Die Entwicklung des IoT mit 5G: Zukunftssicherheit für aktuelle IoT-Investitionen
In meinen letzten Vorträgen über 5G wurde ich häufig gefragt, ob angesichts der Tatsache, dass heute fast eine Milliarde IoT-Mobilfunkgeräte im Einsatz sind und mit der Einführung von 5G alle bestehenden IoT-Technologien ersetzt werden und die derzeitigen Investitionen in das IoT überflüssig werden? Die einfache Antwort ist nein, aber um das besser zu verstehen, sollten wir etwas tiefer in die bestehenden IoT-Technologien eintauchen.
Das Internet der Dinge (IoT) wächst exponentiell, und einige Prognosen gehen davon aus, dass die Gesamtzahl der IoT-Geräte im Jahr 2025 bei über 25 Milliarden liegen wird. Für einen Laien sind IoT-Geräte kleine Geräte mit geringer Leistung, die nur selten und in geringem Umfang Datenverkehr erzeugen, wie z. B. intelligente Zähler. Das ist zwar im Allgemeinen richtig, aber IoT-Geräte decken ein viel größeres Segment ab. Man könnte das IoT in zwei Kategorien einteilen - das Weitverkehrs-IoT und das Kurzstrecken-IoT.
Weiträumiges IoT: Niedriger Stromverbrauch und große Reichweite
Weiträumige IoT-Geräte sind in der Regel stromsparend und übertragen seltene kurze Datenpakete über ein Weitverkehrsnetz mit geringem Stromverbrauch (LPWAN). Diese Geräte werden in der Regel in abgelegenen Gebieten ohne externe Stromversorgung installiert (d. h. sie werden mit Batterien betrieben) und sollen daher sehr energieeffizient sein. LPWANs können sowohl im lizenzierten als auch im unlizenzierten Frequenzspektrum arbeiten. Zwei der gängigsten LPWAN-Technologien, die im unlizenzierten Frequenzspektrum arbeiten, sind SigFox und LoRaWAN (Long Range Wide Area Network). Diejenigen, die im lizenzierten Spektrum arbeiten, sind Narrowband (NB) -IoT und LTE-M oder LTE Machine Type Communication, auch bekannt als Cat-M1, die beide von 3GPP in Release 13 spezifiziert wurden und gemeinsam als zellulares IoT bekannt sind.
SigFox ist eine geschützte Technologie des gleichnamigen französischen Unternehmens. Es handelt sich um eine Ultra-Schmalband-Technologie, die es ermöglicht, drahtlose Signale ungehindert durch feste Objekte hindurchzuleiten, so dass sie sich für unterirdische und gebäudeinterne Operationen eignet. SigFox arbeitet in Europa im 868-MHz-Band und in den USA im 902-MHz-Band. Es ist für die Unterstützung von Gerätegruppen konzipiert, die wahrscheinlich kleine Datenmengen (100 Byte pro Sekunde) in kurzen Intervallen senden (z. B. Parksensoren, Stromzähler). Bis Ende 2018 gab es in etwas mehr als 60 Ländern SigFox-basierte Implementierungen.
LoRaWAN ist eine Spreizspektrums-Technologie mit einem breiteren Band als Sigfox. LoRaWAN ist eigentlich ein Medium-Access-Control-Protokoll, das auf dem Long-Range-Protokoll (LoRa) der physikalischen Schicht (PHY) aufbaut und in nicht lizenzierten Frequenzbändern wie 433 MHz und 868 MHz in Europa und 915 MHz in Australien und Nordamerika betrieben wird. Die LoRaWAN-Technologie ist von SemTech lizenziert und wird seit 2015 im Rahmen der LoRaWAN-Allianz entwickelt. Ende 2018 gab es in etwa 100 Ländern LoRaWAN-basierte IoT-Implementierungen.
IoT mit geringer Reichweite: Höhere Leistungsanforderungen, PAN- oder LAN-Verbindung
Bevor wir uns mit dem zellularen IoT befassen, sollten wir uns kurz mit IoT-Geräten mit geringer Reichweite befassen. Diese benötigen in der Regel mehr Strom, aber immer noch deutlich weniger als die meisten Smartphones, und tauschen größere Datenmengen aus. Aufgrund des höheren Energiebedarfs müssen diese Geräte entweder häufig aufgeladen werden oder benötigen eine externe Stromquelle. Diese Geräte können weiter in Personal Area Network (PAN) oder Local Area Network (LAN) unterteilt werden. PAN IoT-Geräte haben eine Reichweite von wenigen Metern, und die gängigsten Technologien zur Verbindung dieser Geräte sind Bluetooth, ZigBee und 6LoWPAN oder IPv6 Low-Powered Wireless Personal Area Network.
Die häufigsten PAN-IoT-Geräte sind Kopfhörer, Fitness-Tracking-Geräte usw. LAN-IoT-Geräte haben in der Regel eine Reichweite von mehreren hundert Metern und verwenden eine Version der 802.11-Wireless-LAN-Technologie für die zugrunde liegende Konnektivität. PAN IoT-Geräte werden im Allgemeinen mit wiederaufladbaren Batterien betrieben, während LAN IoT-Geräte sowohl mit wiederaufladbaren Batterien als auch mit externen Stromquellen betrieben werden. Die häufigsten LAN IoT-Geräte sind Sicherheitskameras, Haushaltsgeräte wie Kühlschränke usw. Ein einzelnes Gerät kann sowohl Teil eines PAN- als auch eines LAN-IoT-Netzwerks sein. Ein solches Gerät könnte Informationen aus einem PAN-IoT-Netzwerk in einem LAN-IoT-Netzwerk zusammenführen, das dann über ein IoT-Gateway mit einem WAN oder dem Internet verbunden werden könnte.
Laut dem Mobility Report von Ericsson, Juni 2019, machen weitreichende IoT-Geräte mit etwa einer Milliarde heute etwas mehr als ein Zehntel aller IoT-Implementierungen aus und wachsen mit einer durchschnittlichen Wachstumsrate von 27 Prozent auf 4,5 Milliarden Geräte bis 2024. IoT-Geräte mit geringer Reichweite machen etwa 90 Prozent der Einsätze aus und wachsen mit einer durchschnittlichen Wachstumsrate von 15 Prozent auf etwa 18 Milliarden Geräte bis 2024. IoT-Geräte mit geringer Reichweite werden in absehbarer Zukunft weiterhin auf dem Markt existieren. IoT-Geräte mit großer Reichweite werden ein exponentielles Wachstum erfahren, insbesondere mit der Einführung des 5G Service-based Architecture (SBA)-Kerns, der im Vergleich zum 4G LTE-Paketkern viel stärker skalieren wird. Ebenso erwarten wir, dass LPWAN-Einsätze, die auf unlizenzierten Frequenztechnologien wie SigFox und LoRaWAN basieren, weiterhin existieren und sich ausbreiten werden, wenn auch mit einer viel geringeren Rate als beim zellularen IoT.
Aktuelle IoT-Mobilfunktechnologien verbinden 4G LTE und 5G NSA
Zellulare IoT-Technologien, Narrowband IoT (NB-IOT) und LTE-M, werden heute als Teil des LTE-Netzes eingesetzt und sollen mit 5G-Netzen unter Verwendung der nicht eigenständigen Architektur (NSA) zusammenarbeiten. In 5G NSA wird die Funkschnittstelle weiterhin auf LTE basieren, während das Kernnetz 5G SBA sein wird. Mit der Entwicklung der 5G New Radio (NR)-Technologie für das IoT in Release 16 und darüber hinaus werden wir 5G NR-basierte IoT-Geräte im Standalone-Modus (SA) mit dem 5G SBA-Paketkern einsetzen.
Was ist der Unterschied zwischen NB-IoT und LTE-M?
Bevor wir weitergehen, stellt sich in der Regel die Frage, warum wir NB-IoT und LTE-M als zwei verschiedene Technologien in Release 13 benötigen. LTE-M unterstützt eine geringere Gerätekomplexität, eine enorme Verbindungsdichte, einen geringen Stromverbrauch der Geräte, eine niedrige Latenz und bietet eine erweiterte Abdeckung, während es die Wiederverwendung der installierten LTE-Basis ermöglicht. NB-IoT zeichnet sich durch eine verbesserte Innenraumabdeckung, die Unterstützung einer großen Anzahl von Geräten mit niedrigem Durchsatz, eine geringe Verzögerungsempfindlichkeit, extrem niedrige Gerätekosten, einen geringen Stromverbrauch der Geräte und eine optimierte Netzwerkarchitektur aus. Das klingt alles sehr ähnlich. Es gibt jedoch einige bemerkenswerte Unterschiede:
- LTE-M supports higher bandwidth [1.4MHz with data rates of up to 1Mbps], while NB-IoT supports lower bandwidth [200 MHz with data rates < 100 Kbps]
- LTE-M unterstützt die Gerätemobilität, NB-IoT hingegen nicht
- LTE-M unterstützt den Sprachverkehr über VoLTE, während NB-IoT nur auf Daten beschränkt ist.
- LTE-M arbeitet in einem höheren Frequenzband, während NB-IoT in einem niedrigeren Frequenzband arbeitet, wodurch es sich hervorragend für die Nutzung in Innenräumen eignet, während LTE-M für die Nutzung in Innenräumen möglicherweise nicht so gut geeignet ist
- Schließlich hat LTE-M eine viel geringere Latenz (50 - 100 ms) als NB-IoT, die in der Regel 30 bis 100 Mal so hoch ist wie bei LTE-M (1,5 bis 10 Sekunden).
Abbildung 1 unten zeigt die Integration von LTE-M und NB-IoT in das bestehende LTE-Netz. Die Service Capability Exposure Function (SCEF) ist die neue Einheit, die in Release 13 zum LTE-Netz hinzugefügt wurde. Um die Anforderungen an den geringen Stromverbrauch von LTE-M und NB-IoT zu erfüllen, wurde das stromintensive Protokoll zum Aufbau von IP-Datenträgern durch eine Erweiterung des NAS-Protokolls (Non-Access Stratum) ersetzt, damit kleine Datenmengen über die Steuerebene übertragen werden können. In diesem Fall ist der IP-Stack nicht erforderlich, so dass diese Art der Übertragung als Non-IP Data Delivery (NIDD) bezeichnet wird und in Abbildung 1 unten mit der großen roten gestrichelten Linie dargestellt ist.
In Version 13 definierte 3GPP SCEF als Schnittstelle für kleine Datenübertragungen und Kontrollnachrichten zwischen den IoT-Anwendungsservern der Unternehmen und dem Kernnetz des Betreibers. SCEF stellt den Unternehmen APIs für kleine Datenübertragungen und Kontrollnachrichten zur Verfügung und nutzt die von 3GPP definierten Schnittstellen mit den Netzelementen im Kernnetz des Betreibers, um seine Funktionen auszuführen. Release 13 unterstützt auch die IoT-IP-Datenübertragung mit der NAS-Kontrollebene, die in Abbildung 1 unten mit einer grünen, gestrichelten Linie dargestellt ist.
Abbildung 1: Zelluläres IoT im 4G-LTE-Netz
In einem 5G Service-Based Architecture (SBA)-K ern bietet die Network Exposure Function (NEF) einen kleinen Datenübermittlungsdienst, der dem Non-IP Data Delivery (NIDD)-Dienst von 4G SCEF ähnelt und APIs für Anwendungsserver bereitstellt. Abbildung 2 unten zeigt bestehende NB-IoT- und LTE-M-Netze, die sich mit dem 5G-SBA-Kern im Nicht-Standalone-Modus verbinden. NEF ist die Schnittstelle für kleine Datenübertragungen und Kontrollnachrichten zwischen den IoT-Anwendungsservern der Unternehmen und dem 5G-Kernnetz des Betreibers. Die NIDD-Datenübertragung ist in der nachstehenden Abbildung 2 mit einer roten, gestrichelten Linie dargestellt. Die IoT-IP-Datenübertragung mit der NAS-Steuerebene wird durch eine kleine grüne gestrichelte Linie dargestellt.
Abbildung 2: Zellulares IoT mit 5G SBA Core
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich derzeit eingesetzte LTE-M- und NB-IoT-Geräte mit dem 5G-SBA-Kern im Nicht-Standalone-Modus verbinden werden, wenn der 5G-SBA-Kern eingeführt wird. Die meisten IoT-Geräte werden heute im 4G-Netz eingesetzt, das eine Gerätedichte von etwa 60 000 Geräten pro Quadratkilometer aufweist. Die Anforderungen für den massiven IoT-Einsatz in 5G erfordern eine Skalierung der Gerätedichte auf mindestens eine Million Geräte pro Quadratkilometer. Das 3GPP arbeitet an Verbesserungen der technischen Spezifikationen für 5G, um diese Dichte in den Releases 16 (voraussichtlich bis Juni 2020) und 17 (voraussichtlich bis Ende 2021 oder Anfang 2022) zu erreichen.