Mobilfunk-Standards gestern, heute und morgen: ein Überblick

Mobilfunkmast. Quelle: Andreas Glöckner, Pixabay

Wer über IoT und Mobilfunk spricht, wird mit einer Vielzahl von Begrifflichkeiten, vor allem die verschiedenen Standards betreffend, konfrontiert: 2G, 3G, 4G und bald sogar 5G. Und dann sind da noch NB-IoT oder LTE-M. Worauf sollten Sie bei der Wahl eines Mobilfunk-Standards für die Verbindung Ihrer Geräte mit dem Internet der Dinge achten? Dieser Artikel soll einen Überblick über die aktuellen Standards und ihre Verwendung geben.

Im ersten Teil unserer dreiteiligen Blog-Reihe über die Auswahl einer geeigneten Funktechnologie für Ihr IoT-Projekt sprachen wir über lizenzierte und unlizensierte Netzstandards. Wir verglichen die einzelnen Technologien und mögliche Hindernisse bei der Implementierung. Wir kamen zu dem Schluss, dass lizenzierte Standards eine schnellere und einfachere Implementierung ermöglichen, da sie mit weniger Aufwand in Bezug auf regionale Anpassung, Zertifizierung und Implementierung einhergehen und insgesamt zuverlässiger und daher besser für kritische Anwendungen geeignet sind.

Auch wenn nicht alle Mobilfunk-Standards ursprünglich für die Kommunikation von Maschine zu Maschine konzipiert wurden, können sie alle für die Gerätekommunikation im Internet der Dinge verwendet werden. Je nach verwendetem Standard bringen sie unterschiedliche Vorteile mit sich. Hier ist unser Überblick über Mobilfunk-Standards aus der Vergangenheit, der Gegenwart und der nahen Zukunft.

Überblick über die verfügbaren Mobilfunk-Standards

Das G in 2G, 3G, 4G oder 5G steht für "Generation". Die allererste Generation eines kommerziellen Mobilfunknetzes, 1G, wurde seit den späten 1970er Jahren entwickelt und 1987 von Telstra, einem australischen Anbieter, eingeführt. Bei einer Frequenz von 30 kHz und einer Bandbreite von 2 Kilobit pro Sekunde (kbps) war es eine Technologie, die mit einer sehr schlechten Akkulaufzeit, geringer Sprachqualität und wenig Sicherheit verbunden war. Sie hat nicht lange überlebt.

2G - Der erste digitale Standard

2G wurde 1991 eingeführt und ist der erste digitale Standard. Er ermöglichte eine zuverlässigere und sicherere Kommunikation. Der 2G-Standard implementierte die CDMA- und GSM-Konzepte:

• CDMA (Code-division multiple access) ermöglicht es mehreren Sendern gleichzeitig, Informationen zu senden. Im Grunde können damit mehrere Benutzer, ein Frequenzband gemeinsam nutzen.

• GSM (Global System for Mobile Communications) ist ein Standard zur Beschreibung der Protokolle für digitale Mobilfunk-Netzwerke der zweiten Generation. Es wurde in den frühen 1990er Jahren in Europa entwickelt und Mitte der 2010er Jahre zu einem globalen Standard.

Mit den 2G-Netzen wurden viele der grundlegenden Mobilfunkdienste eingeführt, die wir heute noch nutzen. Einer von ihnen: Der SMS-Kurznachrichtendienst. SMS ermöglichte die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) schon lange bevor der Begriff "Internet der Dinge" seine Runde machte. Mit "General Packet Radio Service" (GPRS) und "Enhanced Data Rates for GSM Evolution" (EDGE) wurde der 2G-Standard zweimal auf 2.5G und 2.75G aktualisiert und seine Höchstgeschwindigkeit auf 171 kbps und 384 kbps erhöht.

Die 2G-Konnektivität ist bis jetzt ein zuverlässiger Standard für die Verbindung von Geräten mit niedriger Bandbreite mit dem Internet der Dinge. Die Tage von 2G sind jedoch gezählt. Da neuere Standards entstanden sind, war Telstra einer der ersten Betreiber, der 2G im Dezember 2016 aufgab. In Europa wird der 2G-Ausstieg Ende 2020 beginnen.

3G - Einführung mobiler Multimedia-Fähigkeiten

3G wurde 2003 eingeführt. In seinem Kernnetz verwendete es eine neue Architektur mit der Bezeichnung "Universal Mobile Telecommunications System" (UMTS). Seine wichtigste Weiterentwicklung gegenüber dem Vorgängermodell 2G war eine wesentlich höhere Bandbreite. Dies machte 3G zum ersten mobilen "Multimedia-Standard". Zum ersten Mal konnten Videostreams über das mobile Netz übertragen werden. Im Jahr 2006 wurde 3G durch die Einführung des HSDPA-Kommunikationsprotokolls (High-Speed Downlink Packet Access) auf 3,5G aktualisiert, wodurch die Datenbandbreite von 3G auf bis zu 42 Mbps erhöht wurde.
Eine weitere Aktualisierung führte den "Long Term Evolution"-Standard (LTE) ein, der die Kapazität und Geschwindigkeit der mobilen Kommunikation erneut erhöhte. Obwohl LTE als "4G" oder "4G LTE" vermarktet wurde, erfüllt es nicht die technischen Kriterien eines "echten" 4G-Mobilfunkdienstes. Technisch gesehen ist LTE ein "3.9G".

Allerdings, auch die Tage von 3G sind gezählt. Der Ausstieg hat bereits begonnen. Bis Mitte 2021 plant Vodafone, seine letzten 3G-Stationen in Deutschland abzuschalten. Auch Telefónica und die Deutsche Telekom haben damit begonnen, 3G-Sender zugunsten neuer Technologien abzubauen.

4G - Hohe Geschwindigkeit und „allgegenwärtiges“ Computing

Die vierte Generation 4G wurde 2012 eingeführt. Ihr Hauptzweck ist die Bereitstellung von Hochgeschwindigkeitskommunikation mit verbesserter Sicherheit, um hochauflösendes mobiles Videostreaming, Videokonferenzen und so genanntes pervasive Computing bzw. ubiquitous (allgegenwärtiges) Computing mit Bandbreiten von bis zu 150 Mbit/s zu ermöglichen. Während 4G die Standards und Rahmenbedingungen vorgibt, liefert LTE die technologische Grundlage zur Erfüllung dieser Standards. Aber nur das erweiterte LTE+ oder LTE Advanced erfüllt die 4G-Anforderungen.

NB-IoT und LTE-M

Im Zusammenhang mit 4G entstanden zwei weitere Technologien: NB-IoT und LTE-M. Beide wurden speziell für die M2M-Kommunikation entwickelt. Das NB in NB-IoT steht für Narrow Band und nutzt Funkwellen, die eine besonders große Flächenabdeckung ermöglichen. Gleichzeitig können sie dicke Betonwände durchdringen und so auch entlegene Ecken eines Gebäudes erreichen. NB-IoT eignet sich also perfekt für Geräte mit eingeschränktem Funktionsumfang, die in der Regel nur einmal pro Stunde oder pro Tag kleine Datenpakete übertragen und daher perfekt für den Batteriebetrieb über einen sehr langen Zeitraum geeignet sind. LTE-M liefert dagegen höhere Bandbreiten mit geringeren Latenzen als NB-IoT, hat aber einen etwas höheren Energieverbrauch.

5G - Der zukünftige Standard

5G ist der neueste Standard in der Mobilfunk-Familie. Seine weltweite Einführung hat gerade erst begonnen. Es wird geschätzt, dass bis 2023 bis zu 32 Prozent der Mobilfunkverbindungen in Nordamerika über ein 5G-Netz funktionieren werden. Auch in Europa ist die 5G-Einführung in vollem Gange. Mit Bandbreiten von bis zu 1 Gbps ist 5G so ausgelegt, dass es Hochgeschwindigkeitskommunikation mit hoher Kapazität und sehr geringer Latenz ermöglicht. Damit ist es die perfekte Kommunikationstechnologie für Augmented-Reality-Anwendungen, Spiele, M2M-Kommunikation und intelligente Geräte, wenn schnelle Reaktion eine entscheidende Rolle spielt. Gegenwärtig ist 5G nicht dazu bestimmt, seinen Vorgänger 4G zu ersetzen. Durch den Parallelbetrieb beider Technologien können in Zukunft größere Kapazitäten und höhere Netzgeschwindigkeiten bedient werden.

Weiter in Teil 3

Im letzten Teil unserer dreiteiligen Blog-Reihe über IoT-Konnektivitätsstandards werden wir über die Auswahl des optimalen Mobilfunkstandards für Ihren Anwendungsfall sprechen und darüber, wie die Multimodus-Kompatibilität die künftige Zuverlässigkeit gewährleistet.