NB-IoT einfach erklärt
Das schnelle Wachstum des IoT („Internet der Dinge“) hat zu neuen Kommunikationstechnologien geführt, die speziell dafür entwickelt wurden, den steigenden Anforderungen an Energieeffizienz, Reichweite und Netzverfügbarkeit gerecht zu werden. Zu einer der führenden Standards zählen Narrowband IoT (NB-IoT) und LoRaWAN, die sich neben ihrem niedrigen Energieverbrauch durch eine sehr gute Gebäudedurchdringung und zuverlässige Datenübertragung auszeichnen. NB-IoT bietet beispielsweise ideale Voraussetzungen für Anwendungen wie Smart Metering, Asset-Tracking oder Smart City. Unternehmen können durch Nutzung des vorhandenen LTE-Mobilfunknetzes Geräte auch über weit verteilte Standorte vernetzen – selbst in schwer zugänglichen Bereichen.
Was ist NB-IoT?
NB-IoT steht für Narrowband-IoT (zu Deutsch: Schmalband-IoT) und gehört zu den LPWAN-Technologien (Low Power Wide Area Networks). Die Funktechnologie wurde speziell für die Kommunikation von Geräten im Internet of Things (IoT) entwickelt. NB-IoT basiert technisch auf dem Mobilfunkstandard LTE und ist unter den Spezifikationen LTE Cat NB1 (erste Generation) und LTE Cat NB2 (weiterentwickelte Version mit zusätzlichen Funktionen) definiert. Beide Varianten nutzen Frequenzen des allgemeinen Mobilfunknetzes.
Aber im Gegensatz zu LTE oder 5G, die auf hohe Datenraten und Bandbreiten ausgelegt sind, konzentriert sich NB-IoT auf eine besonders stromsparende, stabile Kommunikation über große Distanzen – auch in schwer zugänglichen Bereichen wie Kellerräumen, Schächten oder ländlichen Gegenden.
Darüber hinaus ist das Netz sehr sicher, denn es nutzt die LTE-Sicherheitsmechanismen nach 3GPP. Damit ermöglicht NB-IoT eine zuverlässige, energieeffiziente und kostengünstige Datenübertragung für Geräte mit geringem Datenvolumen und nutzt vorhandene Mobilfunknetze.
Warum ist NB-IoT besonders relevant für M2M und IoT?
Die M2M- und IoT-Kommunikation stellt besondere Anforderungen an die Netzwerktechnologie: Viele Geräte senden nur selten und kleinere Datenmengen, dies aber konstant über einen längeren Zeitraum, teils über mehrere Jahre hinweg, und benötigen daher eine zuverlässige Verbindung, unabhängig von Standort und Infrastruktur.
Genau hier setzt Narrowband-IoT an:
- Energieeffizienz: Dank optimierter Protokolle und geringer Sendeleistung können Sensoren und Geräte mit NB-IoT oft über 10 Jahre mit einer Batterie betrieben werden.
- Hohe Gebäudedurchdringung: NB-IoT bietet exzellente Signalstärke auch in abgeschirmten Umgebungen wie in Gebäuden und Kellern, was es ideal für Anwendungen wie Smart Metering macht.
- Skalierbarkeit: Ein einzelner Mobilfunkmast kann Tausende NB-IoT-Geräte gleichzeitig bedienen – ideal für Smart-City- und Industrie-4.0-Szenarien.
Auf diese Weise können Geräte wie Sensoren oder Aktoren miteinander kommunizieren und effiziente Prozesse und Dienstleistungen ermöglichen.
Funktionsweise und technischer Hintergrund
In Europa arbeitet Narrowband-IoT hauptsächlich in den Frequenzbändern 800 MHz (Band 20) und 900 MHz (Band 8), teilweise auch im 1800 MHz-Band (Band 3). Die niedrigen Frequenzen (800/900 MHz) sorgen für eine hohe Reichweite und sehr gute Gebäudedurchdringung, da langwellige Signale Hindernisse wie Betonwände besser durchdringen als hochfrequente LTE-Signale. Da diese Frequenzen Teil des allgemeinen Mobilfunknetzes sind, ist die Nutzung der Frequenzen im Gegensatz zu z. B. LoRaWAN* kostenpflichtig.
*Auch hier entstehen ggf. weitere Kosten durch Nutzung von kommerziellen LoRaWAN-Netzwerkservern.
| Technische Eigenschaften | Erläuterung |
|---|---|
| Frequenzen | in Europa 800 MHz (Band 20) und 900 MHz (Band 8), teilweise auch im 1800 MHz-Band (Band 3) |
| Datenraten | Uplink (Senden von Gerät zur Cloud): ca. 66 kbps (theoretisch bis 180 kbps mit optimierter Konfiguration), Downlink (Empfang vom Netzwerk zum Gerät): ca. 180 kbps, in der Praxis ähnlich oder leicht darunter |
| Reichweite | Bis zu 10 km in ländlichen Gebieten bzw. bis zum nächsten Sendemast (freies Gelände, wenige Hindernisse), bis zu 2 km in städtischen Gebieten, abhängig von Netzverfügbarkeit und Gebäudedichte) |
| Lizenzkosten und Nutzung | Für die Nutzung des Netzes wird eine NB-IoT-fähige SIM-Karte benötigt. Der Zugang erfolgt über einen Mobilfunkbetreiber, der die Infrastruktur und das Netz bereitstellt. Die laufenden Kosten sind im Vergleich zu klassischen Mobilfunktarifen niedrig, da nur geringe Datenmengen übertragen werden. Es gibt spezielle IoT-Tarife, oft mit langer Laufzeit (z. B. 10 Jahre), geringem Datenvolumen und günstigen Preisen. |
| Stärken | Sehr gute Gebäudedurchdringung (bis in Kellerräume oder Schächte), Geräte verbinden sich direkt mit dem Mobilfunknetz, es sind keine Gateways erforderlich. |
Verfügbarkeit von NB-IoT in Deutschland
In Deutschland ist Narrowband-IoT dank des aktiven Ausbaus durch die großen Mobilfunknetzbetreiber flächendeckend verfügbar. Die Technologie wird von Telekom Deutschland, Vodafone und Telefónica (o2) im lizenzierten Frequenzspektrum betrieben und ist heute in nahezu allen Regionen nutzbar, sowohl in städtischen als auch in ländlichen Gebieten.
Die Deutsche Telekom hat bereits früh eine nahezu vollständige Abdeckung in ihrem LTE-Netz realisiert. Auch Vodafone betreibt ein bundesweites NB-IoT-Netz, das Industrie, Städte und Kommunen erreicht. Telefónica bietet ebenfalls eine zunehmende Netzabdeckung für IoT-Anwendungen im LTE-Netz mit NB-IoT-Unterstützung.
In der Praxis können Unternehmen mit NB-IoT-fähigen SIM-Karten oder eSIM-Lösungen bundesweit Projekte umsetzen – von einzelnen Standorten bis zu großflächigen Rollouts. Auch Roaming in anderen europäischen Ländern wird von vielen Anbietern unterstützt, was NB-IoT zur idealen Lösung für internationale IoT-Geräte macht.
Typische Einsatzgebiete und Anwendungsbeispiele
Smart Metering
- Erfassung und Optimierung von Energieverbräuchen, Auslesen von Strom-, Gas-, Wasser- oder Wärmezähler, auch Anbindung bestehender Energiezähler möglich (z.B. Modbus RTU
Smart City
- Intelligente Straßenbeleuchtung, Straßenlaternen richten sich automatisch an Tageszeiten oder Verkehrsaufkommen, sie erkennen und melden außerdem Störungen automatisch.
- Parkplatzmanagement: Sensoren in oder unter Parkplätzen erfassen, ob ein Stellplatz belegt ist, und leiten die Information in Echtzeit an Navigationssysteme oder Parkleitsysteme weiter.
- Abfallmanagement: Füllstandsensoren melden, wann Container geleert werden müssen – das spart unnötige Fahrten.
Smart Farming
- Überwachung der Bodenfeuchte- und Wetterdaten zur Optimierung der Bewässerung
- Erfassung von Füllständen (Tanks und Silos für z.B. Düngemittel, Futtermittel)
- Tierortung oder Zustandsmonitoring von Weidetieren
- Frühwarnsysteme für Frost, Schädlingsbefall oder Umweltrisiken
Flottenmanagement
- NB-IoT verbessert das Flottenmanagement: Fahrzeuge können mit NB-IoT-Trackern ausgestattet werden, die kontinuierlich den Fahrzeugstatus übermitteln. Flottenmanager erhalten so Echtzeitinformationen über ihre Fahrzeuge und Wartungsbedarfe lassen sich frühzeitig erkennen und planen. Dadurch werden Ausfallzeiten reduziert. Die verbesserte Überwachung und Steuerung der Flotte führt zu Kosteneinsparungen und einer höheren Effizienz.
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SMARTsensor für analoge & digitale Sensoren
Das SMARTsensor IoT-Paket dient der Überwachung von Anlagentechnik dezentraler Infrastruktur, z. B. Wasserwirtschaft, Energiemanagement, Klimatechnik, Drucklufttechnik und Gebäudeautomation, für ein effektives Störungs- und Überwachungsmanagement aller Standorte in einer Plattform.
CMi6110 – Internes Konnektivitätsmodul für Landis + Gyr UH50/UC50
Das CMi6110 von Elvaco ist ein integriertes Kommunikationsmodul, das in einem Landis+Gyr UH50 Wärmezähler/UC50 Rechenwerk montiert werden kann, um Zählerdaten über ein NB-IoT-Netzwerk an einen Empfänger zu senden. In zwei Varianten erhältlich mit Batterie oder Stromanschluss.
UC502-N03GL NB-IoT LTE Controller
Der UC502-N03GL von Milesight ist ein Multi-Interface-Controller für die Datenerfassung verschiedener Sensoren und Ausrüstungen. Er enthält unterschiedlichste Schnittstellen, die die Integration von NB-IoT/Cat.M Daten vereinfachen.
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Unterschiede zu LoRaWAN
NB-IoT ist in die globalen Mobilfunknetze integriert und wird direkt von betrieben. Damit muss kein eigenes Netz aufgebaut werden, sondern es kann das vorhandene Mobilfunknetz genutzt werden. Daher eignet sich diese Technologie ideal für Anwendungen, bei denen eine flächendeckende Versorgung im Vordergrund steht. Auch wenn es öffentlich zugängliche LoRaWAN-Netzwerke gibt, unterscheidet sich LoRaWAN dahingehend, dass es auch möglich ist, eigene private LoRaWAN-Netzwerke aufzubauen. Dies ist insbesondere ein Vorteil für Unternehmen, die unabhängig von Providern agieren möchten. Denn die Nutzung der Frequenzbänder an sich ist lizenzfrei. Jedoch sind die initialen Kosten für die Errichtung eines LoRaWAN-Netzes zunächst höher.
Werden einzelne wenige Sensoren über verteilte Standorte benötigt, kann NB-IoT unter Umständen die geeignetere Technologie sein. Soll dagegen z. B. ein ganzes Areal oder Campus mit vielen Sensoren ausgestattet werden, kann es sinnvoll sein, ein eigenes LoRaWAN-Netzwerk zu errichten.
Außerdem bietet die NB-IoT Funktechnologie im Vergleich zu LoRaWAN eine etwas höhere Bandbreite für LPWAN und eine leistungsfähige Downlink-Kapazität von Server zu Gerät.
| Kriterium | NB-IoT | LoRaWAN |
|---|---|---|
| Frequenzbereich | lizenziertes Spektrum (LTE-Bänder) | unlizenziertes Spektrum (ISM-Band, z. B. 868 MHz in EU) |
| Netzwerkbetrieb | durch Netzbetreiber | öffentlich oder privat in eigenem Netzwerk |
| Reichweite | bis 10 km bzw. bis zum nächsten Funkmast | bis zu 15 km (je nach Umgebung und Gateway) |
| Gebäudedurchdringung | sehr gut, durch spezifischen Frequenzbereich | gut, aber abhängig von Gateway-Position und -Dichte |
| Datenraten | bis 180 kbps | typisch < 50 Kbit/s |
| Energieverbrauch | sehr niedrig (mehrere Jahre Batteriebetrieb möglich) | sehr niedrig (mehrere Jahre Batteriebetrieb möglich) |
| Sicherheit | Mobilfunk-Verschlüsselung (SIM-basiert, LTE-Standards) | AES-128 auf Applikations- und Netzwerkschicht |
| Skalierbarkeit | hoch – Mobilfunkzellen unterstützen viele Geräte | hoch – abhängig von Gateway-Dichte und Duty Cycle |
| Kostenstruktur | Geringe Investitionskosten, aber monatliche SIM-/Netzgebühren | Keine Netzgebühren bei Eigenbetrieb, ggf. Gebühren für Nutzung eines kommerziellen LNS, initiale Investitionskosten bei Aufbau eines eigenen LoRaWAN-Netzwerks |
| Abhängigkeit von Dritten | hoch (Netzbetreiber) | gering (eigene Infrastruktur möglich) |
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