M2M/IoT per Mobilfunk: Ein Funkmodul für alte und neue Standards

Funkmodul BG95 von Quectel für LTE-Cat-NB1, LTE-Cat-M1 und GPRS/GSM.
Funkmodul BG95 von Quectel für LTE-Cat-NB1, LTE-Cat-M1 und GPRS/GSM.

Nachfolger von GPRS (GSM) sollen LTE-Cat-NB1 und LTE-Cat-M1 werden. Die beiden noch relativ neuen LTE-Standards werden schrittweise von ersten Mobilfunknetzbetreibern eingeführt. Für viele Jahre werden aber Lücken im LTE-Netz bleiben – gut wenn das Funkmodem dann auf GSM umschalten kann.

GPRS (General Packet Radio Service), LTE-Cat-NB1 und LTE-Cat-M1 ist gemeinsam, dass sie von der 3GPP (3rd Generation Partnership Project) spezifiziert wurden und somit weltweit unterstützt werden. Mit GPRS konnten bisher die Mobilfunknetze in unzähligen Ländern in nur vier GSM-Bändern für die Datenübertragung genutzt werden. Nun beginnt langsam der Abschied. GSM wurde z.B. in den USA bereits außer Betrieb genommen. Australien und Singapur folgen und die Swisscom in der Schweiz will GSM nur noch bis 2020 unterstützen.
Dabei hat die Europäische Union gerade erst das Kfz-Notrufsystem eCall auf der Basis von GSM eingeführt. In Deutschland ist in den nächsten zehn Jahren keine GSM-Abschaltung zu erwarten.

In USA setzt Verizon vollständig auf LTE. AT&T hat sein GSM-Netz abgeschaltet und nimmt dafür LTE in Betrieb. Das UMTS-Netz (Universal Mobile Telecommunications System) bleibt dort parallel bestehen. Beide Mobilfunknetzbetreiber unterstützen LTE-Cat-M1 aus der LTE-Spezifikation Version 13. Bei LTE-Cat-M1 wurde gegenüber LTE die Datenrate gedrosselt, die Diversity-Antenne für den Empfänger abgeschafft und die Bandbreite auf 1,4 MHz begrenzt. Obendrein wurden diverse Stromsparmodi eingeführt, die es so vorher nicht gab. Ziel sind zehn Jahre Betrieb von einer Batterie bei einmal senden am Tag. Des Weiteren wurde die Leistungsübertragungsbilanz (Link Budget) im Vergleich zu GSM erhöht. Die Reichweite der Basisstation wird damit größer, bzw. die Durchdringung in Gebäuden wird besser. Das hilft beim Auslesen von Zählern im Keller, aber auch beim Notruf aus der Tiefgarage.
LTE-Cat-M1 wird in Deutschland bisher nicht in Betrieb genommen. Deutsche Mobilfunknetzbetreiber rüsten ihre Netze auf LTE-Cat-NB1 auf, auch als NB-IoT bekannt. LTE-Cat-NB1 begnügt sich mit 180 kHz Bandbreite und kann außerhalb des LTE-Trägers betrieben werden. Es erfordert ebenfalls nur einen Antennenanschluss beim Empfänger und bietet eine noch bessere Leistungsübertragungsbilanz als LTE-Cat-M1. Im Vergleich zu GPRS bietet LTE-Cat-NB1 eine um 20 dB höhere Leistungsübertragungsbilanz – 6 dB bedeutet in der Praxis eine Verdopplung der Reichweite. Ein Notruf aus dem zweiten Untergeschoss einer Tiefgarage ging mit GPRS nicht. Mit LTE-Cat-NB1 sieht es da schon viel besser aus. Da hier mit weniger Datenrate als bei LTE-Cat-M1 übertragen wird, kann in den Funkmodems auch am Speicher und am µC gespart werden. Es ist zu erwarten, dass die Preise für Funkmodule für LTE-Cat-NB1 auf dem Niveau der bisherigen GSM-Funkmodule liegen werden, bei ca. sechs US-Dollar. Die neuen Stromsparmodi bieten zudem viel längere Standzeiten. Ein LTE-Cat-NB1-Funkmodul meldet sich z.B. im Netz nicht ab und muss sich beim erneuten Erwachen auch nicht wieder anmelden.

Ableger des LTE-Standards für IoT-Applikationen

Der Nachteil von LTE-Cat-NB1 ist, dass es leider noch nicht verfügbar ist. Eine Schwalbe bzw. eine Telekom-Basisstation in Berlin macht noch keinen Sommer bzw. ein Funknetz. Bei den anderen Netzbetreibern sieht es aktuell noch nicht viel besser aus – nur Test-Betrieb in den NB-IoT-Labs.

Laut Telekom werden bis Ende des Jahres 4000 Basisstationen (BTS – Base Transceiver Station) von GSM 900 auch einen Mischbetrieb GSM 900 mit LTE 900 umgestellt. Regionen welche bisher nur per GPRS oder EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) mit Mobilfunk versorgt wurden, bekommen dann LTE. Eine solche neue LTE-Basisstation kann sicher auch LTE-Cat-NB1. Im Stadtgebiet wird LTE 800 für die Kanalbündelung (Carrier Agregation – CA) benötigt. Bei CA werden drei Träger auf LTE 800, LTE 1800 und LTE 2600 zusammengefasst um Datenraten bis 450 Mbit/s für Smartphones zu erreichen. Nebenbei kann eine solche neue LTE-Basisstation auf LTE 800 auch LTE-Cat-NB1. Telefonica und Vodafone bauen LTE-Cat-NB1 im LTE-800-Netz auf. Die Telekom plant einen Mischbetrieb auf LTE 800 und LTE 900. Und da alle drei Mobilfunknetzbetreiber in Deutschland sich um denselben Kunden bemühen, geht der LTE-Cat-NB1-Netzaufbau sicher zügig voran. Wer mit seinem LTE-Cat-NB1-Netz zuerst kommt mahlt zuerst.

In jedem europäischen Land plant mindestens ein Mobilfunknetzbetreiber LTE-Cat-NB1 einzuführen. Ein paar Netzbetreiber setzen aber nicht auf LTE-Cat-NB1, sondern nehmen LTE-Cat-M1 und wieder andere lassen sich Zeit mit dem Ausbau der neuen LTE-Technik. Wer nun Geräte für den Einsatz in ganz Europa plant oder Telematik-Geräte für Fahrzeuge entwickelt steht vor einem Problem. Für eine Kehrmaschine in deutschen Innenstädten kann ein LTE-Cat-NB1-Funkmodul vollkommen ausreichen – gleiches gilt für die in Deutschland ortsfest installierten elektronischen Verbrauchszähler für Gas, Wasser, Wärme und elektrische Energie. Ein Speditions-Lkw fährt aber Europaweit, in viele Länder. Da ist ein Funkmodem nur für LTE-Cat-NB1 ungeeignet.