Mobilfunkmesstechnik

Cellular IoT im 5G-Universum

29. April 2022, 7:00 Uhr | Autor: Jörg Köpp / Redaktion: Diana Künstler

Ein Überblick über die neueste 3GPP-Standardisierung: von 5G NR Light bis NB-IoT über Satellit.

Wie gestaltet sich Cellular-IoT im Zeitalter von 5G?
Welche IoT-Anwendungen von NR Light gibt es?
HWelche Herausforderungen gehen mit den IoT-Tests einher?
Ein Abriss über die Arbeit des 3GPP

In den letzten Jahren haben sich das Cellular IoT-Ökosystem (C-IoT) und insbesondere die 3GPP-Standardisierung darauf konzentriert, den Markt für Massive Machine Type Communications (mMTC) auf den Weg zu bringen. mMTC unterstützt verschiedenste Anwendungen. Darunter Wasserzähler, die Überwachung von Kühen, intelligente Parksysteme oder die Nachverfolgung von Gütern. Die Basistechnologien NB-IoT (Cat-NB1/2) und eMTC (Cat-M) wurden in Release 13/14 entwickelt und bieten spezielle Funktionen für sehr niedrigen Stromverbrauch (eDRX, PSM) und bessere Erreichbarkeit (Coverage Enhancement). Inzwischen haben rund 140 Mobilfunkbetreiber weltweit LTE-M- oder NB-IoT-Netze aufgebaut. Die Global mobile Suppliers Association (GSA) listet in ihrem Report „NB-IoT & LTE-M: Global Ecosystem“ vom April 2021 bereits mehr als 500 Geräte, die entweder Cat-M1, Cat-NB1 oder Cat-NB2 unterstützen.

Neue IoT-Anwendungen in verschiedenen Branchen sowie die anstehende Abschaltung der 2G- und 3G-Netze weltweit machen applikationsspezifische Erweiterungen erforderlich. Daher arbeitet 3GPP kontinuierlich an neuen Funktionalitäten für NB-IoT und eMTC, um spezifische Anwendungsanforderungen abzudecken (siehe auch GPP-Abbildung). Beispiele sind Funktionen wie das Wake-up-Signal oder die frühzeitige Datenübertragung (Early Data Transmission), die in Release 15 eingeführt wurden. Beide tragen zu einer weiteren Optimierung von Stromverbrauch und Reaktionszeiten bei. Langfristig jedoch soll ein reibungsloser Übergang in das 5G-Zeitalter erfolgen.

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C-IoT im Zeitalter von 5G

5G wurde als erste Mobilfunkgeneration speziell entwickelt, um nicht nur den mobilen Breitbandmarkt (eMBB), sondern auch den IoT-Markt zu unterstützen, der dynamisches Wachstum verspricht. Bereits im ersten 5G-Release wurde der Grundstein für den Übergang von mMTC (NB-IoT/eMTC) von 4G zu 5G und damit für Funktionen gelegt, die die zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (URLLC) unterstützen und etwa im Kontext der Fabrikautomatisierung benötigt werden. 5G NR-Merkmale wie eine sehr flexible Numerologie, umfassende Frequenzunterstützung, integrierte Kommunikationssicherheit und unterschiedliche Virtualisierungsschemen schaffen die Grundlage für die wichtigsten 5G-Einsatzszenarien: eMBB, mMTC und URLCC.

Zwei Faktoren spielen für die Zukunft von mMTC in der 5G-Ära eine entscheidende Rolle: erstens die Koexistenz von NB-IoT und eMTC in 5G dank einer sehr flexiblen Nutzung der Funkressourcen. Zweitens die Unterstützung der entsprechenden Funktionen durch das 5G-Netzwerk. Die in Release 16 spezifizierten Koexistenzfunktionen werden es 5G-fähigen NB-IoT- und eMTC-Geräten ermöglichen, sich mit einem Stand-Alone (SA) 5G-Netz zu verbinden.

Kurz gefasst: Cellular IoT
Das zellulare IoT ist eine Möglichkeit, physische Geräte (wie Sensoren oder Aktuatoren) mit einem privaten Netzwerk oder dem Internet zu verbinden, indem sie sich in denselben Mobilfunknetzen wie Smartphones befinden. Durch die Nutzung der gleichen Infrastruktur nutzt das zellulare IoT die breite Verfügbarkeit bestehender Mobilfunknetze, jedoch ohne die Leistungsanforderungen herkömmlicher Mobilfunkanwendungen. Damit ergeben sich nicht nur Person-zu-Gerät-Mobilfunkverbindungen, sondern es eröffnen sich neue Einsatzszenarien für Gerät-zu-Gerät-Verbindungen oder eine Kombination aus beiden Varianten. Die Grenzen für das IoT verschwimmen damit. Vernetzte IoT-Lösungen können alles sein: von automatisch gesteuerten Straßenlaternen über fernüberwachte Parkhäuser bis hin zu landwirtschaftlichen Anwendungen, die die Bewässerung und den Düngemittelverbrauch optimieren oder Lösungen für Maschinelles Lernen, die Anomalien in entfernten Umgebungen vorhersagen. (DK)

Kurz gefasst: Cellular IoT

Das zellulare IoT ist eine Möglichkeit, physische Geräte (wie Sensoren oder Aktuatoren) mit einem privaten Netzwerk oder dem Internet zu verbinden, indem sie sich in denselben Mobilfunknetzen wie Smartphones befinden. Durch die Nutzung der gleichen Infrastruktur nutzt das zellulare IoT die breite Verfügbarkeit bestehender Mobilfunknetze, jedoch ohne die Leistungsanforderungen herkömmlicher Mobilfunkanwendungen. Damit ergeben sich nicht nur Person-zu-Gerät-Mobilfunkverbindungen, sondern es eröffnen sich neue Einsatzszenarien für Gerät-zu-Gerät-Verbindungen oder eine Kombination aus beiden Varianten. Die Grenzen für das IoT verschwimmen damit. Vernetzte IoT-Lösungen können alles sein: von automatisch gesteuerten Straßenlaternen über fernüberwachte Parkhäuser bis hin zu landwirtschaftlichen Anwendungen, die die Bewässerung und den Düngemittelverbrauch optimieren oder Lösungen für Maschinelles Lernen, die Anomalien in entfernten Umgebungen vorhersagen. (DK)

Industrielles Internet der Dinge

Die Fabriken der Zukunft werden sich auf eine tiefgreifende Integration von Informationen und Automatisierung stützen, die durch allgegenwärtige Konnektivität ermöglicht wird. Daher sucht die Industrie nach einer hochzuverlässigen und sicheren Funktechnik, die sich für vielfältige Anwendungen eignet. Es mag Alternativen für den einen oder anderen Fall geben, aber nur 5G kann allen Szenarien gerecht werden:

5G mMTC ist für geringen Stromverbrauch und breite Abdeckung optimiert und damit die perfekte Technologie für die Nachverfolgung von Werkzeugen und Waren oder die Vernetzung von Sensoren.
5G eMBB ist für Mobilität und hohen Datendurchsatz optimiert und eignet sich für die Vernetzung von VR-Brillen und mobilen Geräten im Produktionsbetrieb.
5G URLCC mit den neuen Funktionen, die in Release 16/17 spezifiziert wurden, wird eine vollständige Automatisierung zur Steuerung von Robotern oder fahrerlosen Transportfahrzeugen ermöglichen.

URLCC ist ein völlig neues Anwendungsgebiet für die zellulare Kommunikation mit sehr klaren Anforderungen an Latenz, Timing und Zuverlässigkeit. 3GPP hat einige Anstrengungen unternommen, um diese Anforderungen zu erfüllen, und stellt nun ein umfassendes URLCC-Toolset bereit. Kurze Symbolzeiten und Mini-Slots sowie schnelle und flexible Wiederholungsverfahren oder zuteilungsfreie (grant-free) Uplink-Übertragung tragen dazu bei, die Latenz auf der Funkschnittstelle zu optimieren. Netzwerkvirtualisierung, Verkehrspriorisierung und Multi-Access-Edge-Computing werden die Ende-zu-Ende-Latenz stark verbessern. Die Zuverlässigkeit der Kommunikation kann durch robuste Kodierungsverfahren, Paketverdopplung und -wiederholung sowie duale Verbindungsverfahren verbessert werden. Dieses Toolset umfasst auch die Unterstützung zeitsensitiver Netzwerke (TSN) oder LAN-artigen Diensten über 5G, wie sie hauptsächlich in Release 16 entwickelt werden. Weitere Verbesserungen für die Zeitsynchronisation oder den Betrieb in unlizenzierten Netzwerkumgebung sind für Release 17 geplant. Neben Latenzzeiten und Kommunikationszuverlässigkeit sind Netzverfügbarkeit und -sicherheit von größter Bedeutung für einsatz- und geschäftskritische Anwendungen im industriellen Umfeld. Aus diesem Grund hat die Branche den Betrieb privater 5G-Netze ins Auge gefasst. Diese könnten als unabhängige nicht-öffentliche Netze (Non-Public Networks, NPN) unter Nutzung privater Frequenzen oder als in öffentliche Netze integrierte NPNs mittels Netzwerkvirtualisierung gemäß Release 16 realsisiert werden.