Die Kommunikation der Dinge

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Sensor-Meldungen über Sub-Gigahertz-Frequenzen, quengelnde Mülleimer, vernetzte Zahnbürsten: Das Internet of Things, kaum dass es entsteht, führt bereits ein Eigenleben. Aus Sicht von Funk-Ingenieuren ist das aber auch notwendig.

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Alle paar Wochen gehen neue Rekordmeldungen über die schnellste mobile Datenübertragung durch die Nachrichtenticker: Mehr Bandbreite für größere Filme, mehr Smartphones und andere datenhungrige Devices. Doch während auf der einen Seite immer mehr Kanäle gebündelt und Antennen-Arrays zusammengesteckt werden, um die Datenmengen von A nach B zu bekommen, gibt es auch die gegenläufige Richtung: Milliarden funkender Dinge, denen ein paar Bit pro Sekunde ausreichen, um zum Beispiel über ihr aktuelles Befinden zu berichten, werden demnächst an der Kommunikation teilnehmen. Das zumindest verkünden Marketingabteilungen vieler Firmen unermüdlich auf Mobilfunk- und Computermessen. Neben Sensordaten, die zum Beispiel den Verschleiß eines Bauteils kundtun, gibt es inzwischen vernetzte elektrische Zahnbürsten, Turnschuhe und vieles mehr. Und immer mehr medizinische Geräte werden ans Netz angeschlossen.

Vergrößern Je größer die Reichweite ist, desto weniger Equipment muss beim Kunden installiert werden.

An die Übertragungsverfahren stellen diese Geräte, falls sie in den angekündigten Mengen auftreten, ganz neue Anforderungen. Die Übertragungsprotokolle sollten bei den geringen Datenraten keinen allzu großen Overhead haben, also möglichst hohen Nutzdatenanteil. Die Geräte sollten günstig sein und die Unterhaltskosten überschaubar. Außerdem ist eine geringe Stromaufnahme wichtig: Sie sollten ein paar Monate, wenn nicht Jahre ohne Batteriewechsel und überhaupt auch ohne Wartung arbeiten. Auch auf Netzwerkseite ist Anpassung gefragt. Wenn Millionen Wasserzähler alle auf einmal Ihren Zählerstand ins Mobilfunknetz schicken, könnte es sonst zu Aussetzern in der Sprachkommunikation kommen.

Vielen Anwendungen, etwa in der Heimautomatisierung, genügen ein paar Meter Reichweite. Die Daten werden dann von einem Gateway vor Ort eingesammelt und von diesem etwa per Kabel weitergeschickt. Daneben gibt es aber immer mehr Anwendungsszenarien mit größeren Distanzen. Der Wasserzähler im Keller beispielsweise, der seinen Stand automatisch an die nächste Basisstation weitergibt. Die größere Reichweite ist gerade für die IoT-Provider wichtig, weil die Infrastruktur ihrer Kontrolle untersteht und weil sie sehr viele Geräte gleichzeitig versorgen wollen.

Eine Menge Standardisierungsgremien verpassen ihren Kommunikations-Spezifikationen derzeit Versionen für die M2M- oder MTC-Kommunikation (Maschine-to-maschine, Maschine type Communication). Daneben gibt es viele proprietäre Lösungen und um das alles miteinander kompatibel zu machen, bilden sich Zusammenschlüsse. Allerdings ebenfalls gleich mehrere, und natürlich nicht von vornherein zueinander kompatible.

Die Mobilfunkbranche, die unter dem Dach des Third Generation Partnership Project, 3GPP, LTE-Spezifikationen entwickelt, trimmte sie bis zum "Release 11" hauptsächlich auf immer höhere Datenraten. Selbst die langsamste Gerätekategorie 1, die die geringsten Anforderungen stellt, empfängt bis zu 10 MBit/s und sendet bis zu 5 MBit/s und nutzt dafür einen 20 MHz breiten Kanal. Damit sind solche Geräte immer noch hauptsächlich für gängige Anwendungen mit menschlicher Interaktion ausgelegt, also zum Surfen und Mailen gedacht. Jetzt plant das 3GPP auch in die andere Richtung: In LTE Release 12 hat die Organisation die Gerätekategorie 0 eingeführt. Diese Geräte befördern nur noch 1 MBit/s in Sende- und Empfangsrichtung und sind damit deutlich genügsamer.

Die Pläne für den Release 13, der 2016 verabschiedet werden soll, sehen vor, die Komplexität weiter zu verkleinern. Mit einer auf 1,4 MHz reduzierten Bandbreite, geringerer Sendeleistung und optional nur noch Halbduplex-Betrieb soll die Komplexität gegenüber Kategorie 1 auf ein Viertel reduziert werden. Später könnte die Bandbreite sogar auf bis auf 200 kHz abnehmen. Gleichzeitig will das 3GPP die Zuverlässigkeit der Verbindung verbessern, etwa durch wiederholtes Senden von Referenzsignalen. Das käme zum Beispiel der Datenerfassung von Messgeräten im Keller zugute.

Dank einer genügsamen Auslegung könnten Geräte, die gemäß einer künftigen Maschinenversion der LTE-Spezifikation funken, mit der Breite eines GSM-Kanals auskommen. Alternativ dürften sie in den Schutzabstandslücken funken, die der Highspeed-LTE-Mobilfunk lässt, schreibt Nokia in einem Whitepaper zu LTE-M. Für eine gute Ausbreitung auch aus dem Keller heraus sind dabei die Sub-Gigahertz-Frequenzen besonders interessant.

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