Massive IoT bezeichnet Installationen, bei denen sehr viele kleine, günstige, batteriebetriebene Geräte in einem Gebiet vernetzt sind und jedes davon ab und zu ein paar Bytes an Daten sendet. Denken Sie an jeden Wasserzähler einer Stadt, jeden Parkplatz in den Straßen eines ganzen Viertels oder jeden Abfallbehälter auf einer Sammeltour. Der Begriff stammt aus der 5G-Planung der Mobilfunkbranche und beschreibt dort Netze, die eine Million Geräte pro Quadratkilometer unterstützen sollen.

Für Versorger und Stadtplaner verändert die schiere Menge, was geplant werden muss. Ein einzelner Sensor ist einfach. Vierzigtausend davon werfen Fragen nach Funkkapazität und Batterielaufzeit auf, danach, wer das Netz betreibt, und wie ein kleines Team den Überblick behält, welche Geräte sich noch melden.

Kurz erklärt

  • Massive IoT bedeutet riesige Stückzahlen stromsparender Geräte, die jeweils kleine, seltene Nachrichten senden, meist mit Batterien, die viele Jahre halten sollen.
  • Die Mobilfunkoptionen sind NB-IoT und LTE-M, betrieben von Mobilfunkanbietern in lizenziertem Spektrum; über sie deckt auch 5G heute Massive IoT ab.
  • LPWAN-Technologien wie LoRaWAN und mioty nutzen lizenzfreies Sub-GHz-Spektrum in Netzen, die Sie selbst betreiben können.
  • Die Funktechnik bestimmt Kapazität und Batterielaufzeit, der Flottenbetrieb dagegen, ob das Projekt im fünften Jahr noch funktioniert.

Was sind Massive-IoT-Geräte?

Massive-IoT-Geräte haben eher ein gemeinsames Profil als einen gemeinsamen Zweck. Sie sind ortsfest oder bewegen sich langsam. Sie melden nach Zeitplan, alle 15 Minuten, stündlich oder einmal am Tag. Jede Meldung ist winzig, oft 10 bis 50 Bytes: ein Zählerstand, ein Füllstand, eine Temperatur, ein Zustand offen oder geschlossen. Sie vertragen Verzögerung, denn niemand braucht den Status eines Parkplatzes innerhalb von 10 Millisekunden. Und sie laufen mit Batterien, die jahrelang halten sollen, denn jemanden loszuschicken, um 40.000 Batterien zu wechseln, ist ein eigenes Projekt.

Typische Beispiele sind Wasser-, Gas- und Wärmezähler, Parkplatzsensoren, Füllstandssensoren in Abfallbehältern, Bodenfeuchtesonden, Leckagemelder in Gebäuden, Luftqualitätsknoten und einfache Asset-Tags. Eine Video-Türklingel oder eine Überwachungskamera gehört nicht in diese Gruppe. Beide brauchen weit mehr Bandbreite und Energie, als ein Massive-IoT-Netz liefern soll.

Die Zahlen zeigen, warum das Problem die Zahl der Übertragungen ist und nicht die Datenmenge. Nehmen Sie einen Wasserversorger mit 40.000 Zählern, die jeweils stündlich einen Messwert von 20 Bytes senden:

  • 40.000 Zähler × 24 Messwerte = 960.000 Nachrichten pro Tag
  • 960.000 Nachrichten × 20 Bytes ≈ 19 MB pro Tag, weniger als ein kurzes Handyvideo

Die Datenmenge ist trivial. Schwierig ist, dass fast eine Million kurzer Funkübertragungen einen Empfänger erreichen müssen, ohne miteinander zu kollidieren, dass jeder Zähler mit einem knappen Energiebudget aufwachen, senden und wieder einschlafen muss und dass das Backoffice einen Zähler, der gerade schweigt, von einem defekten unterscheiden können muss.

Diese Unterscheidung ist Aufgabe des Flottenbetriebs. In dieser Größenordnung registrieren Sie Geräte in Chargen, bewahren ihre Sicherheitsschlüssel sicherer auf als in einer Excel-Tabelle und achten auf Geräte, die sich nicht mehr melden, denn eine leere Batterie und ein ausgefallenes Funkmodul sehen vom Schreibtisch aus genau gleich aus.

Wer die beste OTA-Update-Software für Massive-IoT-Flotten vergleicht, stößt auf eine Funkfrage, bevor es um Software geht. Ein Firmware-Update over the air bedeutet, jedem Gerät Dutzende oder Hunderte Kilobytes zu schicken, und stromsparende Netze sind vor allem für Datenverkehr vom Gerät zum Netz ausgelegt. Für LoRaWAN gibt es zum Beispiel Spezifikationen der LoRa Alliance für Multicast und fragmentierte Firmware-Übertragung, aber in lizenzfreien Bändern mit Duty-Cycle-Grenzen kann das Aktualisieren Tausender Geräte Stunden oder Tage dauern. LTE-M kommt mit größeren Downloads besser zurecht. Viele Gerätehersteller legen Massive-IoT-Hardware schlicht so aus, dass sie kaum jemals ein Update braucht.

Welche Mobilfunknetze unterstützen Massive IoT?

Mobilfunkanbieter bedienen Massive IoT mit zwei Standards des 3GPP, des Gremiums, das die Mobilfunkspezifikationen schreibt. Beide kamen mit 3GPP Release 13, das 2016 fertiggestellt wurde.

NB-IoT (Narrowband IoT) nutzt einen nur 180 kHz breiten Kanal. Es ist langsam und für sehr kleine Payloads gebaut, reicht aber tief in Gebäude und bis unter die Erde, was es zu einer häufigen Wahl für Zähler macht. LTE-M, auch LTE Cat-M1 genannt, nutzt 1,4 MHz, bietet höhere Datenraten, funktioniert weiter, während sich ein Gerät zwischen Funkzellen bewegt, und kann sogar Sprache übertragen. Beide haben zwei Energiesparfunktionen, PSM (Power Saving Mode) und eDRX (Extended Discontinuous Reception), mit denen ein Gerät lange Zeit schlafen kann und dabei im Netz registriert bleibt.

Der Mobilfunkweg hat klare Stärken. Der Netzbetreiber baut und wartet das Netz, Abdeckung ist oft schon vorhanden, und das Spektrum ist lizenziert, sodass niemand sonst darin senden darf. Die Nachteile sind ebenso klar. Jedes Gerät braucht ein eigenes Abonnement, die Abdeckung hängt davon ab, ob Ihr Netzbetreiber NB-IoT oder LTE-M dort freigeschaltet hat, wo Ihre Geräte sitzen werden, und die Roaming-Unterstützung zwischen Ländern ist unterschiedlich.

Die andere Familie ist LPWAN-Technologie (Low-Power Wide-Area Network) in lizenzfreiem Spektrum, vor allem LoRaWAN und mioty. Hier installieren Sie oder ein Anbieter Ihrer Wahl Gateways oder Basisstationen, und die Geräte brauchen kein Abonnement pro Gerät. Nebeneinander sehen die vier so aus:

NB-IoT LTE-M LoRaWAN mioty
Spektrum Lizenziert, Netzbetreiber Lizenziert, Netzbetreiber Lizenzfrei, Sub-GHz Lizenzfrei, Sub-GHz
Wer betreibt das Netz Mobilfunkanbieter Mobilfunkanbieter Sie oder ein Anbieter Sie oder ein Anbieter
Abonnement pro Gerät Ja Ja Nein Nein
Stärke Tiefe Gebäudedurchdringung Mobilität, größere Payloads Großes Geräte-Ökosystem Kapazität, Störfestigkeit
Standardisierungsgremium 3GPP 3GPP LoRa Alliance ETSI

Keine der beiden Familien gewinnt überall. Ein Versorger, der einen Netzbetreiber bereits für Tausende Verbindungen bezahlt, wägt die Wahl anders ab als eine Stadt, die ihre Funkinfrastruktur über Jahrzehnte selbst besitzen will.

Was ist 5G Massive IoT?

Als die ITU, die Fernmeldeorganisation der Vereinten Nationen, unter dem Namen IMT-2020 die Anforderungen an 5G festlegte, definierte sie drei Nutzungsszenarien. Enhanced Mobile Broadband deckt Smartphones und schnelle Daten ab. Ultra-Reliable Low-Latency Communication deckt Anwendungen wie die industrielle Steuerung ab. Massive Machine-Type Communication, kurz mMTC, deckt riesige Zahlen einfacher Geräte ab, und dieses dritte Szenario ist Massive IoT. Die Mindestanforderung der ITU dafür ist eine Verbindungsdichte von 1.000.000 Geräten pro Quadratkilometer.

Viele überrascht, dass 5G Massive IoT heute überwiegend aus NB-IoT und LTE-M besteht. 3GPP hat beide in seine 5G-Einreichung aufgenommen, weil sie die mMTC-Anforderungen erfüllen, und Netzbetreiber können sie parallel zu 5G New Radio betreiben. Eine neuere 5G-Funktechnik für die günstigsten Sensoren gibt es nicht. 5G RedCap (Reduced Capability), eingeführt mit Release 17, zielt auf eine mittlere Klasse wie Wearables und Industriekameras, die mehr Bandbreite brauchen, als NB-IoT bietet. Mit Release 19 begann die Arbeit an Ambient IoT für winzige Tags, die Energie aus ihrer Umgebung gewinnen, statt eine Batterie mitzuführen, doch diese Arbeit steht noch am Anfang.

Spricht ein Anbieter also von 5G Massive IoT, sind die sinnvollen Rückfragen konkret. Welche Funktechnik nutzen die Geräte tatsächlich? Unterstützt Ihr Netzbetreiber sie an den Stellen, an denen die Geräte montiert werden, einschließlich Kellern und Zählerschränken? Was kostet ein Abonnement pro Gerät und Jahr, multipliziert mit der Zahl der Jahre, die die Geräte laufen sollen?

Wie bewältigt mioty Massive IoT?

mioty wurde von Anfang an für den dichten, stromsparenden Fall entwickelt. Es ist eine LPWAN-Technologie, die am Fraunhofer IIS entwickelt und von ETSI als TS 103 357 standardisiert wurde, eine Spezifikation, die auch als TS-UNB (Telegram Splitting Ultra-Narrowband) bekannt ist. In Europa sendet es im lizenzfreien 868-MHz-Band.

Die zentrale Idee ist Telegram Splitting. Statt eine Nachricht als einen einzigen Burst zu senden, teilt ein mioty-Gerät sie in viele sehr kurze Teilpakete auf und sendet diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf unterschiedlichen Frequenzen. Durch Fehlerkorrektur kann die Basisstation die Nachricht auch dann rekonstruieren, wenn bis zur Hälfte dieser Bursts verloren geht. In einem vollen Band zählt das: Löscht ein anderer Sender einige Bursts aus, kommt die Nachricht trotzdem an, und weil jeder Burst so kurz ist, werden Kollisionen zwischen Tausenden Geräten von vornherein unwahrscheinlicher.

Die von Fraunhofer IIS und der mioty Alliance veröffentlichten Kapazitätswerte liegen bei bis zu 110.000 Endgeräten pro Basisstation bei einer Reichweite von etwa 2,5 km und bis zu 3,5 Millionen Nachrichten pro Tag und Basisstation bei kleinen Payloads, die etwa stündlich gesendet werden. Das sind Protokollwerte; reale Ergebnisse hängen von Gelände, Bebauung und Meldeintervallen ab. Verglichen mit dem Beispiel mit 40.000 Zählern oben hat das Nachrichtenbudget einer einzigen Basisstation noch reichlich Luft, sodass sich die Planung eines mioty-Netzes vor allem nach der Abdeckung richtet.

Eine Basisstation allein empfängt nur Funk. Sie braucht außerdem ein Service Center, so heißt bei mioty der Netzwerkserver, der die Endgeräte verwaltet und ihre Messwerte an Anwendungen weitergibt. Bei Kilo können Sie diesen Teil auf drei Arten betreiben: Sie hosten das quelloffene Kilo mioty Service Center selbst; Sie nutzen mioty mit dem in Kilo Cloud integrierten Netzwerkserver, fügen dort einen mioty-Konnektor hinzu, verbinden Ihre Basisstationen damit und müssen keine mioty-Infrastruktur betreiben; oder Kilo lizenziert und installiert auf Anfrage die Enterprise-Edition in Ihren eigenen Räumlichkeiten.

Von dort aus landen mioty-Messwerte in denselben Dashboards und Regeln wie LoRaWAN-Geräte in derselben Organisation. Für Flotten in der Größe eines Stadtviertels kann ein einziger Regelauslöser bis zu 500 ausgewählte Geräte überwachen und wertet jedes davon einzeln aus.

Häufige Fragen zu Massive IoT

Was ist der Unterschied zwischen Massive IoT und Critical IoT?

Massive IoT ist auf riesige Gerätezahlen, niedrige Kosten und lange Batterielaufzeit optimiert und nimmt Verzögerungen von Sekunden oder mehr in Kauf. Critical IoT liegt am anderen Ende: Telechirurgie, Sicherheitsnachrichten zwischen Fahrzeugen oder eng synchronisierte Roboter, bei denen eine Nachricht innerhalb von Millisekunden ankommen und praktisch nie ausfallen darf. Beide nutzen unterschiedliche Hardware, unterschiedliche Netzfunktionen und sehr unterschiedliche Budgets.

Zählt LoRaWAN zu Massive IoT?

LoRaWAN ist nicht Teil der 5G-Definition der ITU, die Mobilfunkstandards abdeckt, bedient aber dieselbe Geräteklasse und ist in der Verbrauchsmessung, in Gebäuden und in der Landwirtschaft weit verbreitet. Die meisten LoRaWAN-Sensoren sind Class-A-Geräte, die nur in einem kurzen Zeitfenster direkt nach dem Senden empfangen. Diese Eigenheit ist ein wesentlicher Grund dafür, dass sie jahrelang mit einer Batterie laufen können.

Wie lange halten die Batterien von Massive-IoT-Geräten?

Das Designziel von 3GPP für NB-IoT und die parallel untersuchten Mobilfunk-IoT-Optionen lag bei bis zu zehn Jahren Batterielaufzeit mit einer 5-Wh-Batterie. Die tatsächliche Laufzeit hängt davon ab, wie oft das Gerät meldet, wie weit es von der nächsten Funkzelle oder Basisstation entfernt ist und bei welcher Temperatur es arbeitet. Ein Sensor, der alle 15 Minuten aus einem tiefen Keller meldet, verbraucht pro Tag weit mehr Energie als einer, der täglich von einem Dach meldet.

Braucht Massive IoT 5G?

Nein. Viele Netzbetreiber haben NB-IoT und LTE-M schon Jahre vor 5G in ihren 4G-Netzen eingeführt, und LPWANs brauchen überhaupt kein Mobilfunknetz. Eine drängendere Frist ist für viele Versorger die Abschaltung der 2G- und 3G-Netze, die ältere vernetzte Zähler auf neuere Technik zwingt.

Mit fünf emulierten Zählern, erstellt aus Vorlagen echter Sensormodelle, können Sie den Betrieb durchspielen, bevor Sie eine Basisstation kaufen. Legen Sie ihre Messwerte auf ein Dashboard und richten Sie eine Regel ein, die Alarm schlägt, wenn der Verbrauch eine von Ihnen gewählte Grenze überschreitet; genau dafür reicht der kostenlose Tarif von Kilo. „Einmal senden“ schickt einen einzelnen Messwert außerhalb des Bereichs, sodass Sie zusehen können, wie der Alarm eintrifft. Kommt echte mioty- oder LoRaWAN-Hardware, stellen Sie dieselben Geräte auf den echten Konnektor um und behalten das Dashboard und die Regel, die Sie bereits gebaut haben.