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

Mit neuen Derivaten zu LTE Advanced zielen Mobilfunknetzbetreiber auf M2M-Applikationen wie energieautarke Funksensoren.
Mit neuen Derivaten zu LTE Advanced zielen Mobilfunknetzbetreiber auf M2M-Applikationen wie energieautarke Funksensoren.

Lange schien es so, dass die Mobilfunkbranche an industriellen Funk-IoT-Applikationen nicht interessiert ist. Stets lag der Fokus nur auf noch höheren Datenraten. Nun hat das 3GPP erstmals Derivate für LTE-Advanced standardisiert, speziell für die M2M-Funkkommunikation.

Seit Monaten spricht und schreibt die IoT-Welt über NB-IoT und nennt ständig weitere, ähnliche Begriffe. Die Grafik zur NB-IoT-Buchstabensuppe in Bild 1 bringt etwas Licht in das babylonisch anmutende Sprach-Wirrwarr.

Fast alle Begriffe meinen oft genau dasselbe. Um es allen recht zu machen, hat das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) nun kürzlich die Begriffe LTE Cat M1 und LTE Cat NB1 definiert.
LTE Cat M1 und LTE Cat NB1 sind Erweiterungen des bestehenden LTE-Standards. Sogar die Modulationsarten sind gleich. Das führt dazu, dass viele LTE-Basisstationen mittels Software Update um LTE Cat M1 und LTE Cat NB1 erweitert werden können. Das Low Power Wide Area Network (LPWAN) innerhalb LTE ist also bereits da. Derzeit spricht alles für einen Regelbetrieb mit LTE Cat NB1 bis zum Jahr 2018. Ein Testbetrieb bis 2017 ist denkbar.

Wie aus der Übersicht (Tabelle) zu erkennen ist, hat LTE Cat 0 eine viel schlechtere Leistungsübertragungsbilanz (Link Budget) als LTE Cat M1. Ein LTE-Cat-0-Modul kostet in der Fertigung ähnlich viel wie ein LTE-Cat-1-Modul. Obendrein sollen für LTE Cat 0 angeblich Änderungen im Funknetz nötig sein, welche Kosten verursachen. Daher ist zu vermuten, dass LTE Cat 0 sehr wahrscheinlich von den Funknetzbetreibern nicht eingeführt werden wird.

Vergleich der LPWAN-Techniken mit GSM 900

Für Sigfox und LoRa wurde in der Tabelle eine Sendeleistung von 14 dBm im 868-MHz-Band in Europa gewählt. Daraus ergibt sich dann eine Leistungsübertragungsbilanz von 151 dB bzw. 156 dB. Selbst wenn die Sendeleistung für LoRa auf 20 dBm erhöht wird, bleibt dieser Wert unter dem Wert von LTE Cat NB1. Durch den vorgeschriebenen Tastgrad (Duty Cycle) von 1 % im lizenzfreien 868-MHz-Band ist der Sendebetrieb pro Stunde auf 36 s beschränkt. Sigfox belegt das 868-MHz-Band für 6 s, um 12 Byte Nutzdaten zu versenden. Demnach kann ein Sigfox-Funkknoten sechs Meldungen pro Stunde bzw. 6 × 24 h = 144 Meldungen pro Tag an die Basisstation übertragen (Upload). Die entgegengesetzte Übertragung (Download) mit Quittungsbetrieb geht zu Lasten der 144 Meldungen. Eine Sigfox- oder LoRa-Basisstation sendet mit 27 dBm und muss sich an den vorgeschriebenen 10%-Tastgrad halten. Daraus ergibt sich, dass die LPWAN-Techniken im lizenzfreien Band nur bedingt für einen Download oder Quittungsbetrieb geeignet ist.

Hunderte von Funkknoten können zur Basisstation senden, aber die Basis eben nicht zu Hunderten von Empfängern. Bei LTE Cat NB1 gibt es diese Beschränkung nicht und bei LTE M1 ist sogar noch eine Sprachübertragung spezifiziert. Mit einer Datenrate von 48 kbit/s ist die Sendezeit bei LTE CAT NB1 für die Übertragung von 1000 Zeichen zur Basisstation (Upload) extrem kurz – was die Batterie in energieautarken Funksensorknoten schont. LoRa benötigt bei Spreizfaktor 12 dagegen ca. 1,2 s, um 20 Bytes zu senden, was selbst im Vergleich zu LTE Cat NB1 sehr langsam ist.