NARROWBAND IOT BahnBrechend für das Internet der dIngeWhitepaper, Oktober 2017

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INhAlTsveRzeIchNIs

narrowBand IOt INhAlTsveRzeIchNIs

Einleitung .................................................................................................................................................3LPWA: unterschiedliche Netze für verschiedenste Anforderungen ..........................................4NB-IoT – die Technologie ......................................................................................................................5Sicherheit für alle Komponenten ........................................................................................................7NB-IoT im Trend ......................................................................................................................................7NB-IoT-Anwendungsfälle ......................................................................................................................8 Ausblick ................................................................................................................................................. 10Glossar ................................................................................................................................................... 11

Bild 1: Die wichtigsten Vorteile von NB-IoT

2 Gilt für 2 AA-Batterien und typische Datenverbrauchsmuster.1 Abhängig von Netzauslastung und Signalstärke.

Milliarden von GerätenBis zu 100-mal mehr Geräte pro Zelle (im Vergleich zu GSM)

Geringes DatenvolumenBidirektionale, seltene Über-tragung von geringen Daten-mengen. Datenübertragungsraten von 600 bis 250 kBit/s.1

Niedriger EnergieverbrauchBis zu 10 Jahre Batterielaufzeit2

Tiefe Gebäudedurchdringung+20 dB Leistungsübertragungs-bilanz (im Vergleich zu GSM)

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eINleITuNg

narrowBand IOt eINleITuNg

Das Internet der Dinge verändert unsere Welt. Unternehmen und Städte auf der ganzen Welt rüsten Objekte mit Software, Sensoren und Kon-nektivität aus, um sie in einem globalen Netzwerk zusammenzuführen: dem Internet der Dinge, auf Englisch „Internet of Things“, kurz IoT. Da diese Objekte mit ihrer neuen Ausstattung in der Lage sind, Daten zu erfassen und auszutauschen, kommen sie in immer mehr Prozessen, Branchen und Ländern zum Einsatz; es entstehen neue Dienstleistungen oder gar ganz neue Geschäftsmodelle. Bekannte IoT-Anwendungsfälle sind Smart Metering, Warenverfolgung und die Überwachung von Industrieanlagen.

eIN NeTz WIe keIN ANDeRes

Was macht die Technologie NarrowBand IoT (NB-IoT) so interessant? Sie ist ideal für LPWA-Systeme (Low Power Wide Area), bei denen viele andere Technologien versagen. Zwar gibt es bereits bestehende Mobil-funknetze, diese sind jedoch nicht für Anwendungen optimiert, die nur sehr kleine Datenmengen senden und empfangen. Doch genau das machen viele IoT-Geräte: Sie tauschen nur selten Daten mit Backend-Systemen aus. Andere Technologien mögen über eine ausge-zeichnete Netzabdeckung im Außenbereich verfügen, der Empfang tief im Gebäudeinneren ist jedoch meist nur eingeschränkt möglich. Darüber hinaus unterstützen die im Handel erhältlichen drahtlosen Kommunika tionsmodule, die sich mit GSM, 3G oder LTE-Mobilfunk-netzen verbinden, eine breite Palette von Diensten. Viele dieser Dienste sind jedoch für IoT-Anwendungsfälle nicht erforderlich und würden lediglich die durchschnittlichen Hardwarekosten in die Höhe treiben. Letztendlich ist eine Batterielebensdauer von mehreren Jahren mit solchen Techno logien oft nicht erreichbar, da weder das Netz noch die Geräte über die notwendigen Energiesparmechanismen verfügen. Daher sehen sich Unternehmen regelmäßig mit einer Vielzahl von Herausforderungen konfrontiert, wenn sie das Internet der Dinge nutzen

möchten. Ein hoher Energieverbrauch führt zu einem großen und kost-spieligen Wartungsaufwand für den Austausch oder das Laden von Batterien. Eine unzureichende Netzabdeckung innerhalb von Gebäuden begrenzt zudem die Möglichkeit, neue Anwendungen zu entwickeln. Wenn Sensoren nicht in der Lage sind, über einen großen Bereich hin-weg zu kommunizieren, müssen lokale Gateways eingerichtet werden. Zudem ist die ständige Wartung der peripheren Netzwerke erforderlich. Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP), eine weltweite Organisation, in der auch die Deutsche Telekom mitwirkt, treibt die Standardisierung der Mobilfunktechnologien voran, um genau diese Herausforderungen zu bewältigen. Mitte 2016 ver öffentlichte das Projekt im Rahmen seines Release 13 eine Reihe von innovativen Funktechnologien, die für das Internet der Dinge optimiert sind. NarrowBand IoT (oder LTE Cat-NB1) ist einer dieser 3GPP-definierten Standards. Technologien wie diese stellen die Weichen, um IoT-Lösungsanbietern die technischen Möglichkeiten zu geben, den Einsatz von IoT im großen Stil wirtschaftlich umsetzbar zu machen.

NB-IOT – MeRkMAle uND vORTeIle

Welche besonderen Eigenschaften bietet NarrowBand IoT? Mit einzig-artigen Vorteilen, zu denen in erster Linie niedrigere Kosten, ein geringerer Stromverbrauch und eine höhere Gebäudedurchdringung zählen, wird NB-IoT vielen IoT-Anwendungsfällen mit geringen Band-breitenanforderungen im industriellen, öffentlichen und auch privaten Bereich gerecht. NarrowBand IoT basiert auf einem globalen Industrie-standard und wird innerhalb eines lizenzierten Spektrums betrieben. Somit kann diese Technologie einen internationalen Betrieb, Stabilität, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und hohe Skalierbarkeit sicherstellen. Die Deutsche Telekom möchte diese Entwicklung vor-antreiben und an ihr teilhaben. Deshalb führt sie NB-IoT aktuell in zahlreichen internationalen Märkten ein und beteiligt sich an der Entwicklung relevanter Anwendungen.

Geringe KostenFunkmodul < 5 $ (Industrieziel), geringere Gesamtbetriebskosten

Plug & PlayDirekter Anschluss des Sensors (keine Installation und Wartung von lokalen Netzwerken / Gate-ways erforderlich)

Weltweiter StandardWeltweiter 3GPP-Industrie -standard für Netzbetreiber im lizenzierten Spektrum

Hohe SicherheitBewährte SIM-basierte Sicher-heitsmechanismen gemäß LTE-Standard

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lPWA: uNTeRschIeDlIche NeTze FÜR veRschIeDeNsTe ANFORDeRuNgeNNB-IoT ist nicht der einzige von 3GPP definierte LPWA-Standard. Ein weiteres Beispiel ist LTE-M (Long Term Evolution for Machines), auch bezeichnet als LTE Cat-M1 oder eMTC. Wie NB-IoT dient er als Erwei-terung des aktuellen LTE-Standards, kann dabei aber höhere Daten-raten als NB-IoT übertragen. Dadurch benötigt diese Technologie aber erheblich mehr Bandbreite, was deutlich komplexere und damit teurere Funkmodule nach sich zieht. Die beiden Technologien ergänzen sich, da sie jeweils die Anforderungen verschiedenster IoT-Anwendungs fälle erfüllen.

Es existieren noch weitere LPWA-Technologien, die sich von Narrow-Band IoT in vielfältiger Weise unterscheiden, etwa in der Standardisie-rung, der erforderlichen Infrastruktur und dem Frequenzspektrum. NB-IoT verwendet die bestehenden Ressourcen von LTE-Netzbetreibern wie Standorte, Basisstationen, Antennen, Backhaul und ihr lizenziertes Spektrum. Diese lizenzierten Frequenzbänder sind für eine immens hohe Anzahl von Geräten ausgelegt und gewährleisten einen stabilen und störungsfreien Betrieb. Dank ihrer hohen Kapazitäten funktioniert die Datenübertragung zuverlässig, was wesentlich zur Attraktivität von NB-IoT beiträgt. Im Gegensatz dazu kann sich auf nicht lizenzierten Frequenzbändern (z. B. durch Interferenzen) die Datenübertragung verschlechtern, wenn die Anzahl der verbundenen Geräte steigt. Darüber hinaus profitiert NB-IoT als globaler Industriestandard von einer großen Auswahl an Geräten und Chipsätzen. Dies verringert letzt endlich auch das Risiko einer Anbieterabhängigkeit, wie sie bei pro prietären Technologien auftreten kann.

Durch welche Technologien wird der massive Einsatz von IoT-Anwen-dungen möglich? Diese Frage stellen sich die meisten Benutzer, wenn sie ein Netz auswählen.

skAlIeRBARkeIT Als schlÜsseleIgeNschAFT

Skalierbarkeit ist eine der herausragenden Eigenschaften von 3GPP- basierten LPWA-Netzen, da hier Mobilfunknetzbetreiber ihre eigenen Kapazitäten gemeinsam mit bestehenden LTE-Netzen verwalten können. Im Gegensatz dazu sind für proprietäre Technologien wie LoRa und Sigfox dedizierte Gateways und Netze erforderlich, die von verschiedenen Unternehmen in den unterschiedlichen Ländern und Regionen betrieben werden. Für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb von Netzen und Plattformen für IoT-Anwendungen bringen Mobilfunknetz betreiber damit die besseren Voraussetzungen mit, da sie die Ansprüche an Netzkapazitäten und auch Datensicherheit erfüllen. NB-IoT wird derzeit als Industriestandard weltweit eingeführt, auch in den USA und auf dem chinesischen Markt, wo alle drei Mobilfunknetzbetreiber ihre Netze schnell erweitern. Dadurch nimmt das Produktions volumen von Funkmodulen weiter zu und die Stück-kosten sinken.

narrowBand IOt lPWA: uNTeRschIeDlIche NeTze FÜR veRschIeDeNsTe ANFORDeRuNgeN

LTE Cat-1 LTE-M NB-IoT LoRa Sigfox

Spektrum lizenziert lizenziert lizenziert nicht lizenziert nicht lizenziert

Bandbreite 20 MHz 1,4 MHz 180 kHz 125 – 500 kHz 200 kHz

Bidirektionale Datenübertragung Vollduplex Halbduplex & Vollduplex

Halbduplex Halbduplex Halbduplex

Maximale Datenrate 10 Mbps (DL)5 Mbps (UL)

1 Mbps (DL)1 Mbps (UL)

250 kbps (DL)230 kbps (UL)

50 kbps (DL)50 kbps (UL)

0,6 kbps (DL)0,1 kbps (UL)

Typischer Uplink-Datendurchsatz pro Tag Nur beschränkt durch die Batterieleistung, die Qualität

des Funksignals und die Geschäftsbedingungen (z. B. monatliches Datenvolumen, Anzahl der Nachrichten / Größe pro Zeitraum)

~ 200 kB ~ 1,64 kB

Typischer Downlink-Datendurchsatz pro Tag

~ 200 B ~ 24 B

Max. Coupling Loss (ggb. GSM) 144 dB(0 dB)

156 dB(+ 12 dB)

164 dB(+ 20 dB)

157 dB(+ 13 dB)

153 dB(+ 9 dB)

Erwartete Modulkosten > 10 $ < 10 $ < 5 $ < 7 $ < 3 $

Erwartete max. Batterielebensdauer1 3 – 5 Jahre 5 –10 Jahre 10 + Jahre 10 + Jahre 10 + Jahre

Tabelle 1: Übersicht über verschiedene IoT-Übertragungstechnologien

1 Typische Datenverkehrsmuster und Batteriegröße vorausgesetzt.

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NB-IOT – DIe TechNOlOgIe

Das Potenzial von NB-IoT oder „Schmalband-IoT“ ist groß, denn die Low Power Wide Area-Technologie schafft die Grundlage für die Entwicklung vielfältiger neuer Anwendungen. Doch welche ihrer technischen Eigen-schaften machen dies möglich?

leIsTuNgsMeRkMAle

LTE-Technologie bildet die Grundlage für NB-IoT, wobei jedoch einige Spezifikationsmerkmale ausgespart wurden, die für LPWA-Anwen-dungen nicht erforderlich sind. Deshalb bietet NB-IoT einzigartige Vorteile gegenüber anderen Technologien wie 2G, 3G und LTE, die ansonsten nicht möglich wären oder hohe Kosten verursachen würden. Doch wie genau gelingt es mit NB-IoT, eine lange Batterielebens dauer, eine bessere Netzabdeckung in Gebäuden und niedrigere Modulkosten zu erzielen?

Die langjährige Batterielaufzeit ist einer der größten Vorteile von NB-IoT. Voraussetzung dafür sind optimierte NB-IoT-Chipsätze, die sich nur auf diejenigen Funkeigenschaften konzentrieren, die für die eingesetzten Geräte relevant sind. Die Reduzierung von Signalisierung und Overhead sorgt dafür, dass die Daten effizienter und direkt über die Signalisierungs-schicht über tragen werden können – eine Funktion, die als Data over Non-Access Stratum (DoNAS) bezeichnet wird. Darüber hinaus ver-setzt ein speziell entwickelter Stromsparmodus (Power Saving Mode, PSM) die Module in einen Ruhezustand, in dem sie sehr wenig Energie verbrauchen (wenige μA). Durch das gelegentliche Senden von TAU-Nachrichten (Tracking Area Update) bleiben die Module jedoch im Netz angemeldet, sodass beim Wiedereinschalten keine erneute Registrierung notwendig wird. Die Long Periodic TAU-Funktion erlaubt es den Modulen, die Intervalle zwischen diesen Trackingnachrichten auf bis zu mehrere Wochen zu erhöhen und die Schlafperioden entsprechend zu verlängern. Die Funktion Extended Discontinuous Reception (eDRX) macht ein längeres Paging bei geringem Strom-verbrauch möglich, damit die Geräte Downlinkdaten vom Server empfangen, aber keine Uplinkdaten senden. Grundsätzlich ist jedes Gerät in der Lage, den Stromsparmodus, Long Periodic TAU und eDRX anzufordern und zu steuern, um so seinen Energieverbrauch bedarfs-gerecht zu optimieren.

Der bessere Empfang in Gebäuden gilt als ein weiterer wichtiger Vorteil von NB-IoT. Ausschlaggebend dafür ist die höhere Leistungs-dichte, die dadurch erreicht wird, dass die Funksignale auf einer schmaleren Trägerbandbreite von nur 180 kHz übertragen werden. Zusätzlich dazu bietet die Funktion „Coverage Enhancement“ (CE) die Möglichkeit, Nachrichtenübertragungen zu wiederholen, falls dies aufgrund schlechten Empfangs nötig sein sollte. Bei proprietären Technologien hingegen, die im nicht lizenzierten Spektrum betrieben werden, ist die Anzahl der Wiederholungen gesetzlich begrenzt (wegen der vorgeschriebenen Lastzyklen), was eine effektive Netz-abdeckung im Gebäudeinneren verhindert.

narrowBand IOt NB-IOT – DIe TechNOlOgIe

Ein NB-IoT-Modul für weniger als 5 US-Dollar: So lautet das erklärte Industrieziel, das bereits in den nächsten Jahren erreicht werden soll. Dafür wurden nicht benötigte LTE-Funktionen aus der Stückliste (Bill of Materials, BoM) entfernt. Durch den Verzicht auf Carrieraggregation, Voiceunterstützung, Multistreamübertragungen für den Downlink- und Uplinkverkehr, parallele Verarbeitung, Messung der Mobilität im ver-bundenen Modus, Turbodecoder sowie Inter- und Intra-RAT-Handover können die Module kostengünstiger als herkömmliche LTE-, 3G- oder GSM-Module hergestellt werden.

DIe DReI leIsTuNgsFAkTOReN

Die technische Leistung eines NB-IoT-Geräts wird durch drei Faktoren beeinflusst: die Batterielebensdauer, das Datenverkehrsprofil und die Netzabdeckung.

Bei der Entwicklung einer NarrowBand-IoT-Anwendung sollte man sich also die folgenden Fragen stellen.

¡ Netzabdeckung: Wo befindet sich das Gerät, z. B. im Inneren des Gebäudes? Die Antwort weist darauf hin, ob für den Verbindungs-aufbau CE-Level 0, 1 oder 2 erforderlich ist.

¡ Datenverkehrsprofil: Wie häufig sollte das IoT-Gerät Daten an den Server (Uplinkverkehr) senden? Wie groß ist die durchschnittliche Menge der Verkehrsnutzdaten? Wie umfangreich ist der Downlink-verkehr (z. B. Befehle an IoT-Geräte, Firmwareupdates)?

¡ Batterielebensdauer: Wie lange muss eine Batterie in der Lage sein, das IoT-Gerät mit Strom zu versorgen? Welcher Batterietyp ist erforderlich?

Diese Faktoren beeinflussen einander und müssen aufeinander abgestimmt werden. Je nachdem, welcher Faktor für die Anwendung wichtiger ist, müssen bei den jeweils anderen Zugeständnisse gemacht werden. Befindet sich zum Beispiel ein IoT-Gerät, das in einer Stunde zahlreiche Nachrichten sendet, tief im Keller eines Gebäudes (das bedeutet: CE-Level 2 ist notwendig), kann eine Batterie eine Lebensdauer von zehn Jahren naturgemäß nicht erreichen.

Bild 2: Die drei Leistungsfaktoren

Netzabdeckung

Datenverkehrsprofil Batterielebensdauer

NB-IoT

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DAs NB-IOT-NeTz

NB-IoT basiert auf LTE und kann daher problemlos in eine bereits vorhandene LTE-Infrastruktur integriert werden. Häufig sind für die Implementierung in das LTE-Funkzugangsnetz nur einfache Software-upgrades nötig. Außerdem müssen einige im 3GPP-Standard für NB-IoT spezifizierte Komponenten eingerichtet werden, z. B. Kernnetzelemente wie das C-SGN. Da sich NB-IoT sowohl im GSM- als auch im LTE-Spektrum betreiben lässt, sind keine zusätzlichen Spektrumslizenzen erforderlich. Die Technologie unterstützt verschiedene Betriebsarten, womit die Nutzung des Spektrums flexibel unterschiedlichen regionalen Netz-implemen tierungen, beispielsweise als Stand-alone, im Guard-Band- oder In-Band-Betrieb, angepasst werden kann.

Alle Geräte, die NB-IoT nutzen, benötigen ein spezifisches NB-IoT-Funkmodul oder entsprechenden -Chipsatz sowie eine SIM-Karte, um von Sicherheit auf LTE-Niveau zu profitieren. Ein standardisiertes SIM-Profil ermöglicht zudem die Nutzung von NB-IoT in den Netzen ausländischer Mobilfunk netzbetreiber. Zu den verschiedenen unter-stützten Formfaktoren zählt auch der M2M-Formfaktor (MFF). Jedoch unterstützen einige Anbieter wie die Deutsche Telekom aufgrund der hohen Kosten derzeit kein eSIM (eUICC), da sie nicht zum preis-günstigen Geschäftsmodell von NB-IoT passen.

Es gibt zwei Möglichkeiten der Datenübertragung zwischen NB-IoT-Geräten und dem jeweiligen Anwendungsserver. 1. IP-basiert: Abhängig vom Betreiber und von den gewünschten Funk-

tionen des Funkmoduls, sind IPv4 und IPv6 möglich. In diesem Fall ist UDP das gängige und empfohlene Transportprotokoll. An der Luftschnitt stelle wird TCP grundsätzlich unterstützt (und im 3GPP-Standard spezifiziert), aufgrund des für NB-IoT resultierenden höheren Daten volumens aber nicht empfohlen. Ebenso können HTTP und HTTPS über die Luftschnittstelle nicht angemessen umgesetzt werden, weil sie TCP benötigen und zusätzliches Datenvolumen für ihren Overhead notwendig ist.

2. Nicht IP-basiert: Wenn möglich, wird eine nicht IP-basierte Datenüber-tragung für NB-IoT empfohlen, weil diese die übertragene Datenmen-ge reduziert (da der Overhead eingespart wird). Die Daten des Geräts werden dann durch das Netz über IP zur Anwendung weiter-geleitet. Daten können nur an jeweils eine Ziel-IP-Adresse gesendet werden (Server), was die Sicherheit des NB-IoT-Geräts weiter erhöht und das Missbrauchsrisiko senkt.

Anwendungsprotokolle wie MQTT, MQTT-SN, CoAP und oneM2M können in jedem Fall verwendet werden. Im Allgemeinen sind in NB-IoT-Netzen zuverlässige Daten verbindungen ohne geografische Einschränkungen möglich, da jedes Gerät über eine direkte Langstreckenverbindung zum Server verfügt. Im Gegen-satz dazu müssen bei anderen Technologien mit lokalen oder ver-maschten Netzen viele periphere Gateways betrieben werden. Dies kann die Gesamt betriebskosten erhöhen.

narrowBand IOt NB-IOT – DIe TechNOlOgIe

IP

Bild 3: Datenübertragung in einem NB-IoT-Netz

NON-IP

NB-IoT-Gerät C-SGN Internet /IP-VPNBasisstationLuftschnittstelle Anwendungsserver

Payload UDP Header

IP HeaderPayload UDP

HeaderIP

HeaderSignal

Header

28 B (IPv4) / 48 B (IPv6) IPsec-Tunnel (optional)

Mehrere Ziel-IP-Adressen werden unterstützt

Charging record

IP to IPSensor, Modem, SIM

Sensor, Modem, SIM

Payload UDP Header

IP HeaderPayload Signal

Header

Non-IP Data Delivery (NIDD) IPsec-Tunnel

Nur eine Ziel-IP-Adresse wird unterstützt

Charging record

Non-IP to IP

Internet / ERP-System

Internet / ERP-System

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narrowBand IOt sIcheRheIT FÜR Alle kOMPONeNTeN / NB-IOT IM TReND

sIcheRheIT FÜR Alle kOMPONeNTeN

NB-IOT IM TReND

NB-IoT ist eine weltweit standardisierte Technologie mit LTE-Sicher-heitsmechanismen nach 3GPP und bietet für alle ihre Anwendungen eine hohe Sicherheitsstufe.

¡ Integrität und Authentifizierung: Bei Zugriff auf das NB-IoT-Netz werden sowohl der Teilnehmer beziehungsweise das Gerät als auch das Netz verifiziert. Diese sogenannte gegenseitige Authentifizierung der Infrastruktur erfolgt über die SIM-Karte, auf der vertrauliche An-meldeinformationen und Teilnehmerdaten gespeichert und so vor unbefugtem Zugriff geschützt sind. Um die Integrität der übertragenen Daten zu gewährleisten, wird unabhängig von der Verschlüsselungs-funktion ein spezieller Datenschlüssel generiert. Im Gegensatz zu anderen Technologien nutzt NB-IoT zudem längere Verschlüsselungs-codes (128 bis 256 Bit), um das Sicherheitsniveau zu erhöhen. Eine Manipulation der Daten wird so zuverlässig durch das Gerät und C-SGN erkannt.

¡ Vertraulichkeit: Die Benutzerdaten werden zwischen dem NB-IoT-Modem und dem Kernnetz über eine separat generierte Codierung und einen Algorithmus verschlüsselt. Ein IPsec-Tunnel schützt den Datenverkehr zwischen dem Kernnetz (C-SGN) und dem Anwen-dungsserver, sodass das Gerät nicht vom Internet aus erreichbar

ist. Darüber hinaus kann der Benutzer entscheiden, ob die Daten der Clientanwendung von dem Gerät mit Ende-zu-Ende-Verschlüsselung oder per Hashverfahren auf den Server oder das ERP-System über-tragen werden sollen.

¡ Verfügbarkeit: Die Deutsche Telekom betreibt das NB-IoT-Netz parallel zu den bestehenden LTE-Netzen. Dadurch kann das Unternehmen auf eine bewährte Infrastruktur und langjährige operative Erfahrung zurückgreifen. Das europäische C-SGN ist georedundant und daher hochverfügbar. Zur weiteren Verbesserung der Verfügbarkeit sind redundante Verbindungen vom Kernnetz zum Anwendungsserver möglich.

Insgesamt ist NarrowBand IoT sicherer als proprietäre Technologien, da die Schutzmaßnahmen alle Ebenen einbeziehen – von der UICC im Gerät bis zum Anwendungsserver. Als globaler Industriestandard profitiert NB-IoT (wie LTE) von einem großen internationalen Ökosystem aus Dienstleistern und anderen Experten, die die Sicherheitsfunktionen und Algorithmen ständig überprüfen und verbessern, sobald neue Gefahren drohen. Im Rahmen ihrer Corporate Identity ist die Deutsche Telekom bestrebt, ihre Kunden und deren Vermögenswerte bestmöglich zu schützen.

Die Deutsche Telekom ist der erste Netzbetreiber, der NB-IoT in Deutschland eingeführt hat und Dienste in Produktivnetzen anbietet. In den Niederlanden wird das weltweit erste NB-IoT-Netz mit landesweiter Abdeckung bereits seit Mai 2017 betrieben. In einigen weiteren euro-päischen Ländern hat der Ausbau von NB-IoT ebenfalls begonnen. In den USA plant T-Mobile, noch diesen Herbst in Las Vegas mit dem ersten kommerziellen NB-IoT-Netz an den Start zu gehen, mit dem Ziel, bis Mitte 2018 eine landesweite Abdeckung zu erreichen.

Mit ersten Testpaketen für NB-IoT erleichtert die Deutsche Telekom ihren Kunden, Partnern und anderen Interessierten den Einstieg in das neue Netz. Diese Pakete ermöglichen die Entwicklung von Prototyp-lösungen für NB-IoT und ihre Einführung auf den jeweiligen Märkten. Bereits 2016 startete die Deutsche Telekom zu diesem Zweck das Programm NB-IoT Prototyping Hub. Zusammen mit ihrem Inkubator hub:raum haben innovative Start-ups und etablierte Lösungsanbieter in den IoT-Laboren in Bonn, Berlin und Krakau Prototypen entwickelt und getestet und den Markt damit frühzeitig belebt. Darüber hinaus steht Start-ups, B2B-Partnern und Kunden mit dem WARP NB-IoT-Programm von hub:raum Krakau und der Deutschen Telekom ein Industrieökosystem zur Verfügung, in dem sie NB-IoT-Anwendungen und -Lösungen in einem frühen Stadium entwickeln können. Die

Deutsche Telekom ist zudem sehr daran interessiert, ihre Best Practices für das NB-IoT-Lösungsdesign weiterzugeben. Hierfür stehen Kunden und Partnern Richt linien für IoT-Lösungen zur Verfügung. Sie bein-halten Informationen zu Netzparametern und verraten Tricks zur Leistungs optimierung von NB-IoT-fähiger Hardware sowie zum Geräte-anwendungsdesign. Diese Richtlinien enthalten zudem Sicherheits-anforderungen an Embedded Devices und IoT-Lösungen.

Zu Beginn der Markteinführung von NB-IoT hatten nur wenige Anbieter Funkmodule in ihrem Portfolio. Dank eines aktiven Austauschs mit weiteren Herstellern konnte die Deutsche Telekom die Entwicklung von Modulen und Chipsätzen vorantreiben. Die ersten Module werden voraussichtlich Ende 2017 vollständig zertifiziert.

Die Deutsche Telekom zählt außerdem zu den Unternehmen, die sich am stärksten für die Ausweitung der Zertifizierung des Global Certifi-cation Forum (GCF) auf NB-IoT eingesetzt haben. Die GCF-Zertifizierung umfasst nun auch simulatorbasierte Konformitätstests mit NB-IoT- Testfällen gemäß 3GPP und Tests von Produktivnetzen auf Grundlage von GSMA-Spezifikationen. Ein fehlendes Puzzleteil stellte bisher die Ver- fügbarkeit von Produktivnetzen für die NB-IoT-Feldprüfung gemäß GCF dar. Diese Lücke wurde nun von der Deutschen Telekom geschlossen.

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sMART PARkINg

Schätzungen zufolge werden bis zu 30 % des Stadtverkehrs von Autofahrern auf Parkplatzsuche verursacht. Smart-Parking-Lösungen wie Park and Joy der Deutschen Telekom helfen Autofahrern dabei, Zeit zu sparen, und erlauben es den Kommunen, für ihre Einwohner ausreichend Parkplätze bereitzustellen, was die Einnahmen erhöht und den Verkehr verringert. Finden – Buchen – Parken – Bezahlen: Nach diesem Motto unterstützt Park and Joy Autofahrer während des gesamten Parkprozesses. Die IoT-Lösung sammelt Informationen zur Belegung, während verschiedene Sensoren zuverlässige Prognosen für die Parkplatzsituation in der Stadt ermöglichen. Die Autofahrer können diese Daten über eine Smartphone-App abrufen. Die erste Stadt, die Park and Joy anbietet, ist Hamburg, wo NB-IoT- Sensoren im Laufe der nächsten Jahre in der ganzen Stadt installiert werden.

narrowBand IOt NB-IOT-ANWeNDuNgsFälle

NB-IOT-ANWeNDuNgsFälle

Für zahlreiche Anwendungsfälle ist NB-IoT optimal geeignet, da das Netz ein sehr breites Spektrum von Anwendungen unterstützt. Gelungene Beispiele lassen sich in Versorgungsunternehmen, in der Logistik, der industriellen Fertigung, der Konsumgüterindustrie und der Landwirt-schaft sowie in den Bereichen Smart City und Smart Building finden. Dank der niedrigen Kosten, des geringen Stromverbrauchs und der guten Netzabdeckung in Gebäuden eignet sich NB-IoT auch da, wo die zuvor verfügbaren Netze und Technologien nicht eingesetzt werden konnten. Unternehmen sind ab jetzt nicht nur in der Lage, die Effizienz vorhandener IoT-Anwendungen zu steigern, sondern auch neue Märkte zu erschließen und neue Produkte sowie Dienstleistungen zu entwickeln.

ÜBeRWAchuNg DeR lIeFeRkeTTe

Jedes Jahr schleusen Schmuggler Hunderte Tonnen Betäubungsmittel in die EU und die USA ein, indem sie diese in fremden Containern verstecken. Um dem ein Ende zu bereiten, hat das niederländische Start-up Babbler eine Versie-gelungslösung entwickelt. Sie warnt beispielsweise, sobald die Versiegelung beschädigt wird. Hierdurch soll die Risikoanalyse durch den Zoll und Transportunter-nehmen verbessert werden. NB-IoT ist gut für die schwierigen Bedingungen in Häfen und auf Schiffen geeignet, da hier traditionelle Technologien wie WLAN oder GSM aufgrund der Leistungs- und Netzbeschränkungen nicht funktionieren. Darüber hinaus macht es globales Roaming möglich, die Daten an jeder Station der Lieferkette zu erfassen.

sMART suBMeTeRINg

Die Fernauslesung von Zählern und Nebenzählern (etwa für Heizung, Gas, Wasser und Strom) in Wohngebäuden ist sowohl für Hausverwaltungen als auch für private Haushalte praktischer. Dank der hervorragenden Abdeckung von NB-IoT im Gebäudeinneren lassen sich Verbindungen zu den (Neben-)Zählern direkt herstellen, ohne dass lokale Gateways installiert und gewartet werden müssen. Die ista International GmbH, ein deutsches Unternehmen, das intelligente Ablesedienstleistungen anbietet, sieht NB-IoT als Zukunftstechnologie für die einfache Fernablesung in Wohn- und Gewerbeimmobilien. Die Anforderungen an die intelligente Ablesung passen perfekt zu den NB-IoT-Eigenschaften, da der geringe Stromverbrauch einen wartungs-freien Betrieb für viele Jahre garantiert. Nebenzähler können, auch wenn sie sich im Gebäudeinneren befinden, zuverlässig verbunden werden und die voraussichtlichen Gesamtkosten pro Verbindung sind sehr niedrig. Außerdem müssen nur geringe Datenmengen übertragen werden, wohingegen Mobilität (im Sinne einer nahtlosen Übergabe zwischen Zellen) nicht erforderlich ist.

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narrowBand IOt NB-IOT-ANWeNDuNgsFälle

AIR QuAlITY MONITORINg

Luftverschmutzung ist ein allgegenwärtiges und komplexes Problem, das unsere Umwelt sowie die Bevölkerung der ganzen Welt betrifft. Um Luft ver-

schmutzung zu erkennen und zu verhindern, die Gesundheit zu erhalten und zum Kampf gegen den Klimawandel beizutragen, spielt die Überwachung der Luftqualität in Industrieanlagen und im öffentlichen Raum eine wesentliche Rolle. Sie bildet die Voraussetzung dafür, dass Schadstoffe frühzeitig erkannt und geeignete Maßnahmen ergriffen werden können. Auf diese Weise erhöht sich die Lebensqualität in städtischen Gebieten. Unter Verwendung des NB-IoT-Netzes konnte RadGreen, ein israelisches Unter-nehmen, das am Deutsche Telekom NB-IoT Prototyping Hub beteiligt ist, sein System in der griechischen Stadt Patras erfolgreich umsetzen. Es misst neben der Luftqualität auch Lärm und radioaktive Strahlung. Die Lösung ist ein perfektes Beispiel für den fortschrittlichen Einsatz von Umweltdaten zur effektiven Überwachung von Städten und Gebäuden.

sMART sTReeT lIghTINg

Durch den Anschluss von Straßenlaternen an das NB-IoT-Netz können Gemeinden, Autobahnbetreiber oder Verwalter großer Einkaufszentren die Energieeffizienz erhöhen und die Wartung ihres Beleuchtungsnetzes optimieren. Ein umfassendes Netzmanagement liefert präzise Echtzeitinformationen zu allen Veränderungen im Stromnetz, reduziert Energieverluste und bietet fortschrittliche Wartungs- und Optimierungstools. Die IoT-Lösung passt sich der vorhandenen Infrastruktur der Straßenbeleuchtung an und nutzt verschiedenste Sensoren und Add-ons, die den besonderen Bedürfnissen der

einzelnen Bereiche gerecht werden. inteliLIGHT, eine Lösung des rumänischen Unternehmens Flashnet, stellt zum Beispiel sicher, dass am richtigen Ort zum richtigen Zeitpunkt die richtige Beleuchtung zur Verfügung steht. Die

Lösung erzielt eine Energieeinsparung von bis zu 35 % und kann bis zu 80 % der Wartungskosten reduzieren.

RAIl AsseT MANAgeMeNT

Die Entwicklung von Systemen für das Anlagenmanagement im Schienenverkehr wird durch den ständig steigenden Bedarf an Daten vorangetrieben. Auf der Grund-lage des NB-IoT-Netzes ent wickelte das niederländische Unternehmen Dual Inventive ein preisgünstiges Überwachungssystem für den Bereich kritische Schienen-

temperatur. Damit werden Temperaturdaten erfasst und auf eine Cloud-Plattform gesendet. Der Schienennetzbetreiber hat über eine mobile Anwendung Zugriff darauf,

erhält Warnungen und kann seine Wartungsprozesse verbessern. Das hilft wiederum dabei, die Zuverlässig keit des Schienennetzes zu erhöhen.

sMART WAsTe MANAgeMeNT

Die meisten Städte führen die Abfallentsorgung sowohl für privaten als auch gewerblichen Abfall nach einem festen Zeitplan durch. Das Ziel der intelligenten Abfallentsorgung ist es nun, Müllcontainer erst dann zu leeren, wenn sie voll sind. Hierzu messen Sensoren ihren Füllstand und

senden diese Daten über NB-IoT an einen Cloud-Server zur Datenanalyse und Berechnung der effizientesten Route. Durch die Routenoptimierung

können die Logistikkosten der Müllabfuhr und der Kraftstoffverbrauch deutlich verringert werden. Insbesondere für Geschäftskunden zahlt sich das Modell aus: Sie zahlen auf Basis der gesammelten Müllmenge und haben zugleich keine überquellenden Müll-container mehr. Das Modell erhöht außerdem das Umweltbewusstsein. EcoMobile aus Zagreb, Kroatien, ist auf die Entwicklung, Produktion und Implementierung fortschrittlicher IoT-Lösungen für die innovative Abfallwirtschaft spezialisiert.

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AusBlIck

Die kommerzielle Einführung neuer, standardisierter und kostengünstiger NB-IoT-Dienste erfolgt parallel zum NB-IoT-Netzausbau durch die Deutsche Telekom auf ihren Märkten. Nur ein Jahr nach der Standardisierung von NB-IoT im Jahr 2016 werden derzeit erste einsatzbereite NB-IoT-End-geräte entwickelt und getestet. Dies umfasst sowohl die Anpassung bestehender LPWA-Endgeräte an NB-IoT als auch völlig neue Hardware- produkte für innovative Anwendungen und Geschäftsmodelle.

Im Juni 2017 wurde zudem ein neues Release der 3GPP-Spezifikation (Version 14) veröffentlicht. Neben anderen technischen Verbesserungen unterstützt es vor allem Single-Cell-Multicast, die verbesserte Positionierung von Geräten sowie die Reduzierung von Latenzen und Stromverbrauch (Reduzierung der Ausgangsleistung um 14 dBm für eine weitere Senkung der Modulkosten). Die technischen Spezifikationen des Release 14 werden, entsprechend ihren üblichen Entwicklungszyklen, schrittweise in die

Netzkomponenten, Chipsätze und Module integriert. Dies alles wird die NB-IoT- Technologie weiter verbessern. Das für 2018 geplante Release 15 wird dann weitere Neuerungen zur Reduzierung des Batterieverbrauchs enthalten. Zur Unterstützung und Förderung der NB-IoT-Technologie, auch im Hinblick auf das internationale Roaming, befindet sich die Deutsche Telekom im intensiven Austausch mit Lieferanten und Kunden und arbeitet mit Gremien wie 3GPP und GSMA zusammen.

Noch weiter in die Zukunft geblickt, kann NB-IoT als Vorläufer und wichtiger Bestandteil der 5G -Technologie bezeichnet werden. Mit ihren virtuellen Kernnetzen, die bereits bei der Deutschen Telekom eingesetzt werden, ist sie bereits heute Realität. Speziell für massive IoT-Anwen dungen stellt NB-IoT eine wichtige technologische Innovation dar, die die Tür für Architekturen und Dienste der nächsten Generation des Internets der Dinge öffnet und schon heute einen Vorgeschmack auf die Möglichkeiten von morgen gibt.

narrowBand IOt AusBlIck

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narrowBand IOt glOssAR

glOssAR

2G / 3G / 4G / 5G Verschiedene Generationen von

3GPP-Mobilfunkstandards

3GPP 3rd Generation Partnership Project

B2B Business-to-Business

BoM Bill of Materials (Stückliste)

CE Coverage Enhancement

(Verbesserung der Abdeckung)

CoAP Constrained Application Protocol

C-SGN Cellular Serving Gateway Node

(kombiniertes 3GPP-Kernnetzelement,

speziell für NB-IoT)

dB(m) Dezibel (Milliwatt)

DoNAS Data over Non-Access Stratum

eDRX Extended Discontinuous Reception

eMTC Enhanced Machine-Type

Communications

ERP Enterprise Resource Planning

(Unternehmensressourcenplanung)

eSIM Embedded Subscriber Identity Module

eUICC Embedded Universal Integrated Circuit

Card (SIM)

GCF Global Certification Forum

GSM Global System for Mobile

Communications (2G)

GSMA GSM Alliance

HTTP(S) Hypertext Transfer Protocol (Secure)

Intra-RAT Intra Radio Access Technology

IoT Internet of Things (Internet der Dinge)

IP / IPv4 / IPv6 Internetprotokoll / Internetprotokoll

Version 4 / Internetprotokoll Version 6

IPsec Internet Protocol Security

LPWA Low Power Wide Area

LTE Long Term Evolution

LTE-M LTE for Machine-Type Communications

(LTE Cat-M1, eMTC)

M2M Machine-to-Machine

MFF M2M-Formfaktor

MNO Mobile Network Operator

(Mobilfunknetzbetreiber)

MQTT(-SN) Message Queue Telemetry Transport

(-Sensor Networks)

NB-IoT NarrowBand Internet of Things

(LTE Cat-NB1)

NIDD Non-IP Data Delivery

SIM Subscriber Identity Module

TAU Tracking Area Update

TCP Transmission Control Protocol

UDP User Data Protocol

IMPRessuM

Deutsche Telekom AGFriedrich-Ebert-Allee 14053113 Bonniot.telekom.com