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5G, Proof-of-Concept, NB-IoT

Das „magische“ Leistungsdreieck von NB-IoT

NarrowBand-IoT ist als Funkstandard eine hervorragende Ergänzung zu LTE oder bald 5G. Diese beiden Mobilfunkfrequenzen eignen sich besonders gut zur schnellen Übertragung großer Datenmengen. NB-IoT punktet mit dem genauen Gegenteil. Was sich zunächst wie eine Einschränkung anfühlt, hat einen entscheidenden Vorteil: Extrem niedriger Energieverbrauch bei der Datenübertragung und eine sehr stabile Verbindung.

Mit NB-IoT gelingt es zum ersten Mal, einzelne Geräte mit mehrjähriger Batterielaufzeit über ein zertifiziertes Frequenzband zu vernetzen. Dies ermöglicht beispielsweise ein wartungsfreies Condition Tracking über einen sehr langen Zeitraum hinweg. Allerdings müssen in der Entwicklung der NB-IoT-Geräte die optimalen Leistungseigenschaften für den jeweiligen Anwendungsfall ausgelotet werden. Grundlage dazu sind die drei Faktoren des „magischen“ Leistungsdreiecks von NB-IoT:

1. Datenverkehrsprofil

Jede Datenübertragung verbraucht Energie. Sowohl das Intervall, in dem das Gerät Daten an den Uplink-Server sendet, als auch die Datenmenge entscheiden darüber, wie viel Batterieleistung benötigt wird. Die Uplink-Datenströme müssen daher genau auf den Anwendungsfall zugeschnitten werden. Die Frage ist: Welche Menge an Verkehrsnutzdaten erfüllt den Zweck des Gerätes, transportiert aber nicht zu viel Overhead. Denn das würde dafür sorgen, dass der Transmitter länger arbeitet als gerade nötig. Doch auch der Downlink-Verkehr ist maßgeblich. Gerade Firmwareupdates oder Veränderung des Sendeintervalls stellen eine Herausforderung dar. Eine Möglichkeit bieten hier vorinstallierte Profile, die dann bei der nächsten Verbindung mit einem wenige Bit großen Befehl aktiviert werden können.

2. Netzabdeckung

Die Netzabdeckung ist nicht ganz so einfach zu beeinflussen. Hier sind die Mobilfunkanbieter in der Pflicht. Entscheidend ist, ob das Gerät außerhalb oder innerhalb von Gebäuden verwendet wird. Selbst die Etage hat Einfluss auf die Leistungseigenschaften. Der Grund ist einfach: Um beispielsweise aus dem Keller zu senden, muss das Modul mehrere Wände und Decken durchdringen. Jedes einzelne Hindernis dämpft das Signal. Das NB-IoT-Modul muss daher die Sendeleistung erhöhen, um bis zur Basisstation vorzudringen. Die genauere Betrachtung des Anwendungsfalles bietet somit im Zusammenhang mit der Netzabdeckung ebenfalls Möglichkeiten zur Optimierung.

3. Batterielebensdauer

Die ersten beiden Faktoren beeinflussen massiv die Batterielebensdauer. Selbstverständlich könnte man eine beliebig große Batterie einsetzen. Dies müsste jedoch mit der Größe des Gerätes in Einklang gebracht werden. Speziell angefertigte Batterien können hier zwar helfen, allerdings machen diese Sonderanfertigungen meist den Preisvorteil der NB-IoT-Konnektivität zunichte. Vielversprechender ist daher die Anpassung des Hardware-Designs, sodass ein Betrieb mit Standardbatterien möglich ist.

Fazit

Die drei Faktoren des „magischen“ Leistungsdreiecks von NB-IoT hängen direkt voneinander ab. Wird der Datenstrom gesteigert, benötigt man eine gute Netzabdeckung, um die Batterie nicht zu sehr zu belasten. Ist bereits im Vorfeld bekannt, das die Netzabdeckung gering ist, sollte dies bei der Proportionierung der Batterie und in der Definition des Datenmodells vorhergesehen werden. Ist im Vorfeld deutlich, dass die Laufzeit eher nur einige Monate betragen soll, sind die Netzabdeckung und die Sorgfalt im Datenverkehrsprofil nicht entscheidend.

Auf den ersten Blick scheint das „magische“ Leistungsdreieck von NB-IoT die Komplexität in der Geräteentwicklung zu erhöhen. Allerdings bietet es auf der anderen Seite ein gutes und vor allem kalkulierbares Optimierungspotenzial. Je genauer Einsatzszenarien und Gerätedesign aufeinander abgestimmt sind, desto besser sind die Leistungseigenschaften. Um das genaue Verhältnis von Datenverkehrsprofil, Netzabdeckung und Batterielebensdauer auszuloten, ist ein IoT-Proof-of-Concept mit Funktionsdemonstrator hilfreich. So gelingt es, die effizienteste Lösung für das vernetzte Geschäftsmodell zu finden und zu große Sicherheitspuffer im Serienbetrieb zu vermeiden.

Zum Thema: 5 gute Gründe die für NB-IoT sprechen.

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Simon Rusch

Simon Rusch

Simon Rusch ist seit 2013 bei Q-loud und Spezialist für Themen rund um Digitale Wertschöpfung im Internet der Dinge und die praktische Umsetzung von IoT-Lösungen für Industrie, Gebäudetechnik und Energy Management.

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