5G-Einführung

Eine Frage des Frequenzbereichs

Von der 5G-Einführung versprechen sich viele einen Boost für IoT-Anwendungen. Doch es gibt bereits ­Breitbandalternativen, die sich für die Industrie bestens eignen. Die Frage ist: Was kann Schmalband?

Radiofrequenzen

Eine Frage des Frquenzbereichs – was kann Schmalband?

Das Internet der Dinge (IoT) gewinnt immer weiter an Bedeutung, während gleichzeitig Deutschlands Mobilfunklandkarte noch immer unangenehm viele „weiße Flecke“ aufweist. Dies soll sich mit der Einführung des neuen Mobilfunkstandards 5G, also dem LTE der fünften Generation, ändern. Doch auch hier ist Deutschland alles andere als ein Vorreiter, denn während im Frühjahr 2019 hierzulande noch die aufwendige Frequenzversteigerung lief, hatten z. B. Österreich und Südkorea bereits die ersten Standorte in Betrieb genommen. Und der flapsige Interviewkommentar von Bildungsministerin Anja Karliczek, dass schließlich nicht jede Milchkanne 5G brauche, sorgte vor allem in ländlichen Regionen für weiteren Unmut.

Obwohl die Frequenzvergabe für 5G seit Sommer 2019 besiegelt ist, zieht sich der Netzausbau in die Länge und Experten schätzen, dass gerade im peripheren Raum, wo Landwirte bereits heute digitale Konzepte aufgesetzt haben, eine großflächige Abdeckung weiter auf sich warten lässt. Doch dies bedeutet nicht zwangsläufig, dass der Vormarsch von IoT-Anwendungen blockiert wird, denn es gibt mit den Low-Power-Wide-Area-Netzen (LP-WANs) einige Alternativen, die sich ausgenommen gut für die Bedürfnisse von Industrie 4.0, Smart City oder Smart Farming eignen.

Zu den inzwischen bekannteren dürfte der schmalbandige Funkstandard Narrowband-IoT (NB-IoT) zählen. Hierbei handelt es sich um einen 3GPP-Industriestandard (Mobilfunk-Standardisierungs-Projekt, Anm. der Red.), der existierende Netzinfrastruktur wie Standorte, Basisstationen, Antennen, Backhaul und lizensiertes Spektrum nutzt, wie Jens Olejak, Leiter New Access Technologies bei der Deutschen Telekom, erklärt. „Das Internet der Dinge, ein riesiges Ökosystem aus Geräteanbietern, Branchen und Anwendungen, wächst unaufhörlich. Einfach alles kann vernetzt werden. Damit einhergehend steigt die Nachfrage nach den optimalen Bedingungen. Das passende Netz ist da der zentrale Baustein“, sagt er und fügt hinzu, dass hier NB-IoT ins Spiel komme. Da hierbei anders als bei anderen Schmalbandtechnologien lizensierte Bänder genutzt werden, könne eine große Anzahl von Geräten zuverlässig und sicher bedient werden. Die Technologie sei durch ihre besonderen Eigenschaften „ein idealer Wegbereiter“ für das Netz der Dinge, so der Experte: „Sie eröffnet ein drahtlose Zukunft mit sicherer, stabiler und robuster Konnektivität, die praktisch überall funktioniert.“ Die wichtigsten Vorteile seien geringe Kosten, eine leistungsstarke Abdeckung in Gebäuden, jahrelange Akkulaufzeiten und die Kerneigenschaft, kleine Datenmengen über lange Zeiträume hinweg an schwer erreichbare Stellen zu übertragen, führt Olejak aus. Auch sei die weltweite Roaming-Fähigkeit z. B. für die international agierende Logistikbranche von steigender Bedeutung.

Bienenstöcke mit IoT

Um die Möglichkeiten von NB-IoT zu verbildlichen, greift der Experte zu einem spannenden Beispiel: So betreibe die Telekom in Partnerschaft mit einem Imker sowohl auf dem Gelände ihrer Bonner Zentrale als auch im T-Systems Innovation Center in München smarte Bienenstöcke. Diese seien, so Olejak, mit NB-IoT-Technik ausgestattet. Intelligente Sensoren sammeln Daten – z.B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Wabenfüllstand – und übertragen diese an den Imker. Daneben arbeitet der Bonner Mobilfunkanbieter u.a. auch an einem digitalen NB-IoT-Parkservice, einer Überwachungslösung für den Zustand von Brücken, Tunneln oder Gebäuden sowie an Paletten, die über Low-Cost-Tracker Daten zu Position, Bewegung oder Temperaturverlauf melden.

Das IoT birgt viele Anwendungsfälle, doch stellt es gerade netzwerkseitig auch einige Anforderungen. Das sieht auch Peter Gaspar, Solution Architect beim österreichischen Mobilfunkanbieter A1 Digital, so. Dazu zählt er z.B. interne Netzsicherheitsregeln mit der Anforderung, IoT-Geräte mit einer Cloud zu verbinden. In anderen Fällen sei es erforderlich, die Geräte mit Batterien zu versorgen und gleichzeitig lange Lebenszeiten zu erreichen. „Wenn dann noch eine Funkverbindung an funktechnisch schwierigen Standorten notwendig ist, wird die Lösung zu einer richtigen Herausforderung“, stellt er fest. Ähnlich wie Telekom-Experte Olejak betont aber auch er die besondere Eignung der Technologie für IoT-Anwendungen, da ihre energieeffiziente Datenübertragung und robusten Mechanismen eine Übertragung auch bei schwachem Signal möglich machten. Den Hauptvorteil gegenüber nicht lizensierten Netzwerken, die diese Bedingungen zwar auch erfüllen, sieht Gaspar in der Berechenbarkeit. „NB-IoT arbeitet in einem lizensierten Spektrum. Gleichzeitig ist die Basisstation für die Netzkapazität und Priorisierung verantwortlich. Das heißt, dass Störungen und Kollisionen absolut minimiert werden. Damit ist die Datenübertragung viel verlässlicher als bei anderen Strukturen“, erklärt der A1-Fachmann. Die bereits angesprochene Standardisierung erlaube es zudem, Lösungen für den globalen Einsatz vorzubereiten, da alle Mobilfunkanbieter weltweit nach denselben Standards arbeiten und untereinander gleichzeitig die existierenden Roaming-Verträge und Netzverbindungen für NB-IoT erweitern. Gaspar ergänzt: „Funkmodule, die NB-IoT mit LTE-M (LTE für Maschinenkommunikation, Anm. d. Red.) und 2G auf einem Chip kombinieren, erlauben, noch mehr Länder mit der Lösung abzudecken.“

Ein „naher Verwandter“ des NB-IoT ist das Sigfox-0G-Netz, das auch zur LP-WAN-Familie zählt, aberzur Übertragung lizenzfreie Bänder nutzt, wie Aurelius Wosylus von Sigfox Germany betont. „0G“ erklärt er damit, dass das Sigfox-Netz öffentlich verfügbar gemacht und nur für Nachrichten von Dingen genutzt werde, die kein Breitband-Mobilfunknetz brauchen.

„Der Terminus ist zudem eine Abgrenzung zu alternativen LP-WAN-Netzen, die man selbst ausbauen und pflegen muss. Mit 0G entscheidet man sich also, Dinge an ein IoT-Netz für kleine Statusnachrichten und Alarmmeldungen anzuschließen, das überall verfügbar ist und um das man sich nicht kümmern muss“, sagt der Sigfox-CSO.

Generation null: Das 0G-Netz

Technisch gesehen könnten mit dem Netz bei geringer Sendeleistung Daten über extrem weite Strecken übermittelt werden. Zudem fallen laut Wosylus auch keine Lizenzkosten an, die auf die Kunden umgelagert werden müssen: „Das ist bei den lizensierten Mobilfunkfrequenzen, die für teures Geld ersteigert wurden, anders und macht die Services natürlich entsprechend teurer.“ Die Unterschiede zum klassischen Mobilfunk lägen u.a. in der niedrigen Sendeenergie, dem Wegfallen von Sim-Karten und Roaming-Gebühren oder einer erhöhten Störsicherheit des Signals. „Wesentlich zu verstehen ist aber, dass 0G eben Ultraschmalband ist und 5G Breitband“, fasst der Experte zusammen.

Telekom-Experte Jens Olejak bemerkt allerdings: „Sigfox und LoRa-WAN (Low Range Wide Area Networks, Anm. d. Red.) sind proprietäre Technologien und verwenden unlizenzierte Bänder, benötigen daher dedizierte bzw. neue Netzkomponenten.“ Deshalb könne mit zunehmender Anzahl vernetzter Geräte die Übertragungsqualität auf diesen Bändern abnehmen, während die Vorteile der standardisierten Technologien immer offensichtlicher würden. Diese Bedenken der NB-IoT-Anbieter spielt Wosylus zurück. Die Verfügbarkeit von NB-IoT hänge schließlich von den Anbietern ab und sei vielfach an die Verfügbarkeit von 5G gekoppelt. „Sie ist also gerade erst im Entstehen, weil diese Technik nicht in allen LTE-Basisstationen durch Software-Updates zu bereitgestellt werden kann. Es gibt zudem keinen global einheitlichen Netzbetreiber“, kontert er. Hinsichtlich LoRa-WANs bemerkt er, dass diese primär private Netze adressieren, die man inklusive aller Aufwendungen für Sicherheitsthemen und Updates selbst installieren und pflegen müsse.

Klare Worte findet Aurelius Wosylus auch beim Thema Breitbandausbau, dessen eher schleppender Fortschritt der Profitorientierung der Anbieter und der Unachtsamkeit der politischen Entscheidungsträger geschuldet sei: „Nun sollen aber wohl Milliarden in den Breitbandnetzausbau gesteckt werden und der Steuerzahler soll es dann richten. Dies ist nicht ideal, aber die Situation wird sich hoffentlich bald ändern, denn sonst wird Deutschland weiter abgehängt“, prognostiziert er. Auch sein Unternehmen setzt auf den zügigen Ausbau, damit seine Kunden ihre Apps auf Endgeräten wie z.B. Smartphones benutzen können, um die 0G-Devices zu managen. Anders als insbesondere bei 5G sei für das 0G-Netz hingegen keine hohe Basisstationsdichte erforderlich, da die Devices über flaches Land ganze 30 bis 50 Kilometer weit angebunden werden können, was auch den raschen Ausbau des Sigfox-Netzes erkläre. Stand Januar 2020 liege dessen Abdeckung bei über 85 Prozent im Outdoor-Bereich.

Laut Wosylus hat auch das 0G-Netz gute Chancen auf dem Smart-City-Markt. „Wer kein eigenes Netz aufbauen muss, um Smart Meter, Glascontainer und Parkplätze sowie Feinstaubsensoren an das IoT anzubinden, der spart Zeit, Kosten und Organisationsaufwand“, sagt er. Es gebe bereits fertige Lösungen für Stadtwerke und kommunale Betriebe bis hin zu Sensoren für Gullydeckel, Hydranten oder Briefkästen. Auch Tracking-Anwendungen für E-Scooter oder Versicherungen von E-Mobilität seien bereits vorhanden. Allerdings merkt er auch an, dass gerade Kommunen und städtische Betriebe noch etwas verhalten sind, was den Masseneinsatz betrifft, was seiner Ansicht nach „in der Natur der Entscheidungsfindungen und im Auschreibungsverfahren für große Projekte liegt.“

Funken auf 868 Megahertz

Ebenfalls zu den LP-WANs zählt das bereits erwähnte LoRa-WAN, das im 868-Mhz-Band funkt. Dieser Bereich sei europaweit zur Nutzung von „Short Range Devices“ freigegeben und könne von jedem genutzt werden, wie Felix Wolf, CTO von Alpha-Omega Technologies, erklärt.

Dies ist ein Artikel aus unserer Print-Ausgabe 01-02/2020. Bestellen Sie ein kostenfreies Probe-Abo.

Ein Problem, das die Betreiber der lizensierten Frequenzbänder immer wieder aufgreifen, ist in eben dieser freien Nutzbarkeit begründet, da diese zu Einbußen hinsichtlich der Verlässlichkeit und Netzkapazität führen kann. Dies werde jedoch laut Wolf in gewissem Maße dadurch vermieden, dass ein Gerät maximal ein Prozent der Zeit auf Sendung sein dürfe. Im Hinblick auf weitere Parameter – etwa Gebäudedurchdringung, Energieeffizienz und Reichweite – weist die LoRa-Technologie ähnliche Eigenschaften wie NB-IoT oder Sigfox-0G auf, eignet sich also Wolf zufolge ebenso für IoT-Anwendungen z. B. in Smart-Building- oder Smart-City-Szenarien sowohl drinnen als auch draußen. LoRa-WAN biete sich an, um Energieverbräuche zu erfassen und Verbrauchsdaten weiterzuleiten, so der Alpha-Omega-CTO. Auch Türöffnungssensoren oder Aufsatzmodule, die vorhandene Sensoren LoRa-WAN-fähig machen, seien möglich. Dennoch räumt er ein, dass die Datenübertragung tatsächlich an ihre Grenzen stoße, wenn diese zu umfangreich wird und es darauf ankommt, jedes einzelne Datenpaket abzuliefern. „Die Übertragungsqualität in LoRa-WAN-Netzen liegt bei 96 Prozent, daher ist die Technik nicht für Sicherheitszwecke geeignet“, konstatiert er. Im Gegensatz zu den lizensierten Netzen könne man allerdings die nötigen Gateways selbst betreiben. Falls erwünscht, müssten die Daten auch das eigene Netzwerk niemals verlassen, wodurch keine Verbindungskosten anfallen. Gefragt sei das Netz branchenübergreifend bei Unternehmen und öffentlichen Trägern. Initiale Use Cases wie z.B. die Steuerung der Straßenbeleuchtung oder das Auslesen von Geschwindigkeitsanlagen seien dank der kostengünstigen Errichtung schnell umzusetzen.

5G: Kür oder Pflicht?

Grundsätzlich sind sich die Experten einig, dass trotz der vorhandenen Alternativen ein zügiger Ausbau des 5G-Netzes unerlässlich ist. T-Systems-Experte Olejak und A1-Fachmann Gaspar betonen, dass die Weiterverwendung von NB-IoT in den 5G-Standards durch das Standardisierungsgremium 3GPP zugesichert sei. NB-IoT und LTE-M seien dadurch langfristig für Anwendungsfälle rund um das Massive IoT gesetzt. Sigfox-CSO Wosylus dagegen befürwortet 5G zwar, hebt aber hervor, dass dies eher der Ausbau eines bestehenden Kanals sei. „In Stückzahlen gesehen ist 0G damit die deutlich bedeutendere Technologie, zumal sie auch selbst einfachste Dinge anbinden kann, die bislang nicht angebunden werden konnten. Also Neuland.“ Auf die Frage, ob 5G tatsächlich wie erhofft zum Heilsbringer in Sachen Industrie 4.0 und IoT wird, antwortet Alpha-Omega-Experte Wolf pragmatisch: „5G ist ein Sammelbegriff für verschiedene Standards, von denen einige sehr wahrscheinlich im IoT-Bereich wichtig werden. Gleichwohl ist es nur ein Werkzeug von vielen und sicherlich kein Allheilmittel.“ Die Auswahl des richtigen Werkzeugs sei komplex und von den jeweiligen konkreten Anforderungen abhängig.

Bildquelle: Getty Images / iStock / Getty Images Plus

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