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LPWAN vs. Mobilfunk

Patrick Schnabel

Beim Aufbau eines Sensor-Netzwerks hat man die Wahl zwischen LTE-basierten Mobilfunknetze und LPWAN-Funktechniken.

Eigenschaften Mobilfunk

  • Das Sicherheitsniveau der LTE-basierten Standards ist höher als bei LPWAN-Funktechniken. Beim Verbindungsaufbau werden die Sicherheitsmerkmale der SIM-Karte mitverwendet. Das macht Verwechslungen unmöglich.
  • Mobilfunk-Verbindungen über exklusive Frequenzen sind weniger störanfällig.
  • Die Betriebskosten erscheinen überschaubar. Die Tarife haben mehrjährige Laufzeiten, enthalten genügend Volumen für IoT-Zwecke und kosten pro Gerät wenige Euro.
  • LTE-basierte Mobilfunktechniken stellen den besten Übertragungsweg für den Redundanz- und Rückmeldekanal von Alarmierungsnetzen dar. Sie sind robuster, zuverlässiger, sicherer und flexibler.
  • Mobilfunktechniken bieten die höchsten Übertragungsrate.
  • Der LTE-basierte Mobilfunk verbraucht generell mehr Energie, da in regelmäßigen Abständen eine Synchronisation mit dem Netz erfolgen muss und längere Tiefschlafphasen der Funkmodule nicht vorgesehen ist.

Eigenschaften LPWAN

  • Netzverbindungen für Geräte oder Anlagen, die ursprünglich nicht als vernetzungsfähig geplant waren.
  • Die Latenz ist mit 1,4 bis 10 Sekunden sehr hoch und deshalb nicht für zeitkritische Anwendungen und Echtzeit-Systeme geeignet.
  • Für mobile Anwendungen kann man die Technik nur beschränkt nutzen, weil das Handover fehlt, also die gleitende Weitergabe einer Verbindung von Zelle zu Zelle.
  • LoRaWAN erlaubt einen sehr günstigen Aufbau von Private Networks.
  • Wenn öffentliche Netze nicht verfügbar sind, dann lassen sich eigene Systeme mit lizenzfreien Funktechniken einsetzen.
  • Ein lizenzfreies LPWAN ist nicht dafür ausgelegt, eine lückenlose Mobilität bei hohen Geschwindigkeiten zu gewährleisten.

Fazit

Es spricht viel dafür, dass sich die beschriebenen Funktechniken eher komplementär und nicht im Verdrängungswettbewerb entwickeln.
Speziell für IoT-Anwendungen entwickelte und aufgebaute LPWAN-Funknetze, werden aber nur für spezielle Anwendungen eine Rolle spielen. Der große Sprung steht hier noch bevor. Hier kämpfen mehrere Standards und Implementierungen um Marktanteile und Aufmerksamkeit.

Funktechniken für das Smart Home

Patrick Schnabel

Intelligente Geräte erobern das Smart Home. Neben der Vernetzung mit dem Internet steht die Verknüpfung der Geräte untereinander im Fokus. Hierfür gibt es verschiedene Funkstandards, die aber zueinander inkompatibel sind. Die meisten Smart-Home-Komponenten setzen auf eine Anbindung zu einem Cloud-Dienst des Herstellers.

Hier stellen wir die Vorteile und Nachteile von Geräten mit WLAN, Zigbee und DECT vor.

WLAN / IEEE 802.11

Wireless LAN (WLAN) auf Basis von IEEE 802.11 hat eine hohe Akzeptanz bei Herstellern und Konsumenten. Heute ist in jedem mobilen Gerät eine WLAN-Funktion integriert. Damit ist WLAN das am weitesten verbreitete drahtlose Netzwerk.

Vorteil: Es braucht keinen speziellen Hub oder ein Gateway. Man meldet die Geräte direkt im vorhandenen WLAN an.

Nachteil: WLAN-Endgeräte funktionieren nicht ohne dauerhafte Energieversorgung.

ZigBee

ZigBee ist ein Funkstandard zur drahtlosen Kommunikation zwischen Sensoren und Geräten und sollte ursprünglich die vielen proprietären Funktechniken für Mess- und Steuerungszwecke ablösen.
Heute ist ZigBee besonders bei vernetzten Leuchtmitteln und Steckdosen sehr verbreitet.

Vorteil: Geringer Stromverbrauch der Funkmodule wodurch der Batteriebetrieb möglich ist.

Nachteil: Die Geräte benötigen ein Gateway mit WLAN oder Ethernet zum lokalen Netzwerk, damit sie von dort aus gesteuert werden können.

DECT

DECT ist aus einer langen Reihe von Standards für die schnurlose Sprachübertragung hervorgegangen. Mit definierten Zugriffsprotokollen ist eine reibungslose Interaktion mit unterschiedlichen Systemen und Netzen möglich.
Mit DECT-ULE werden die Anforderungen hinsichtlich geringer Latenz und niedrigem Energieverbrauch berücksichtigt, wodurch DECT auch für Smart Home und das Internet der Dinge interessant ist.

Vorteil: DECT ist in AVM Fritzboxen und Gigaset-Endgeräte integriert, wodurch das notwendige Gateway vorhanden ist.

Nachteil: Von allen Funktechniken ist DECT das exotischste mit geringer Auswahl und teuren Komponenten.

Das Mobilfunknetz als Low-Power-WAN

Patrick Schnabel

Low Power Wide Area Networks (LPWAN) sind Vernetzungskonzepte bei denen eine hohe Netzabdeckung und ein geringer Energieverbrauch die zentralen Kriterien beim Betrieb eines solchen Funknetzwerks für ein Internet der Dinge maßgeblich sind.
Typische IoT-Geräte sind Sensoren und Aktoren, die keine konstante Verbindung benötigen und auch keine hohen Datenmengen übertragen. Viele davon befinden sich in Gebäuden oder an entlegenen Orten. Es wird also ein Netz mit extrem hoher Abdeckung benötigt, das eine große Anzahl von Teilnehmern gleichzeitig bedienen kann.

Das LTE-Mobilfunknetz ist für die typischen Anforderungen des Internets der Dinge nicht geeignet. Die Einschränkungen ergeben sich aus der Komplexität der Mobilfunkmodems, dem hohen Stromverbrauch und der geringen Reichweite und Netzabdeckung.
Denkbar wäre die Nutzung niederer Gerätekategorien, wie zum Beispiel Cat. 1 oder sogar Cat. 0. Doch das löst die netzseitigen Einschränkungen nicht auf.

Die Standardisierungsorganisation 3GPP hat LTE-Cat-M1 und LTE-Cat-NB1 genau auf IoT-Anwendungen zugeschnitten. Beide Spezifikationen reduzieren die Komplexität des Funkmoduls. So sind Antenne und Transceiver einfach gehalten und somit kostengünstig herzustellen. Sie kommen mit wenig Strom aus (unter 15 µA im Idle-Mode) und erzielen hohe Reichweiten (10 bis 15 km). Beides ist möglich, weil die maximale Datenrate empfangs- und sendeseitig begrenzt ist. Zur Authentifizierung dient wahlweise eine SIM-Karte oder eSIM.

LTE-Cat-M1 und LTE-Cat-NB1 werden weltweit als Nachfolgetechnik von 2G (GSM, GPRS und EDGE) und konkurrierender LPWAN-Lösungen positioniert. Eine flächendeckende Nutzung ist aber nur dann möglich, wenn LTE ausgebaut ist.

Warum Mobilfunk und Rundfunk zusammen nicht funktionieren

Patrick Schnabel

Das Mobilfunknetz mit Rundfunk zum Empfang von Radio und TV zu vereinen gibt es bereits seit UMTS (3G). Auf dem ersten Blick scheinen Mobilfunk und Rundfunk auch gut zusammenzupassen. Schließlich kann man beides mit mobilen Geräten, wie Smartphones, empfangen.

Mit 5G gibt es für Mobile-TV eine Neuauflage. Sie nennt sich „5G Today“. Damit sollen großflächige TV-Übertragungen im Mobilfunknetz umgesetzt werden.

Doch wie man es dreht und wendet, für die Rundfunkübertragung wurden die Mobilfunknetze nicht konzipiert.
Und so kann man alle Versuche, Mobilfunk und Rundfunk zu vereinen, als gescheitert ansehen.
Die Gründe dafür liegen in der unterschiedlichen technischen Umsetzung, Einschränkungen bei den Endgeräten, dem untypischen Nutzerverhalten und fehlendes Kundeninteresse.

Technische Gründe

Bei der klassischen Mobilfunkverbindung hat jeder Teilnehmer eine individuelle Verbindung zur nächsten Basisstation. Man bezeichnet das als Unicast. Der Bandbreitenbedarf steigt mit der Anzahl der Geräte. Jedes Endgerät ist im Netz registriert.
Sollen mehrere Endgeräte mit demselben Inhalt versorgt werden, bezeichnet man das als Multicast. Auch hier muss jedes Endgerät im Netz individuell registriert sein. Die Teilnehmer sind in Multicast-Gruppen eingeteilt.
Beim typischen Rundfunk werden alle erreichbaren Endgeräte mit identischen Inhalten versorgt, die nur einmal an alle gesendet werden. Man bezeichnet das als Broadcast. Die Endgeräte sind im Netz nicht registriert und können anonym bleiben. Der Bandbreitenbedarf steigt mit der Anzahl der Broadcast-Angebote.

Spezielle Inhalte

Die Nutzung von Mobile-TV bringt einige Besonderheiten mit sich. Ein direkter Vergleich mit dem normalen Fernsehen ist nicht möglich.
Die Mobilfunkbetreiber und TV-Sender stellen immer wieder fest, dass es für kleine Displays speziell bearbeitetes Videomaterial braucht. Tendenziell muss es mehr detaillierte Ausschnitte geben. In den Sendungen müssen Nah- und Großaufnahmen dominieren. Der Video-Produzent muss sich also schon vorher Gedanken machen, wie das Material nachher genutzt und weiterverarbeitet wird.

Nutzer und Nutzerverhalten

Mobile-TV ist auch für den Nutzer schwierig und gewöhnungsbedürftig. Auch wenn es viele Vorteile geben mag. Fernsehen am Smartphone ist unkomfortabel. Und auch die Anbieter haben ein Problem. Neue Hauptsendezeiten entstehen, etwa zu Berufsverkehrszeiten in den Morgen- bzw. Abendstunden. Zu diesen Zeiten existieren jedoch keine Inhalte für die entsprechenden Zielgruppen.
Außerdem sind die bevorzugten Orte für den Fernseh-Konsum zuhause zur Entspannung. Mobile-TV ist etwas bei Warte- und Fahrtzeiten. Generell ist die Nutzung immer nur kurz, dafür mehrmals täglich oder mehrmals wöchentlich. Eben eine typische Gelegenheitsnutzung.

Zielgruppen

Neben Technik-Freaks und jungen Leuten gehören vielleicht noch Nachtwächter, Taxifahrer und Pförtner zur Zielgruppe. Die Anzahl der Nutzer ist demnach nicht besonders groß und auch nur begrenzt zahlungskräftig.

Fazit

Mobile-TV ist ein Nischenprodukt, das hohe Investitions- und Betriebskosten verursacht. Ein lukratives Geschäftsmodell sieht anders aus.
In der Vergangenheit wurden alle Mobile-TV-Projekte in Deutschland eingestellt oder kamen über die Planungsphase nicht hinaus.

Warum eine Verfügbarkeit von 99% wenig aussagekräftig ist

Patrick Schnabel

Der Zustand des LTE-Ausbaus wird mit einer Verfügbarkeit von 99 % für das Netz der Deutschen Telekom angegeben. Da könnte man von einer nahezu lückenlosen Abdeckung ausgehen. In der Praxis sieht das anders aus. Wer viel unterwegs ist, dem werden die fehlenden 1% oft begegnen. Wie kann das sein?

Das hat mit einem unterschiedlichen Verständnis von Verfügbarkeit und Netzabdeckung zu tun.

Häufig wird die Netzabdeckung mit der geografischen Reichweite eines Funknetzes verwechselt.
Die Netzabdeckung gibt an, wie viel Prozent der Bevölkerung eines Landes das Mobilfunknetz nutzen können.
Die Fläche, die durch alle Basisstationen des Funknetzes versorgt wird, wird als Versorgungsbereich bezeichnet.

Das bedeutet, eine hohe Netzabdeckung oder Verfügbarkeit ist wenig aussagekräftig. Wichtig ist der Versorgungsbereich. Doch der wird nicht angegeben.

Mehr Informationen:

UMTS bis 2020 ersetzen

Patrick Schnabel

In den AGB der Deutschen Telekom befindet sich der Hinweis, dass die 3G-Mobilfunktechnik UMTS und HSPA „vorbehaltlich einer Verlängerung nur bis zum 31.12.2020 verfügbar“ ist. Bei den anderen Netzbetreibern dürfte es ähnlich aussehen. Konkrete Aussagen, ab wann 3G nicht mehr verfügbar ist, dürften nur schwer zu treffen sein.

Was bedeutet es, wenn 3G mit UMTS und HSPA nicht mehr verfügbar ist? Welche Lösungen gibt es dafür?

WLAN-Generationen

Patrick Schnabel

Die Fähigkeit von WLANs unterschiedlicher Generationen mit unterschiedlichen Bezeichnungen und eventuelle Inkompatibilitäten ist für Normalnutzer unverständlich und kaum auseinander zu halten. Einfachere Bezeichnungen sollen helfen. Statt der kryptischen IEEE-Projektgruppennamen haben die WLAN-Standards eine fortlaufende Nummer. Offiziell beginnt die Bezeichnung mit Wi-Fi 4 für IEEE 802.11n.

Was bedeutet es, wenn ein TCP-Port „Gefiltert“ ist?

Patrick Schnabel

TCP- und UDP-Ports sind eine Software-Abstraktion, um parallele Kommunikationsverbindungen einer oder mehreren Anwendungen voneinander unterscheiden zu können.

Der Zustand „Filtered“ oder „Gefiltert“ ist dann gegeben, wenn der kontaktierte Port durch eine Firewall geschützt ist und auf Verbindungsversuche nicht antwortet. Das heißt, die Verbindung wird weder bestätigt (Offen), noch abgelehnt (Geschlossen).