Messtechnik
4G-Netze fit für das IoT machen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Kostengünstige Geräte mit niedrigem Stromverbrauch
Mit Release 12 hat das 3GPP-Gremium die Art an optimierten Lösungen für Anforderungen wie geringen Datenverkehr, niedrigen Stromverbrauch und niedrige Kosten begonnen. Aber schnell war klar, dass es keine einfache gemeinsame Lösung für alle Anwendungen geben wird. Dazu sind die Anforderungen von Applikationen wie Containertracking, Mülltonnenmanagement, intelligenten Zählern, Agrarsensoren oder Sport- und Gesundheits-Trackern zu unterschiedlich. Release 12 konzentrierte sich deshalb zunächst auf reduzierten Stromverbrauch und kostengünstige Modems. Daraus resultierten ein Stromsparmodus (PSM), der insbesondere für batteriebetriebene Geräte wichtig ist, und eine neue LTE-Gerätekategorie 0, die die Komplexität gegenüber einem Kategorie-1-Modem um 50 Prozent reduzieren soll.
Bei PSM handelt es sich um eine Art absoluten Ruhemodus. Der Empfänger wird für eine Weile vollständig ausgeschaltet, sodass das Gerät nicht erreichbar ist. Das Modem bleibt jedoch im Netzwerk angemeldet. Folglich ist PSM nicht für Anwendungen geeignet, die eine zeitkritische Reaktion erwarten. Applikationen, die PSM anwenden wollen, müssen dieses Verhalten tolerieren. Die optimalen Timer-Werte für Idle- und Stromsparmodus müssen schon im Design festlegt werden.
Mit Einführung der LTE-Kategorie 0 wurde erstmals der Versuch unternommen, signifikant kostengünstigere LTE-Modems zu ermöglichen. Kategorie 0 ging jedoch offensichtlich an den Markterwartungen vorbei. Das Augenmerk richtete sich bald auf die nächste LTE-M-Generation. Mit Release 13 führte 3GPP im Rahmen der Arbeiten an eMTC die LTE-Kategorie M1 ein. Sie brachte neue Kostensenkungsmöglichkeiten, insbesondere niedrigere Bandbreiten im Uplink und Downlink, niedrigere Datenraten und eine reduzierte Sendeleistung. Parallel zur LTE-Kategorie M1 wurde Narrowband IoT (NB-IoT) entwickelt. Hier liegt der Schwerpunkt auf einer extrem niedrigen Leistungsaufnahme und minimalen Kosten. Gleichzeitig bietet NB-IoT einen verbesserten Empfang in Gebäuden und unterstützt Geräte mit sehr geringem Datenverkehr. Die neue LTE-Kategorie NB1 bietet eine Bandbreite von 180 kHz und kann in nicht verwendeten LTE-Resource-Blocks innerhalb eines LTE-Trägers, dem freien Spektrum zwischen benachbarten LTE-Trägern oder alleine, beispielsweise in nicht verwendeten GSM-Trägern, eingesetzt werden.
Das 3GPP Release 13 hat mit eDRX eine weitere Stromsparfunktion eingeführt. Im Idle-Modus geht das Modem beispielsweise regelmäßig in den Empfangsmodus, um Paging-Nachrichten und Systemstatusinformationen erhalten zu können. Der DRX-Timer legt fest, wie oft dies geschieht. Derzeit liegt das kürzeste Intervall für den Idle-DRX-Timer bei 2,56 s. Für ein Gerät etwa, das nur alle 15 Minuten Daten erwartet und geringe Anforderungen an die Verarbeitungszeit hat, stellt dies ein ziemlich kurzes Intervall dar. eDRX ermöglicht jetzt wesentlich längere Zeitintervalle von bis zu 2,9 Stunden für NB-IoT oder 44 Minuten für LTE-M, je nach Anforderungen der Anwendung und Unterstützung durch das Netzwerk.
PSM und eDRX unterscheiden sich im Hinblick auf die Zeit, die ein Gerät im Ruhemodus bleiben kann und die unterschiedlichen Verfahren zum Wechsel in den Empfangsmodus. Um wieder erreichbar zu werden, muss ein Gerät, das PSM verwendet, zunächst in den aktiven Modus gehen. Geräte, die auf eDRX setzen, können dagegen im Idle-Modus bleiben und ohne weitere Signalisierung direkt in den Empfängermodus wechseln.
LTE-M und NB-IoT bieten darüber hinaus Verbesserungen bei der Abdeckung für Anwendungen wie intelligente Zähler. Eines der Grundprinzipien ist hier die redundante Übertragung – das wiederholte Versenden von Daten über einen bestimmten Zeitraum. Dies hat natürlich einen gewissen Einfluss auf Stromverbrauch und die Latenz.
Zur Komplettierung hat 3GPP in Release 13 eine optimierte Netzwerkarchitektur eingeführt, die es beispielsweise ermöglicht, die Steuerebene zum Senden von Benutzerdaten zu verwenden, wodurch sich der notwendige Signalisierungsaufwand bei der Übertragung winziger Datenmengen erheblich reduzieren lässt. In diesem Kontext wurde die neue Kernfunktion „Service Capability Exposure Function (SCEF)“ eingeführt. Diese ermöglicht eine optimierte Nicht-IP-Kommunikation mit dem Gerät über die Steuerebene, während alle benötigten Funktionen in der Anwendungsschicht über eine Restful-Schnittstelle verfügbar sind. Um die Signalisierung für den Datenverkehr in der Benutzerebene zu verbessern, können Verbindungen jetzt zeitweise inaktiv gehalten und wieder aktiviert werden.
Um konkreteren Marktanforderungen entgegenzukommen, trieb 3GPP weitere Verbesserungen an LTE-M und NB-IoT voran, die als „Further Enhancements for MTC“ (feMTC) und „Enhancements for NB-IoT“ (eNB-IoT) bekannt wurden. In diesem Zusammenhang wurden in Release 14 zwei neue LTE-Kategorien definiert: Kategorie M2 und Kategorie NB2. Wichtige Weiterentwicklungen sind zum Beispiel höhere Datenraten für LTE-M, eine niedrigere Leistungsklasse für NB-IoT, eine geringere Latenz, bessere Positionsbestimmung, Multicast-Fähigkeiten zur Ermöglichung von Software-Upgrades und Verbesserungen für VoLTE für LTE-M-Geräte. Die Tabelle anbei gibt einen Überblick über die verschiedenen LTE-Kategorien für die Anforderungen diverser IoT-Applikationen. 3GPP arbeitet bereits an weiteren Verbesserungen in Release 15. Dazu gehören zum Beispiel NB-IoT für LTE-TDD-Netze (TDD: Time Division Duplexing), die in China verbreitet sind, sowie weitere Optimierungen für die Latenz, den Stromverbrauch, die Laststeuerung und Mobilität.
- 4G-Netze fit für das IoT machen
- Kostengünstige Geräte mit niedrigem Stromverbrauch
- End-to-End-Applikationstests
- Exkurs: Mehrere Parameter Parallel im Blick
Lesen Sie mehr zum Thema
