Energieeffizienz trifft Internet of Things Narrowband-IoT: Auf der Schmalspur zur innovativen IT-Lösung

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Narrowband-IoT hat das Zeug dazu, Smart Cities und Smart Metering zu revolutionieren. Durch überlegene Konnektivität und herausragende Batterielebensdauer adressiert die Funktechnologie aktuelle Herausforderungen im Internet of Things (IoT) und öffnet die Tür zu künftigen Innovationen.

Die Zahl der weltweit eingesetzten netzwerkfähigen Geräte stieg in den letzten Jahren rasant an und eine Fortsetzung dieses Trends ist aufgrund der aktuellen Entwicklung – wie dem zunehmenden Ausbau von Großprojekten wie Smart Cities und Smart Metering, aber auch dem vermehrten Einsatz von IoT-Devices in Privathaushalten – zu erwarten. Eine Möglichkeit des Verbindungsaufbaus zum Internet kann hier der Einsatz von „Low Power Wide Area Network“-Technologien (LPWAN) wie „NB-IoT“ sein.

Unter die Haube geschaut: Der technische Rahmen

Bei Narrowband-IoT (NB-IoT) handelt es sich, neben LTE-M, LoRaWAN und Sigfox, um eine von mehreren LPWAN-Technologien, die in den letzten Jahren größere Verbreitung gefunden haben. Analog zu LTE-M basiert NB-IoT auf dem LTE-Standard, nutzt aber nicht den vollen Frequenzbereich des LTE-Netzes, sondern einen vergleichsweisen schmalen Bereich des Spektrums von 200 kHz, wobei die konkrete Frequenz in Abhängigkeit der einzelnen Länder variieren kann.

Damit einhergehend ist die verfügbare Bandbreite und die maximale Übertragungsgeschwindigkeit im Vergleich zu beispielsweise LTE-M zwar deutlich geringer, NB-IoT bietet aber andere Vorteile, deren Potenzial hauptsächlich vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig ist.

So ist aufgrund der Spezifikation der Betrieb von NB-IoT-Clients als stationärer Betrieb vorgesehen. Zwar wird Mobilität zumindest im Betriebsmodus „in-band“ – im Gegensatz zu „standalone“, der keine Handoffs zwischen Funkzellen erlaubt – unterstützt, diese geht jedoch mit erheblichen Einbußen der Datenrate, einer Erhöhung der Latenz und damit einem erhöhten Energiebedarf einher. Anwendungsfälle, die erhöhte Mobilität erfordern, können meist durch den Einsatz von LTE-M besser bedient werden.

Im Gegensatz zu LTE-M weist NB-IoT – beispielsweise durch das verwendete niedrigere Frequenzband und die eingesetzten Modulationstechniken – eine bessere Gebäudedurchdringung auf. Daher fällt die Empfangsqualität in schwer zugänglichen Bereichen, wie in Kellern oder Tiefgaragen, tendenziell besser aus als bei vergleichbaren Technologien. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile, wie eine geringere Zahl an wiederholten Übermittlungsversuchen und ein wesentlich geringerer Energieverbrauch.

Critical Use Cases: Smart Metering und Smart Cities im Fokus

Gute Gebäudedurchdringung und ein sehr niedriger Energiebedarf sind die Key-Features von Narrowband-IoT und machen es für viele Anwendungsfälle im Bereich Smart Metering und Smart Cities zu einer überaus geeigneten Funktechnologie: Vor allem bei Metering-Devices, wie Strom- oder Wärmemengenzählern, die oftmals in schlecht zugänglichen oder tiefen liegenden Räumlichkeiten verbaut sind, ist die bessere Gebäudedurchdringung von Vorteil.

Auch in dicht besiedelten Arealen mit der damit einhergehenden, größeren Anzahl via Funk kommunizierender Geräte weist NB-IoT bessere Verbindungseigenschaften auf und bietet sich hierdurch etwa zur Parkraumüberwachung in Parkhäusern an. Doch auch andere Einsatzgebiete, die zwar mit gutem Empfang aber fehlender stationärer Energieversorgung einhergehen, lassen sich mit NB-IoT gut bedienen, da aufgrund des geringen Energiebedarfs lange Batterielebenszeiten von fünf bis zehn Jahren möglich sind. Werden zum Beispiel im Zuge eines Umweltmonitorings Luftqualitätsmessungen an verschiedenen Punkten einer Stadt durchgeführt und die dabei erhobenen Messwerte nur einmal stündlich gebündelt an einen Server übermittelt, kann die Effizienz gesteigert werden.

Ebenfalls berücksichtigt werden sollte, dass die für NB-IoT zur Verfügung stehenden Mobilfunkverträge in der Regel Laufzeiten bis zu zehn Jahren bei einem geringen Datenvolumen von bis zu 1,5 GB über die Gesamtlaufzeit vorsehen. Wegen der (verhältnismäßig) hohen Latenzen und der geringeren Energieeffizienz wäre die Übertragung größerer Datenmengen via NB-IoT ohnehin nicht sinnvoll und gegebenenfalls eine andere Technologie eher geeignet.

Ein schlanker Protokoll-Stack für spezielle Anwendungen

Auch wenn Narrowband-IoT grundsätzlich, wenn auch mit gewissen Abstrichen, in der Lage ist, TCP-Verbindungen zu unterstützen, sollte in der Regel davon abgesehen werden. Stattdessen sind UDP-basierte Kommunikationsprotokolle zu bevorzugen, da TCP aufgrund des Overheads der Verbindung (3-Way-Handshake), aber auch der Kontrollmechanismen, wie der Quittierung jedes einzelnen Pakets, zu unnötigem Datenverkehr sowie Wartezeiten auf Geräteseite führt, wodurch die Effizienz beeinträchtigt wird. Lediglich für selten auftretende Operationen, wie die Übertragung von Firmware-Updates auf die im Feld befindlichen Geräte, sollte auf TCP-basierte Übertragungswege zurückgegriffen werden.

Klassische, auf TCP-basierende IoT-Protokolle wie MQTT stellen daher keine geeignete Option dar, um das Gros der Kommunikation abzuwickeln. Stattdessen sind Protokolle wie das an REST angelehnte CoAP (Constrained Application Protocol) oder der MQTT-Aufsatz MQTT-SN (MQTT for Sensor Networks) zu bevorzugen.

Sowohl via CoAP als auch MQTT-SN lässt sich bidirektionale Kommunikation ermöglichen. Im Gegensatz zu CoAP, bei dem lediglich mittels „Observe“ Ressourcen-Änderungen an Clients propagiert werden können, bietet MQTT-SN hier die Möglichkeit, Änderungen über entsprechende Subscriptions Messages, die auf bestimmten Topics gepublished wurden, zu erhalten. MQTT-SN kann außerdem Short-Topics beziehungsweise Topic-IDs registrieren, wodurch sich der Overhead der ausgetauschten Messages reduzieren lässt. Zudem sieht das State-Management von MQTT-SN vor, dass Clients keine durchgehende Verbindung zum Server unterhalten müssen und sich in einen so genannten „Sleep“-Mode abmelden können. Sobald sich das Gerät wieder beim Server meldet, werden Nachrichten, die in der Zwischenzeit am MQTT-Gateway angefallen sind, an den Client weitergeleitet. Es bietet somit die Möglichkeit, einerseits von den Vorzügen eines vollwertigen Message-Protokolls zu profitieren, und andererseits auf ressourcenschonende Art mit dem Backend zu kommunizieren.

Sicherheit: Security bei limitierten Ressourcen

Neben der Vertraulichkeit stellt die Manipulation der zu übertragenden Daten ein großes Risiko dar, weshalb der Einsatz von Ende-zu-Ende-Verschlüsselung essenziell ist. Gleichzeitig stellt der Sicherheitsaspekt in NB-IoT-Anwendungen insofern eine größere Herausforderung dar, als dass verbreitete Verfahren wie TLS aufgrund der Verwendung von TCP statt UDP nicht in Frage kommen und gleichzeitig der Einsatz kryptografischer Algorithmen mit einem erhöhten Energiebedarf einhergeht, weshalb hier zumindest im Fall batteriebetriebener Geräte Verfahren mit Hardwareunterstützung eingesetzt werden sollten.

Es lässt sich ein Dreieck aus diametralen Aspekten identifizieren, innerhalb dessen eine für den jeweiligen Anwendungsfall sinnvolle Abwägung zwischen Energieeffizienz, Security und der Bandbreite beziehungsweise dem verfügbaren Datenvolumen getroffen werden muss (siehe Abbildung 1).

Zusammenfassung und Ausblick

Narrowband-IoT ist eine stark spezialisierte Kommunikationstechnologie, die für sehr spezifische Anwendungsfälle entwickelt wurde. Die inhärenten Limitierungen erfordern den Einsatz ausgefallenerer Technologie-Stacks, um das volle Potenzial ausschöpfen zu können.

Mit dem zunehmenden Aufkommen weitreichender IoT-Anwendungen sowie dem Bereitstellen von „Smart-Metering“-Systemen steht NB-IoT vor einer entscheidenden Phase. Die Bedeutung wird voraussichtlich in naher Zukunft zulegen, womit die bisher ungenutzten Potenziale enthüllt und ausgeschöpft werden.

Über den Autor

Christopher Krafft ist seit 2016 als Softwareentwickler bei Adesso im Bereich IoT tätig. Seit 2019 beschäftigt er sich in unterschiedlichen Projektkontexten mit der Konzeption und Entwicklung von unter anderem NB-IoT-basierten Anwendungen.

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