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Messtechnik: 4G-Netze fit für das IoT machen

Damit Geräte und Maschinen optimal im zellularen Internet der Dinge kommunizieren können, benötigen sie oft spezielle Techniken und Funktionen, die in den neuen Kommunikationsstandards für LTE definiert sind.

Narrow-Band IoT und LTE Cat M1 haben die Nase vorne Bildquelle: © Telit/Rutronik

Narrow-Band IoT und LTE Cat M1 haben die Nase vorne

Um ein korrektes Kommunikations-verhalten der neuen Techniken und Komponenten zu gewährleisten, sind möglichst realistische End-to-End-Anwendungstests unverzichtbar. Hierzu sind Messlösungen notwendig, die weit über herkömmliche HF- und Protokolltests hinausgehen.

Im Internet der Dinge (Internet of Things; kurz IoT) tauschen sich Geräte und Maschinen meist drahtlos über Maschine-zu-Maschine-Kommunikationstechniken aus. Derzeit dominieren noch GSM- und UMTS-Technologien den zellulären IoT-Markt. Etwa 60 Prozent der heutigen zellulären IoT-Geräte verwenden 2G- oder 3G-Technologien (siehe Grafik unten). Zu den typischen Anwendungen gehören das Flottenmanagement, die Wartung von Geldautomaten und das Gesundheitsmonitoring, die in der Regel nur geringen Datenverkehr erzeugen. Die Zukunft gehört jedoch den LTE-Netzen der vierten Mobilfunkgeneration mit Narrowband IoT (NB-IoT) und LTE-M, auch bekannt als Enhanced Machine Type Communications (eMTC). Mit ihrer Hilfe werden Mobilfunknetzbetreiber ihren Anteil am drahtlosen IoT-Markt ausweiten können.

Anzahl der zellulären M2M-Verbindungen in Milliarden Bildquelle: © Cisco VNI Mobile 2017

Anzahl der zellulären M2M-Verbindungen in Milliarden

Da 4G LTE für die mobile Breitbandnutzung optimiert ist, haben IoT-Anwendungen bislang zu einer geringen Nachfrage nach LTE geführt. Es gibt jedoch Aspekte, die LTE immer attraktiver werden lassen. Die Technik bietet Vorteile im Hinblick auf spektrale Effizienz, Latenzzeit und Datendurchsatz. Ein zusätzlicher Pluspunkt ist die globale Verfügbarkeit: Nach Angaben der GSM Association (GSMA) haben 4G-LTE-Netze im Jahr 2016 über 60 Prozent der Weltbevölkerung abgedeckt. Ein weiterer Aspekt ist die langfristige Verfügbarkeit von LTE. 2G-Netze existieren seit mehr als 25 Jahren, und einige Netzbetreiber denken über eine Ablösung dieser Netze nach. Die Industrie sucht deswegen nach LTE-Lösungen, die im Hinblick auf Kosten, Leistungsverbrauch und Performance gegenüber 2G-Netzen und Low-Power-Technologien wie Sigfox oder LoRa konkurrenzfähig sind. Mit Funktionen, wie dem Stromsparmodus (power saving mode, PSM), erweiterten diskontinuierlichen Empfangszyklen (eDRX) und Coverage Enhancement (CE) wird die Drahtlosschnittstelle für die Anforderungen von IoT-Anwendungen fit gemacht. Eine optimierte Netzwerkarchitektur, die beispielsweise auch Nicht-IP-Kommunikation ermöglicht, stellt einen weiteren Eckpfeiler zur Anpassung der 4G-Netze an das Internet der Dinge dar.

3GPP-Standardisierung für IoT
Innerhalb des 3GPP-Frameworks wurden verschiedene Optimierungen für die Maschinenkommunikation (Machine-type Communications, MTC) entwickelt. Eine davon ist zum Beispiel der Schutz des Netzwerks, wenn mehrere Tausend Geräte gleichzeitig versuchen, eine Verbindung herzustellen. Dieses Szenario könnte beispielsweise beim Wiederhochfahren des Stromnetzes nach einem Stromausfall eintreten. Der Standard enthält nun Überlastmechanismen, um extremen Signalisierungslasten zu begegnen. Viele IoT-Anwendungen wie zum Beispiel Sensornetzwerke senden nur selten Daten. Hier besteht keine Notwendigkeit, sekundengenau zu arbeiten. Diese Geräte können so konfiguriert werden, dass sie längere Wartezeiten beim Verbindungsaufbau akzeptieren („delay tolerant access“). Mit „3GPP Release 10“ steht ein Verfahren zur Verfügung, das es dem Netz erlaubt, Verbindungsanfragen dieser Geräte zunächst abzuweisen und die Neuanfrage hinauszuzögern („extended wait time“). Mit „3GPP Release 11“ kann der Zugriff durch Einrichtung von Klassen kontrolliert werden. Das Netzwerk sendet eine eab-Bitmap („extended access barring“), die festlegt, welchen Klassen der Zugriff erlaubt ist. Diese Verfahren gewährleisten einen sicheren und stabilen Betrieb der IoT-Anwendung, ohne dass der mobile Breitbanddienst beeinträchtigt wird.