4G – was ist das?
Bei 4G handelt es sich um die umgangssprachliche Bezeichnung des Mobilfunkstandards der vierten Generation. Angefangen haben diese Standards bei der ersten Generation. Diese auf Analogtechnik basierende Technologie, manchen unter Umständen noch als B- oder C-Netz bekannt, ist jedoch heute nicht mehr im Einsatz. Seither hat sich der Mobilfunkstandard stetig weiterentwickelt. Aktuell werden die Generationen zwei bis fünf eingesetzt, wobei sich die fünfte Generation erst im Aufbau befindet – doch dazu später mehr.
4G, NB-IoT, LTE, NB1 – Wir bringen Licht in den Abkürzungs-Wirrwarr
Mit der Einführung von Release 8 des 3GPP (3rd Generation Partnership Project), des Standardisierungs-Gremiums für Mobilfunkstandards, entstand im Jahr 2008 LTE (Long Term Evolution). Wie im Release beschrieben, gehört LTE zum Mobilfunk der vierten Generation. Die Einführung galt gleichzeitig als Geburtsstunde von 4G. Heute verwendet man die beiden Begriffe LTE und 4G oftmals synonym.
Betrachtet man die Entwicklung der Mobilfunk-Standards über die Jahre, so ist erkennbar, dass die Datenraten ständig zugenommen haben. Dieser Trend ist der starken Verbreitung des mobilen Internets (Mobile-Broadband) geschuldet. Die treibenden Kräfte waren über lange Zeit die steigenden Datenraten und Teilnehmerzahlen. Damit einhergehend wurden die Endgeräte immer teurer und energiehungriger, was jedoch durch die stetige Verbesserung der Akku-Technologie für die Endanwender praktisch nicht bemerkbar war.
Die Fernübertragung von Messwerten stellt im Gegensatz dazu andere Anforderungen an den Mobilfunk. Eine hohe Zuverlässigkeit, ein geringer Energiebedarf, eine kostengünstige Hardware, eine weltweite Einsetzbarkeit und eine teilweise geringe Latenz sind hier die Kenngrößen, welche die Eckpfeiler für die Machine-to-Machine und Internet of Things Kommunikation festlegen. Release 13 im Jahr 2015 lieferte die Antwort des 3GPP auf diese Anforderungen. Darüber hinaus hat der Release auch die Namen geprägt, wie sie heute noch verwendet werden – NB-IoT, M1 und NB1.
Innerhalb von 4G existieren zwei Mobilfunktechnologien. Der Unterschied zum klassischen LTE (Mobile-Broadband) ist jener, dass diese zwei Technologien für IoT-Anwendungen getrimmt wurden. Für beide Technologien existieren Synonyme:
- NB-IoT / NB1 (in Release 14 folgte NB2 als Erweiterung für NB1)
- M1 / LTE-M1 / eMTC
Es war ein langer Weg…
Vor Release 13 hat sich der Begriff LTE-CAT1 im IoT-Bereich vermehrt ausgeprägt. LTE-CAT1 ist jedoch etwas völlig anderes als LTE-M1. Tatsächlich handelt es sich bei LTE-CAT1 um das LTE zu seiner Geburtsstunde – also im Jahr 2008. Es kam jedoch als erste 4G-Technologie damals nicht zum Einsatz, da es eine deutlich niedrigere Datenrate hatte (10Mbit Downlink) als die etablierten und weit verbreiteten 3G-Technologien (>50Mbit DL). LTE-Endgeräte wie beispielsweise Smartphones, die sich seit damals in großen Mengen im Handel eingefunden haben, sind zumeist CAT3 oder besser (>100Mbit DL).
Die Zeit vor Release 13 war für IoT-Anwender äußerst düster – vergleichbar mit einem IoT-Mobilfunkmittelalter. Es herrschte über Jahre hinweg ein regelrechtes Begriffschaos. Viele Ideen wurden laut, welche kurze Zeit später wieder in der Versenkung verschwanden. Übrig blieben viele unterschiedliche Bezeichnungen, welche das Chaos nur verschlimmerten.
Darüber hinaus war 2G zu diesem Zeitpunkt die am häufigsten verwendete Technologie für IoT. 3G war bereits um ein Vielfaches teurer und das weit verbreitete 4G (CAT3+) war nicht bezahlbar. Zusätzlich kündigten einige Länder – allen voran die Schweiz – das Ende von 2G an. Dadurch entstand der Zwang, neben 2G auch 3G/4G einzusetzen oder zumindest einen Migrationspfad zu finden. Unternehmen mit dem Zielmarkt „DACH Region“ waren damit automatisch im Handlungszwang.
Diese Entwicklung verhalf den LTE-CAT1-Lösungen zu mehr Aufmerksamkeit. Die verfügbaren CAT1 Modems waren um ein Vielfaches günstiger als CAT3+ Modems und wurden, mit den technologischen Vorteilen von LTE gegenüber UMTS, als zukunftssicher erachtet. Erst mit Release 13 entstand ein Lichtblick für IoT-Anbieter. Dennoch: die verfügbaren Modems, welche NB-IoT oder LTE-M1 unterstützten, waren zu diesem Zeitpunkt noch lange nicht fehlerfrei. Erst jetzt – Ende 2021 – kann man davon sprechen, das Gröbste überstanden zu haben und derartige Lösungen mit weniger Reibungsverlusten umsetzen zu können.
It´s a match – die passende Konnektivität für meine Applikation
Was sich hinter den vielen Abkürzungen versteckt und welche Begriffe synonym verwendet werden können, haben wir bereits geklärt. Der nächste Schritt gibt Aufschluss, wann welche Konnektivität eingesetzt wird.
- NB-IoT ist konzipiert für äußerst geringe Datenmengen und sollte nachrichtenbasiert eingesetzt werden. Eine IoT-Anwendung, welche früher mit SMS-Versand gelöst wurde, setzt man heute mithilfe von NB1 um.
- LTE-M1 ist eine Weiterentwicklung von 2G – quasi die moderne Antwort auf 2G-EDGE. Es eignet sich daher gut für alle IoT-Lösungen, die eine TCP/IP Verbindung benötigen, jedoch keine hohen Datenraten. Trotz der TCP/IP-Fähigkeit von LTE-M1 würde es dem Endanwender am Smartphone jedoch keine Freude bereiten, da die Datenraten von LTE-M1 noch wie im Jahr 2000 sind.
- LTE-CAT1 eignet sich für Lösungen, die eine etwas höhere Datenrate erfordern, wie beispielsweise die Übertragung von einzelnen Bildern oder eines Recordsets (Set von Audio-Aufnahmen).
- 3G-Technologien wurden zwar zwischenzeitlich eingesetzt, haben in der IoT-Welt jedoch ihre Bedeutung verloren. Die aktuellen Trends zeigen in Richtung LTE-M1/LTE-CAT1 oder NB-IoT.
Warum zwei Antennen nicht immer besser sind als eine
In manchen Fällen werden für eine 4G-Übertragung zwei Antennen benötigt. Um zu klären, wann und wieso das so ist, müssen wir etwas weiter ausholen. Mit 3G/UMTS wurde erstmal der Begriff der „RX-Diversity“ geprägt. Darunter versteht man, dass am Endgerät zusätzlich zur Hauptantenne eine „RX-only“ – also eine zusätzliche Empfangsantenne – angebracht wird. Die Antennen sollten in unterschiedlichen Polarisationsebenen stehen. Dadurch lässt sich die Signalqualität am bewegten Endgerät verbessern –> zwei Antennen empfangen mehr als eine!
Im Zuge von LTE wurde der Gedanke weiterentwickelt. Das Ergebnis war „MIMO“ (Multiple Input – Multiple Output), was in CAT3 als 2×2 Konfiguration umgesetzt wurde. Das bedeutet, dass in LTE-CAT3 per Definition zwei Antennen, welche beide Sende- und Empfangsantennen sind, sowohl im Endgerät als auch in der Basis-Station integriert sind. CAT3+ setzt diese Anforderung bei der Zulassung voraus. In LTE-CAT1 gibt es im Gegensatz dazu noch kein MIMO und daher auch keine Notwendigkeit für eine zweite Antenne. Was es jedoch gibt, ist die bereits erwähnte RX-Diversity.
Der myDatalogEASY IoT 2G/4G beispielsweise, hat ein LTE-CAT1 Modem mit 2G-Fallback, also eine Hauptantenne und eine Diversity-Empfangsantenne. Mit der Diversity-Antenne lässt sich auch in LTE-CAT1 die Signalqualität verbessern, selbst wenn es dort eigentlich nicht erforderlich ist, da die Reichweite von 4G ohnehin höher ist als die Reichweite von 3G.
Beim myDatalogEASY IOT 2G/M1/NB1 World benötige ich im Vergleich dazu nur eine Antenne. Das ist der Fall, weil es in LTE-M1 und NB-IoT keine RX-Diversity in den 3GPP Spezifikationen gibt. Aus diesem Grund haben entsprechende Modems auch nur einen Antennenanschluss anstatt zwei. Das externe hinzufügen der RX-Diversity wäre möglich, würde aber keinen Sinn ergeben. Die Reichweite von LTE-M1- und NB-IoT-Geräten ist aufgrund des höheren Link-Budges ohnehin höher. Die Zusatzkosten, welche für die zweite Antenne anfallen würden, sind daher nicht vertretbar.
Zusammengefasst – so viele Antennen benötige ich:
Die Anforderung wird häufig vom Hersteller vorgegeben. Dennoch kann man folgendes zusammenfassen:
- 2G: eine Antenne
- 3G mit RX-Diversity: zwei Antennen verpflichtend
- 4G LTE-CAT1: zweite Antenne optional
- 4G LTE-CAT3+: zwei (oder mehr) Antennen verpflichtend
- 4G LTE-M1: eine Antenne
- 4G NB-IoT: eine Antenne
Der Hype um 5G – gerechtfertigt oder nicht?
Wie bereits erwähnt, ist 4G endlich problemlos einsetzbar. Jetzt bereits von 5G zu träumen, ist daher etwas weit hergeholt. Mit New-Radio (NR) erhält 5G zwar deutliche Verbesserungen am RAN – gerade im Segment der Realtime-Fähigkeit (uRLLC), die in 4G momentan nicht möglich ist – jedoch muss dafür auch das Netzwerk auf NR umgerüstet werden. Aufgrund der hohen Verbreitung von LTE-Basisstationen wird diese Umrüstung jedoch vermutlich noch Zeit in Anspruch nehmen. Es besteht die Möglichkeit, dass 4G und 5G in Zukunft gemeinsam eingesetzt werden. Man spricht von einer Infrastruktur aus 4G- und 5G-Basisstationen, welche gemeinsam in einem 5G Core-Netz koexistieren. Aus aktueller Sicht steht 5G daher eher in Konkurrenz zu WiFi, im Bereich des eMBB (enhanced Mobile Broadband) bei den sogenannten „Campus-Netzen“.
Fazit:
4G bietet bereits eine Lösung für die meisten aktuellen IoT-Lösungen. Wer jetzt eine Lösung braucht, ist gut damit beraten, 4G einzusetzen. Wer genug Zeit, Geld und Geduld zur Verfügung hat, kann sich aber auch gern an 5G versuchen.
