M2M-Kommunikation per LTE NB-IoT, NB-LTE oder LTE Cat NB1?

Betriebsarten bei LTE Cat NB1

Drei Betriebsarten sind mit LTE Cat NB1 möglich: „In-Band“, „Guard Band“ und „Stand-Alone“ (Bild 2). Beim In-Band-Betrieb wird einfach ein bzw. mehrere Resource Blocks (RB) vom Standard-LTE-Netzbetrieb abgetrennt. Für den Guard-Band-Betrieb werden die Lücken zwischen zwei LTE-Kanälen genutzt und im Stand-Alone-Betrieb wird außerhalb des LTE-Netzes kommuniziert. Das kann zum Beispiel ein GSM-Kanal sein. Alle Betriebsarten können nach Bedarf zu- bzw. abgeschaltet werden.

 

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Bild 2

LTE Cat NB1 erlaubt drei Betriebsarten:

 

Bei Nacht, wenn die Mehrzahl der LTE-Nutzer schläft und die Akkus der LTE-Smartphones geladen werden, stehen extrem große Netz-Übertragungskapazitäten zur Verfügung. Im Regelbetrieb, während des Tages, wurde am Beispiel London eine minimale Kapazität von 50.000 Funkknoten pro LTE-Zelle eingeplant. Die Planung basiert auf einem Durchschnittswert von 40 Funkknoten pro Haushalt.

LTE Cat NB1 bietet außerdem die Möglichkeit, Meldungen mit Prioritäten auszustatten. Bei LoRa,Sigfox und GSM gibt es dagegen keine Priorisierung.

Netzwerke

Da die Standorte der LTE-Basisstationen bereits festliegen, ist ein Netzausbau für LTE Cat NB1 mit weltweitem Roaming schnell und preiswert möglich. Kosten für neue Standorte für Basisstationen entstehen den LTE-Netzbetreibern nicht. LTE lässt sich in der Theorie in allen der über 40 verschiedenen LTE-Bänder betreiben. Die internationale Fernmeldeunion (ITU) hat die Welt bereits in drei Teile geteilt und es gibt keine Cat-1-, Cat-4- oder gar Cat-9-Module, welche weltweit arbeiten können. Manch einer sehnt sich GSM mit nur vier Bändern zurück. Im Prinzip waren es aber nie vier Bänder, da GSM 850/900 und GSM 1800/1900 fließend ineinander übergehen. Wenn alles gut läuft und kein Land ausschert, dann liegt die unterste LTE-Frequenz im Band 12 bei 699 MHz und die oberste Frequenz bei GSM 900 im Band 8 mit 960 MHz.

Modulkosten für LTE Cat M1 und LTE Cat NB1

LTE Cat NB1 ist notwendig, um die Hardware-Kosten für Geräte und den Netzbetrieb im Internet der Dinge zu senken. Die Messlatte geben GSM-Module mit einem Preis von rund 6,00 US-Dollar vor. Mehr darf ein Modul für LPWAN nicht kosten. LTE Cat NB1 steht obendrein im direkten Wettbewerb mit LoRaWAN, Sigfox und Weightless P. Um die Kosten beim Modul zu senken, wurde an vielen Stellschrauben gedreht. Alles läuft auf ein System on Chip (SoC) hinaus, bei dem ein IC alle Funktionseinheiten abdeckt. Da die Sendeleistung bei LTE Cat M1/LTE Cat NB1 auf 20 dBm bzw. 23 dBm gesenkt wurde, ist kein externer Leistungsverstärker mehr nötig. Es gibt kein MIMO (Multiple Input Multiple Output) oder Diversity und somit nur noch einen Antennenausgang. Durch den Simplex-Betrieb entfällt außerdem der Duplexer und es wird auch nur ein Oszillator benötigt. Der DSP kann kleiner ausfallen und ein ARM-Prozessorkern z.B. des Typs Cortex-M0 mit wenig Speicher reicht aus, um einen Funkknoten mit LTE Cat NB1 zu betreiben. In der Betriebsart mit einem Träger (Single Tone), kombiniert mit mehreren Maßnahmen zum Stromsparen, ist eine Batterielaufzeit von über zehn Jahren möglich – diese wird jedoch hauptsächlich durch die Selbstentladung der Batterie bedingt.

Beim Einträgerverfahren wird nur einer der zwölf Träger mit 15 kHz Bandbreite eines Übertragungsbereichs (Resource Block) mit 180 kHz Bandbreite genutzt. Die Übertragungsbereiche sind im 200-kHz-Raster mit einem Abstand von 20 kHz angeordnet. Werden mehrere Träger genutzt, lassen sich bis zu zwölf Träger zusammenfassen. 180 kHz Bandbreite bei LTE Cat NB1 ist deutlich weniger als die 1,4 MHz bei LTE Cat M1. Früher war sogar eine SMS mit 140 Zeichen oftmals bereits zu groß für eine Statusmeldung eines Telemetriegerätes.

Zur Energieeffizienz und zur Verlängerung der Batterielaufzeit tragen unter anderem eDRX (Extended Discontinuous Reception) und PSM (Power Saving Mode) bei. Des Weiteren wurde DRX (Discontinuous Reception) von 2,56 s auf ca. 10,24 s im Ruhezustand (Idle Mode) bei eDRX erweitert. DRX gibt über ein Timer-Intervall vor, in welchem zeitlichen Abstand ein Empfänger auf eine eingehende Verbindung prüft.

Der PSM wird über einen weiteren Timer gesteuert, der bestimmt, wie lange der Transmitter für Transaktionen erreichbar ist. Das Endgerät bestimmt selbstständig, wann es in den Ruhezustand geht, und ist weiterhin im Funknetz eingebucht. Die Basisstation weiß, dass es das IoT-Gerät in einigen Minuten wieder erreichen kann. Bei LTE Cat NB1 gibt es keine Sprachübertragung. Lange Pausen durch DRX und PSM sind für ein auf Sprache optimiertes Funknetz nicht zweckmäßig. Bei LTE Cat M1 dagegen wird die Sprachübertragung unterstützt.