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Für kleine Datenvolumen und Anwendungen ohne Echtzeitanforderungen: Ausgabe 03/2019, 21.02.2019

Narrowband IoT in der Praxis

Mit Narrowband IoT (NB-IoT) steht eine neue Low Power Wide Area (LPWA) Wireless-Technologie zur Verfügung, welche das Vernetzen von Sensoren und Aktoren mit kleinen Datenraten und langer Batterielebensdauer ermöglicht. Dank sehr gutem Linkbudget und gut ausgebauten 4G-Mobilfunknetzen kann eine hervorragende Netzabdeckung erreicht werden

Autor: Dr. Luciano Sarperi, Patrick Rennhard, Adrian Hermann, ISC, ZHAW, Text und Bilder

Mit NB-IoT ist neben LoRa seit kurzem eine neue Wireless-Technologie für tiefe Datenraten und Wide-Area-Anwendungen verfügbar. Bei NB-IoT handelt es sich um eine vereinfachte Version der 4G-Mobilfunktechnologie, wobei dedizierte 180 kHz breite Kanäle aus einem mehrere MHz breiten 4G-Träger verwendet werden. Aktuell sind von diversen Herstellern NB-IoT-Module ab 10 Euro verfügbar.

Anwendungen
NB-IoT ist für kleine Datenvolumen und Anwendungen ohne Echtzeitanforderungen ausgelegt (Latenzzeiten von mehreren 10 s sind möglich). Die Datenrate beträgt bei guten Bedingungen ca. 30 bis 200 kBit/s. NB-IoT eignet sich vor allem für stationäre oder Anwendungen mit tiefer Mobilität, weil kein Handover im Connected Zustand unterstützt wird. Das Linkbudget ist gegenüber 4G ca. 20 dB besser und darum ist es prinzipiell möglich, NB-IoT Modems in einem Untergeschoss zu betreiben, was für Anwendungen wie Smart Meters wichtig ist. In der Schweiz ist NB-IoT z.B. bei Swisscom bereits verfügbar und verwendet das 800-MHz-Frequenzband, das gute Ausbreitungseigenschaften hat. NB-IoT eignet sich auch als Ersatz für 2G (GSM), wenn nur kleine Datenvolumen im Vordergrund stehen.
Durch den Einsatz eines lizenzierten Frequenzbandes ist eine störungsfreiere Kommunikation als in unlizenzierten Bändern zu erwarten, wie sie z.B. bei LoRa verwendet werden. Zusätzlich gibt es bei NB-IoT keine regulatorische Duty-Cycle-Beschränkung.
Eine weitere neue 4G-IoT-Technologie ist Cat-M1 mit bis zu 1 MBit/s. Sie unterstützt Echtzeitanwendungen sowie Anwendungen mit hoher Mobilität dank der Handover-Funktion. Zusätzlich unterstützt Cat-M1 Sprachverbindungen über die VoIP-Technologie VoLTE.

Energiesparmechanismen
Bei der NB-IoT-Standardisierung wurden die 4G-Energiesparfunktionen den Besonderheiten von batteriebetriebenen Wireless-Sensoren angepasst. Zusätzlich gibt es neu einen Power Saving Mode (PSM), in dem das Modem durch das Netz nicht erreichbar ist, aber trotzdem im Netz registriert bleibt (Bild 1).
TAU: Das Modem führt periodisch nach Ablauf des TAU Timers T3412 ein Tracking Area Update (TAU) durch, auch wenn keine zu übertragenden Nutzdaten anstehen. Dieses TAU dient der Aktualisierung der Modemposition, die das Netz für die Datenübertragung im Downlink (Netz zu Modem) benötigt. Nach dem TAU bleibt das Modem im Radio-Resource- Control-Connected-Status (RRC) und ist vom Netz im Downlink stets erreichbar, bis der Inactivity-Timer abgelaufen ist. Diese Zeit gibt das Netz vor, das Modem kann jedoch, falls unterstützt, aus Stromspargründen einen frühzeitigen Wechsel in den RRC-Idle-Zustand wünschen (ab 3GPP Release 13).
PTW: Für die Dauer des Paging Time Window (PTW) ist das Modem ebenfalls für Downlink- Daten erreichbar.
eDRX: Das PTW erfolgt periodisch mit dem Intervall definiert durch den enhanced Discontinuous Reception (eDRX) Cycle-Wert, solange bis der Aktiv-Timer T3324 abgelaufen ist. Der Timer T3324 kann auch auf 0 gesetzt werden, so dass es keine eDRX Phase gibt.
PSM: Im PSM ist das Modem durch das Netz nicht mehr erreichbar, es kann jedoch jederzeit Uplink-Daten senden (Modem zu Netz), auch bevor der Timer T3412 abgelaufen ist. Die Dauer des PSM wird indirekt über den T3412 und T3324 festgelegt. Der Vorteil des PSM gegenüber einem Trennen vom Netz ist, dass das Modem im Netz registriert bleibt und so schneller und mit weniger Energieaufwand eine folgende Datenübertragung vornehmen kann. Für die praktische Anwendung ist wichtig zu wissen, dass die erwähnten Timer und der eDRX Cycle zwar vom Modem vorgeschlagen werden können, schlussendlich das Netz aber über die verwendeten Werte entscheidet und diese dem Modem mitteilt. Im Weitern ist zu beachten, dass das Netz bei jedem TAU die Möglichkeit hat, diese Werte zu ändern.

Datenübertragung
Das Modem ist bis zum Ablauf des Inactivity Timers und bei jedem PTW für Downlink- Daten erreichbar. Mithilfe der Timer T3324 und T3412 sowie dem eDRX Cycle gibt es damit einige Einstellungsarten, um einen Kompromiss zwischen Erreichbarkeit und Stromaufnahme zu wählen. Uplink-Daten können stets vom Modem gesendet werden. Es wechselt dazu in den RRC-Connected-Zustand und sendet dann die Daten. Darauf folgen die gleichen Phasen wie nach einem TAU, wobei, falls vorhanden, Downlink-Daten empfangen werden können.

Messungen des Energieverbrauchs
Nun wird die Optimierung des Energiebedarfs im RRC-Connected-Zustand bei der Datenübertragung untersucht. Die Messungen wurden mit dem u-blox SARA-N211-NB-IoT-Modul durchgeführt. Dabei wurde ein UDP-Paket mit 18 Byte Nutzdaten im Uplink übertragen, mit Aktiv-Timer T3324 = 0. Bild 2 zeigt einen Vergleich des Energieverbrauchs bei guter Netzabdeckung mit Reference Signal Received Power (RSRP) = –92 dBm. Für die Standardkonfiguration im oberen Teil von Bild 2 bleibt das Modem nach dem Senden der Daten im RRC-Connected-Zustand bis der Inactivity-Timer abgelaufen ist. Dies führt zu einem hohen Energieverbrauch, der bei vier Übertragungen pro Tag einer Batterielebensdauer von knapp vier Jahren entspricht (drei AA-Batterien).
Im unteren Teil von Bild 2 wurde die Release- Assistance-Funktion, die im 3GPP Release 13 standardisiert wurde, eingesetzt. Der Energieverbrauch ist viel tiefer, weil das Netz nach beendeter Datenübertragung das Modem in den RRC-Idle-Zustand wechseln lässt. Bei der verwendeten Konfiguration wechselt das Modem dabei direkt in den PSM, da keine Downlink-Daten erwartet werden. Dank dem Release Assistance kann eine Batterielebensdauer von über 10 Jahren erreicht werden. Man muss beachten, dass nicht alle Modems die Release-Assistance-Funktion unterstützen.

Linkbudget
Das hohe Linkbudget von NB-IoT wird hauptsächlich durch Wiederholen der Übertragung erreicht, wobei drei CE-Levels 0 bis 2 mit unterschiedlicher Anzahl Wiederholungen definiert worden sind. Bei Tests in einer Abschirmkammer mit NB-IoT-Modems von mehreren Herstellern ist im Mittel als minimaler Empfangspegel RSRP = –135 dBm ermittelt worden. Er variiert nicht nur leicht zwischen verschiedenen Modems, sondern hängt auch von der maximalen Anzahl zulässiger Wiederholungen im jeweiligen Mobilfunknetz ab. Bei sehr tiefen Signalpegeln, wie sie z.B. in einem Untergeschoss zu erwarten sind, kann der Energieverbrauch eines NB-IoT-Modems aufgrund der Wiederholungen stark ansteigen.

Fazit
Die neue NB-IoT-4G-Mobilfunktechnologie hat viel Potenzial für die zuverlässige und günstige Vernetzung von batteriebetriebenen Sensoren und Aktoren für das IoT. Unter Beachtung der Erreichbarkeit im Downlink sowie der Häufigkeit der Uplink-Datenübertragung sollte man die Energiesparmechanismen der jeweiligen Anwendung anpassen. Technologie, Modems und die Netze sind für die Entwicklung von NB-IoT-Anwendungen verfügbar, auch wenn die Tarifstrukturen der Mobilfunkbetreiber wohl noch Anpassungen erfahren.

Infoservice
ZHAW School of Engineering, Institute for Signal
Processing and Wireless Communications (ISC)
Technikumstrasse 9, 8401 Winterthur
Tel. 058 934 65 60
luciano.sarperi@zhaw.ch, www.zhaw.ch/isc



Bild 1: Modem-Zustände bei NB-IoT gemäss 3GPP Release 13


Bild 2: Energieverbrauch beim Senden von Uplink-Daten ohne und mit Release Assistance

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