Brücke zwischen LTE und NB-IoT CAT M1 – der inoffizielle Nachfolger von 2G

In Australien, Amerika und Teilen Asiens sind kommerzielle CAT-M1-Netze bereits in Betrieb. In Europa werden diese spätestens mit dem Abschalten der 2G-Netze beziehungsweise weiterem Umwidmen der Frequenzen als Alternative angeboten werden.

In den USA wurden von Providern wie Verizon die alten 2G-Netze bereits 2017/2018 weitgehend abgeschaltet und die Frequenzen wurden für LTE umgewidmet. Auch in Europa bereiten sich die Provider darauf vor.

In Deutschland hat beispielsweise die Telekom Frequenzen im 1800-MHz-Bereich (ursprünglich 2G) für LTE umgewidmet. Andere werden mit Sicherheit folgen, da die Anzahl der Geräte, die über Mobilfunk kommunizieren, weiter ansteigen wird. Aus diesem Grund werden zusätzliche Frequenzen für LTE benötigt und es wird technologisch versucht, die steigenden Gerätezahlen und die Kommunikationslast auch durch technologische Diversifizierung besser zu steuern.

Im Juni 2016 hat die 3GPP – das internationale Standardisierungsgremium der globalen Mobilfunkindustrie – den sogenannten Release 13 der LTE-Spezifikation verabschiedet. Mit acht Monaten Bearbeitungszeit war das definitiv ein Rekord. Obwohl Release 13 viele technische Neuerungen und Funktionen spezifiziert, sind in der öffentlichen Wahrnehmung vor allem zwei Technologien mit Release 13 verbunden: NB-IoT und CAT M1 beziehungsweise LTE-M. Beide fokussieren auf Geräte mit niedriger bis mittlerer Datenkommunikation, die im Rahmen des Internet of Things angebunden werden sollen.

Vorweg ein kurzer Exkurs zu den Begriffen und ein Versuch der Einordnung: Im technischen Standard der 3GPP werden die Technologien als CAT NB1 und CAT M1 bezeichnet, für CAT NB1 hat sich jedoch der Marketingbegriff NB-IoT weitgehend etabliert. Bei CAT M1 wird – beispielsweise von der GSMA, der Vereinigung der Mobilfunknetzbetreiber – gerne der Marketingbegriff LTE-M genutzt, während Telekommunikationsbetreiber wie die Deutsche Telekom den technischen Begriff CAT M1 nutzt.

NB-IoT fokussiert auf Sensoren, die sehr wenige Daten über eine lange Laufzeit batteriebetrieben und ohne lokales Gateway senden wollen. CAT M1 adressiert in vielen Präsentationen ähnliche Ziele. Im ersten Moment könnte man daher glauben, beide Technologien seien gleich und es gibt auch Stimmen, die für die Existenz beider Technologien die Rivalität der dahinterstehenden Firmen verantwortlich machen. Tatsächlich gibt es jedoch konzeptionelle und technologische Unterschiede, die bei der Entscheidung für eine der beiden Technologien bedacht werden sollen:

Das oberste Ziel von NB-IoT ist es, Sensoren bei möglichst geringen Kosten (Hardware und Datenübertragung) für einen möglichst langen Zeitraum batteriebetrieben zu nutzen. Diesem Ziel werden viele Vorteile des klassischen LTE geopfert: Quality of Service, Verbindungserhalt beim Zellwechsel, direkte verschlüsselte Kommunikation mittels TLS und mehr. (Anmerkung: Auch wenn NB-IoT technisch in der Lage ist, TCP/TLS-Kommunikation zu ermöglichen, ist es aufgrund der Nachteile wie höherer Stromverbrauch und höhere Kommunikationskosten nicht zu empfehlen und wird von einigen Providern auch nicht aktiv unterstützt.)

CAT M1 hingegen versucht eine Brücke zwischen LTE und NB-IoT zu schlagen, indem es an einigen Stellen sinnvolle Reduktionen vornimmt, im Kern aber dieselben Features anbietet wie LTE. CAT M1 ist wie NB-IoT als Sub-Standard von LTE spezifiziert. Dies bedeutet zunächst, dass alle Mobilfunkbetreiber, die LTE-Netze betreiben, mit geringem Aufwand CAT M1 in ihre Netze integrieren können. Je nach verwendeter Basisstations-Technologie sind hier nur Software oder auch Hardware-Anpassungen notwendig. So war es der Deutschen Telekom in den Niederlanden möglich, ihr Netz innerhalb von 24 Stunden komplett auf NB-IoT umzustellen und in Betrieb zu nehmen. Nach eigenen Aussagen will Vodafone in Deutschland den Rollout komplett noch bis zum Ende dieses Jahres durchführen.

CAT M1 bringt alle bekannten Eigenschaften aus den bisherigen Mobilfunknetzen mit: Verschlüsselte Kommunikation mit TLS, Handover beim Zellwechsel, Sprachkommunikation, Quality of Service, um die Wesentlichen zu nennen. Gegenüber klassischem LTE sind allerdings die Datenraten niedriger, das heißt: Via CAT M1 HD-Videos zu streamen wird wohl nicht möglich sein. Up- und Download-Raten von bis zu 400 kbit/s ermöglichen es, kleinere Dateien wie Konfigurationen, kleine Bilder oder Sprachkommunikation zu übermitteln.

Durch die Nutzung der LTE-Technologie können bestimmte Probleme und Nachteile von 2G teilweise kompensiert werden. Ein wesentlicher Nachteil bei 2G war der hohe Stromverbrauch im Allgemeinen und die sogenannten Peak-Ströme im Besonderen. Dabei müssen zu bestimmten Zeitpunkten während eines Sendevorgangs sehr hohe Ströme bereitgestellt werden (bis zu 2 Ampere), was zum einen viel Kapazität aus der angeschlossenen Batterie benötigt und dadurch allgemein die Batterielebensdauer stark reduziert, und zum anderen ein aufwändigeres Hardware-Design notwendig macht, um mit diesen hohen Strömen umgehen zu können. Dieses Design erhöht einerseits die Kosten, andererseits benötigt es selbst Strom, was zu einer Art Teufelskreis beim Design führt.

Da zudem die alten 2G-Netze zunehmend abgeschaltet werden – in den USA ist dies bereits 2017 geschehen – wird die Notwendigkeit größer, auf zukunftssichere Technologien umzusteigen.