutzungsbeschrnkungen: Fr NB-IoT gibt es keine </p><p>rechtlichen Einschrnkungen, z.B. wie oft jedes Gert </p><p>Daten bertragen (Duty Cycle) muss. Und es muss auch </p><p>nicht zwangslufig pausieren. Das schont den </p><p>Energieverbrauch und erleichtert die </p><p>Planungssicherheit fr die Zukunft. </p><p> Flexible Energieverwaltung fr eine </p><p>Betriebsdauer von mehr als 10 Jahren: Trotz der </p><p>hohen Netzabdeckung und starken Leistung bietet </p><p>NB-IoT eine vergleichbare Batterielaufzeit zu anderen </p><p>LPWA-Technologien. Das liegt u.a. an den innovativen </p><p>Stromsparmodi. Sie bertragen die Daten (Chatter) </p><p>bers Netz besonders effizient. </p><p> Einfache Designs fr Kosteneffizienz: NB-IoT ist auf </p><p>die Minimierung der Hardware-Kosten ausgelegt. Dies </p><p>gilt sowohl fr die Kosten der Chips als auch fr die </p><p>Kosten der Antennen und Sensoren. Die Kosten sinken </p><p>laut ersten Prognose auf unter 2 $ in den nchsten </p><p>Jahren. </p><p> Weitere Infos, finden Sie auf Seite 6. </p><p>2 Anwendung in der Praxis </p><p> Fr Netzbetreiber schnell und flexibel </p><p>bereitzustellen: NB-IoT kann ber </p><p>Softwareupgrades innerhalb des bestehenden </p><p>LTE-Netzes aktiviert werden. Somit ist es nicht </p><p>ntig, ein neues Netz aufzubauen. </p><p> Breite Marktuntersttzung als offener 3GPP-</p><p>Standard: NB-IoT ist ein offener Standard. Er wird von </p><p>vielen Netzbetreibern und Hardware-Herstellern </p><p>untersttzt. NB-IoT ist stark skalierbar und auf dem </p><p>Weg, sich langfristig weltweit durchzusetzen. </p><p> Einfache Integration in herkmmliche </p><p>kosysteme der Mobilfunktechnik: In vielerlei </p><p>Hinsicht verhlt sich NB-IoT wie LTE und ist fr </p><p>Netzwerktechniker, Anwendungs- und </p><p>Hardwareentwickler eine vertraute Technologie. </p><p>Weitere Infos, finden Sie auf Seite 10. </p><p>3 Sicher und verfgbar </p><p> LPWA-Sicherheit: Selbst die einfachsten vernetzten </p><p>Gerte knnen Unterbrechungen in den </p><p>Geschftsprozessen verursachen, wenn es zu </p><p>Strungen in ihrer Kommunikation kommt. Sicherheit </p><p>ist entscheidend. </p><p> Andere proprietre1 LPWA-Technologien bieten </p><p>keine ausreichende Sicherheit: Whrend der </p><p>Datenverkehr bei LoRa verschlsselt wird, erfolgt bei </p><p>Sigfox keine Verschlsselung. Beide Technologien sind </p><p>dennoch anflliger fr die der Unterdrckung der </p><p>Kommunikation durch Funkstrungen (Jamming). </p><p> NB-IoT basiert auf der Authentifizierung und </p><p>Verschlsselung von LTE: NB-IoT authentifiziert Netz </p><p>und Gert gegenseitig. Und es verschlsselt den </p><p>Datenverkehr zwischen dem Gert und dem Kernnetz. </p><p>Die sichere und verschlsselte Datenbertragung der </p><p>Gerte findet mittels Anmeldung im Funknetz mit </p><p>individueller Gerteidentitt statt. </p><p>Weitere Infos, finden Sie auf Seite 14. </p><p>1 Basiert auf nicht ffentlichen Standards </p><p>Narrowband-IoT 3 </p><p>2017 </p></li><li><p>Str</p><p>om</p><p>verb</p><p>rau</p><p>ch </p><p>Warum LPWA-Technologien eine </p><p>wichtige Rolle spielen </p><p>Groe IoT-Projekte haben spezifische Konnektivittsanforderungen </p><p> Die richtige Konnektivitt kann entscheidend sein fr den Erfolg oder Misserfolg Ihres IoT-Projekts. Wir sind berzeugt, dass </p><p>NB-IoT die richtige Wahl fr die meisten LPWA-IoT-Anwendungsflle ist, da der Groteil aller IoT-Anwendungen die </p><p>gleichen grundlegenden Anforderungen an die Konnektivitt aufweisen. Ob intelligente Wasserzhler, vernetzte </p><p>Landwirtschaft, intelligente Stdte oder smarte Logistiksysteme. All diese verbundenen Gerte bentigen </p><p>folgende Eigenschaften: </p><p> Lange Laufzeiten im Einsatzgebiet: </p><p>Bodenzustands-berwachungsgerte in der </p><p>Przisionslandwirtschaft werden oft ohne Zugang </p><p>zum Strom eingesetzt. Dies erfordert eine gleich </p><p>lange Betriebslebensdauer fr Batterien und Gerte. </p><p>Das kann ein Jahrzehnt oder sogar noch lnger sein. </p><p> Tiefe Netzabdeckung: Gerte, wie Wasser- und </p><p>Gaszhler, werden unter Umstnden in lndlichen </p><p>Gebieten eingesetzt z.B. unter Kanaldeckeln oder in </p><p>Gebudekellern. Die Netzverbindung muss eine starke </p><p>Durchdringung und eine groe Reichweite aufweisen. </p><p> Skalierbarkeit zu geringen Kosten: Rauch- und </p><p>Feuermelder oder intelligente Mlleimer werden in </p><p>Massen eingesetzt. Gerte- und Verbindungskosten </p><p>mssen niedrig sein. Die Netze mssen eine hohe </p><p>Gertedichte untersttzen und gleichzeitig QoS (Quality </p><p>of Service) garantieren. </p><p> Geringe Bandbreite: Einige Gerte senden wenige </p><p>Bytes pro Tag, z.B. bermitteln intelligente </p><p>Parksensoren nur dann ein Ping-Signal ans Netz, </p><p>wenn ein Parkplatz frei wird. Hier mssen keine </p><p>Sprach- oder Duplex-Datenbertragungen untersttzt </p><p>werden. </p><p>Kein konventioneller Kommunikationsstandard erfllt diese </p><p>Kriterien. Drahtgebundene Verbindungen sind ideal fr IoT-</p><p>Bereitstellungen in Gebuden und Bros. Sie kommen aber </p><p>fr Gerte im Feldeinsatz nicht in Frage, weil es keine Kabel </p><p>oder keinen Strom gibt. Einige drahtlose Technologien, z.B. </p><p>WLAN, Bluetooth oder Zigbee, haben nicht die notwendige </p><p>Reichweite fr umfangreiche Bereitstellungen. Andere </p><p>Technologien, z.B. 3G und 4G, haben zwar eine Reichweite </p><p>von mehreren Kilometern, sind aber auf einen hohen </p><p>Datendurchsatz ausgelegt. Dadurch sind sie teuer und </p><p>brauchen viel Energie. Ein typisches 4G-IoT-Modul kostet ca. </p><p>40 $ - Es hat eine Batterielaufzeit von weniger als einem Jahr. </p><p>Fr eine Anwendung, z.B. einen intelligenten Parksensor, ist </p><p>es nicht geeignet. </p><p>Machina Research hat festgestellt, </p><p>dass es mit Stand Juni 2016 ber 40 </p><p>Millionen aktive LPWA-Endpunkte gab. </p><p>Und sagt voraus, dass LPWA-</p><p>Technologien 2024 ber die Hlfte alle </p><p>drahtlosen IoT-Verbindungen </p><p>ausmachen werden. </p><p>Was ist LPWA? </p><p>Fr die oben beschriebenen Anwendungen wird eine </p><p>drahtlose Technologie mit geringem Energiebedarf, </p><p>geringen Kosten und groer Reichweite bentigt. Dies ist </p><p>einer der Grnde fr die Entwicklung von LPWA (Low-Power </p><p>Wide-Area). LPWA unterliegt keiner genauen Definition. </p><p>Nach einer Faustregel soll ein LPWA-Gert eine Lebensdauer </p><p>von 10 Jahren im Feldeinsatz gewhrleisten und eine </p><p>Verbindung von bis zu 10 km zur Basisstation herstellen </p><p>knnen. Auerdem soll das Modul unter 10 $ kosten und </p><p>weniger als 10 Byte pro Stunde bertragen. Jede Funkzelle </p><p>bzw. Basisstation sollte ber 10.000 Gerte untersttzen </p><p>knnen. </p><p> WLANs </p><p>Wi-Fi </p><p>HiperLAN </p><p>Drahtlos mit </p><p>kurzer </p><p>Reichweite </p><p>Bluetooth IEEE </p><p>802.15.4 </p><p>ZigBee </p><p>Z-Wave </p><p>Mobilfunk </p><p>2G, 3G, 4G </p><p>Low Power Wide Area (LPWA) </p><p> 10 m 100 m 1 km 10 km </p><p>Reichweite </p><p>Narrowband-IoT </p><p> 4 </p><p>2017 </p></li><li><p>LPWA-Technologien im berblick</p><p>Um diese oder hnliche Kriterien zu erfllen, werden viele </p><p>verschiedene Technologien entwickelt. Gefrdert von </p><p>Privatunternehmen, Konsortien, Normungsgremien und </p><p>Allianzen. Weightless, DASH 7, 802.11ah, Ingenu, LTE-M, </p><p>EC-GSM-IoT diese und viele andere Technologien </p><p>kmpfen aktuell stark um Marktanteile. Sie nutzen oft </p><p>unterschiedliche Konzepte, um mglichst alle Kriterien </p><p>fr LPWA-Anwendungsflle erfllen zu knnen, wie z.B. </p><p>Verwendung eines offenen Standards oder der Aufbau </p><p>von proprietren Technologie-Stacks. </p><p> Allerdings haben sich einige Technologien, insbesondere </p><p>Sigfox, LoRa und NB-IoT, als Spitzenreiter bei LPWA </p><p>bewhrt. Diese werden in mehreren ffentlichen Projekten </p><p>eingesetzt und haben eine ausreichende technische Reife </p><p>mit hinreichender Marktuntersttzung. So werden diese </p><p>Technologien von Unternehmen, die LPWA-IoT-Projekte </p><p>entwickeln, bereits angewandt. </p><p>Welche ist die richtige Technologie fr die </p><p>Konnektivittsanforderungen Ihres LPWA-Projekts? Und </p><p>welche ist die sicherste Option, auf die Ihr Unternehmen </p><p>langfristig setzen sollte? Schlielich basieren Ihre </p><p>Geschftsszenarien auf Gerten, die Sie ein Jahrzehnt oder </p><p>lnger im Einsatz betreiben werden. </p><p> Wir haben alle LPWA-Technologien geprft, die </p><p>zurzeit in der Entwicklung sind. Und uns fr NB-IoT </p><p>entschieden. Aus der berzeugung heraus, dass </p><p>globale Standardtechnologien zuknftig die beste </p><p>Mglichkeit sind, um Sicherheit, Interoperabilitt, </p><p>Skalierbarkeit, Quality of Service (QoS) und </p><p>Langlebigkeit zu garantieren. Speziell NB-IoT ist auf </p><p>LPWA-Anforderungen ausgelegt. </p><p>LPWA-Standards </p><p>3GPP DASH7 Alliance ETSI IEEE IETF LoRa Alliance Weightless SIG </p><p>Enhanced MTC </p><p>(eMTC) </p><p>DASH 7 </p><p>Low Throughout </p><p>Networks (LTN) </p><p>802.15.4k </p><p>6LPWA/LP-WAN LoRaWAN </p><p>Weightless-</p><p>W/N/P </p><p>Extended </p><p>Coverage GSM IoT </p><p>(EC-GSM-IoT) </p><p>802.15.4g </p><p>NarrowBand-IoT </p><p>(NB-IoT) </p><p>802.11: Long </p><p>Range Low Power </p><p>(LRLP) </p><p>NB-IoT kurz zusammengefasst </p><p>NB-IoT ist eine von 3GPP entwickelte Spezifikation. Sie wurde im Rahmen des 3GPP-Release 13 im Juni 2016 </p><p>standardisiert. Es handelt sich dabei um eine Mobilfunktechnologie, die auf LTE basiert. Sie wurde fr LPWA-</p><p>Anwendungen entwickelt. Bei ihr werden lizenzierte Frequenzen in einer Vielzahl mglicher Frequenzbnder </p><p>genutzt. NB-IoT bietet gegenber GSM eine um 20 dB bessere Netzabdeckung und eine Betriebsdauer von 10 bis 15 </p><p>Jahren mit einer einzigen Batterie oder Akkuladung. Auerdem sind geringe Gertekosten und Kompatibilitt mit der </p><p>vorhandenen Mobilfunknetz-Infrastruktur ein weiterer Vorteil. Einschlielich eines hohen Sicherheitsstandards wie </p><p>ihn auch LTE bietet. NB-IoT kann in verschiedenen Frequenzbndern eingesetzt werden. Es braucht ein </p><p>eigenstndiges Netz mit einer Bandbreite von nur 200 kHz. </p><p>Narrowband-IoT 5 </p><p>2017 </p></li><li><p>1 Technologie in Industriequalitt </p><p>LPWA soll die grtmgliche Netzabdeckung bei geringstmglichem Stromverbrauch </p><p>und zu den niedrigsten Kosten bieten. Zugleich wird ein ausreichend hoher </p><p>Datendurchsatz gewhrleistet. Wir haben NB-IoT mit LoRa und Sigfox verglichen. </p><p> LoRa Sigfox NB-IoT </p><p>Netzabdeckung 160 dB 157 dB 164 dB </p><p>Technologie Proprietr Proprietr Open LTE </p><p>Frequenz Lizenzfrei Lizenzfrei Lizenziert (LTE/alle) </p><p>Duty Cycle-Einschrnkungen Ja Ja Nein </p><p>Einschrnkungen fr </p><p>Ausgangsleistung </p><p>Ja </p><p>(14 dBm = 25 mW) </p><p>Ja </p><p>(14 dBm = 25 mW) </p><p>Nein </p><p>(23 dBm = 200 mW) </p><p>Downlink-Datenrate </p></li><li><p>2. Schnellerer Datendurchsatz ohne Duty Cycle-Einschrnkungen </p><p>Viele LPWA-Anwendungsflle erfordern nur eine minimale Bandbreite. Stattdessen hat die Netzabdeckung und die </p><p>Energieeffizienz oberste Prioritt. Unter sonst gleichen Bedingungen hat es auch Vorteile, mehr Bandbreite zu nutzen. Sie </p><p>gibt Ihnen mehr Freiraum, die Nutzung Ihrer Technologie in den kommenden Jahren weiterzuentwickeln. Noch wichtiger: </p><p>Sie sorgt auch dann fr eine ausreichende Leistung, wo groe Reichweiten gebraucht werden. </p><p> NB-IoT hat einen theoretischen Bandbreitenvorteil gegenber Sigfox und LoRa. Denn die Downlink-Raten liegen bei bis zu </p><p>235 kbit/s bei eigenstndiger Bereitstellung. Im Vergleich dazu liegt die maximale Datenrate von LoRa bei 27 kbit/s. In den </p><p>uersten Grenzbereichen der Netzabdeckung, mit einem Signal-Rausch-Verhltnis von -12,6 dB, bertrgt eine </p><p>eigenstndige Bereitstellung von NB-IoT 3 kbit/s im Downlink, s. Abbildung 3. Es gibt also einen erheblichen </p><p>Geschwindigkeitsabfall aufgrund von Wiederholungen. bertrgt man die gleiche Art der Signalabschwchung auf eine </p><p>langsamere Technologie, wie Sigfox und LoRa, fallen die Datenbertragungsraten auf nahezu 0. </p><p>Gut Zellenrand Tiefe </p><p>ANetzabdeckung </p><p>Extreme </p><p>NNetzabdeckung Netzabdeckung+1</p><p>0 dB </p><p>Netzabdeckung </p><p>+20 dB </p><p> SRV &gt; 7,4 dB SRV = 7,4 dB SRV = -2,6 dB SRV = -12,6 dB </p><p>Downlink (kbit/s) 235 75 34 3 </p><p>Abb. 3 Downlink-Durchsatz von NB-IoT bei verschiedenen Stufen der Netzabdeckung (aus R1-157741, Summary of NB-IoT </p><p>evaluation results, 3GPP RAN1#83, Nov. 2015). </p><p>Die wichtigste Bandbreitenbeschrnkung bei LoRa und Sigfox besteht darin, dass sie in den lizenzfreien Frequenzbndern </p><p>hinsichtlich des Duty Cycle groen rechtlichen Einschrnkungen unterliegen. Und zwar des Prozentsatzes der Zeit, die ein </p><p>Kanal im Netzwerk aktiv belegt werden darf. Die Duty Cycle-Einschrnkungen liegen blicherweise bei 1 %. </p><p> Wie wirkt sich das auf die tatschliche Datenbertragung mit Sigfox aus? Eine Sigfox-Nachricht hat einen maximalen </p><p>Nutzinhalt von 12 Byte. Ihre bertragung dauert 6 Sekunden. Bei einem Duty Cycle-Maximum von 1 % kann ein Sigfox-Gert </p><p>bis zu 144 Nachrichten pro 24-Stunden-Zeitraum senden. Das entspricht einem tglichen Datenmaximum von ca. 1,6 KB. </p><p> Bei der normalen Nutzung, bei der ein Gert lediglich tglich eine Datenmenge mit wenigen Bytes, z.B. Statusmeldungen, </p><p>senden soll, ist das kein Problem. Doch es ist ein limitierender Faktor in Zeiten hoher Aktivitt. Gerade dann, wenn ein </p><p>hoher Prozentsatz von Datenpaketen aufgrund von Strungen nochmal gesendet werden muss. Oder wenn unter </p><p>auergewhnlichen Umstnden, z.B. beim Schlieen einer Sicherheitslcke, neue Firmware an ein Gert bertragen wird. </p><p>Hohe Netzlast verursacht Strungen bei LoRa </p><p>Wie bei allen Funknetzen lsst die Leistung von LoRa nach, je weiter sich die Funkmodule vom Gateway oder der </p><p>Basiss...</p></li></ul>

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