Auf der richtigen Welle

von Tam Hanna

Vom Keller bis zur Erdumlaufbahn: Neue Funkstandards wie Wi-Fi 7, 5G RedCap, LTE Cat 1bis oder LoRa NTN erweitern die Einsatzmöglichkeiten drahtloser Kommunikation im industriellen und IoT-Umfeld erheblich. Doch nicht jeder Standard ist für jede Aufgabe geeignet. Der Artikel zeigt, welche Technologien sich für welchen Zweck eignen – und worauf Administratoren bei der Auswahl achten sollten.

Das Internet der Dinge hat die Landschaft der Funkstandards grundlegend verändert. Neue, speziell für Sensoren und Aktoren im Feld entwickelte Übertragungsverfahren fordern den etablierten Dreiklang aus Bluetooth, 4/5G und WLAN heraus. Möglich machen dies auch die Fortschritte in der Halbleitertechnik: Kleinere Strukturgrößen erlauben es, mehr Rechenlogik auf gleichem Raum unterzubringen – und damit komplexere Funkverfahren praktisch umzusetzen, die zuvor rein theoretischer Natur waren.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über Funkstandards, die im industriellen Umfeld und im IoT-Kontext derzeit von Bedeutung sind. Im Fokus stehen Technologien, zu denen es in den letzten Monaten relevante Neuerungen gab. Ziel ist es, IT-Administratoren die jeweiligen Einsatzszenarien und Vorteile der einzelnen Standards aufzuzeigen. Die physikalischen Grundlagen der Funkübertragung über die Luftschnittstelle werden hingegen bewusst ausgeklammert.

Wi-Fi 7: Erstmals drei Bänder

Mit der zunehmenden Verbreitung günstiger WLAN-Hardware steigt auch die Auslastung der gemeinsam genutzten Luftschnittstelle. Wi-Fi 7 – auch bekannt unter der IEEE-Bezeichnung 802.11be – begegnet diesem Problem mit einer zentralen Neuerung: Der Standard nutzt erstmals drei Frequenzbänder parallel.

Neben den bereits aus Wi-Fi 6 bekannten 2,4- und 5-GHz-Bändern wird auch das 6-GHz-Band unterstützt. Dieses war zuvor nur im vergleichsweise wenig verbreiteten Wi-Fi-6E-Standard vorgesehen, weshalb es bislang kaum genutzte Spektrumskapazitäten bereithält.

Die mittige Linie im Spektrumdiagramm in Bild 1 zeigt: Auch das 6-GHz-Band ist nicht vollständig frei. Weltweit ist das Spektrum unterschiedlich stark freigegeben, sodass sich die Kanalverfügbarkeit je nach Region unterscheidet. Entsprechend bleibt – wie schon bei früheren Wi-Fi-Generationen – eine regionale Parametrierung der Endgeräte zwingend erforderlich.

Weitere technische Verbesserungen zielen auf eine höhere Performance. So können Kanäle nun bis zu 320 MHz breit sein. Zudem kommt mit 4096-QAM eine neue Modulationsform zum Einsatz, die pro Symbol 12 Bit an Nutzdaten überträgt. Zur Verbesserung der Resilienz und Koexistenzfähigkeit dürfen Wi-Fi-7-Geräte bis zu 16 Antennen einsetzen. Über das Verfahren "Multi-Link Operation" (MLO) haben Endgeräte mehrere Frequenzbänder gleichzeitig zur Verfügung. Die Funktion "Flexible Channel Utilization" erlaubt es, gestörte Kanalbereiche gezielt auszublenden – bisher musste bei Störungen der gesamte Kanal vermieden werden.

Der Kernnutzen von Wi-Fi 7 liegt in zwei Punkten: Einer höheren Störfestigkeit bei dicht belegten Frequenzen und der Möglichkeit, deutlich mehr Clients effizient parallel zu versorgen. Die höhere nominale Datenrate ist nach unserer Einschätzung für viele Praxisanwendungen eher von untergeordneter Bedeutung.

Die zugrundeliegende Standardisierung erfolgt wie üblich über das IEEE. Die Bezeichnung 802.11be verweist auf diesen Ursprung. Im Fall von Wi-Fi 7 ist der Standard jedoch noch nicht vollständig ratifiziert – dieser Schritt wird in den kommenden Monaten erwartet. Parallel dazu zertifiziert die Wi-Fi Alliance [1] seit 2024 bereits erste Geräte.

Auch auf Betriebssystemebene ist die Unterstützung weit fortgeschritten:

- Windows: Ab Build 26063.1 unterstützt Windows 11 Wi-Fi 7.

- Linux: Seit Kernel 6.2 ist die Basisintegration vorhanden; stabile Unterstützung gilt ab Version 6.5 als gegeben.

- Android: Wi-Fi 7 wird ab Android 13 unterstützt. In der Praxis ist das allerdings meist Theorie, da Smartphones keine aufrüstbaren WLAN-Module besitzen.

5G RedCap: langsamer, sparsamer, langlebiger

Während sich die Ankündigungen rund um Wi-Fi 7 zumindest teilweise mit maximaler Bandbreite beschäftigen, verfolgt 5G RedCap – kurz für Reduced Capability – einen ganz anderen Ansatz: weniger Leistung, dafür aber geringere Kosten und ein deutlich niedrigerer Energieverbrauch.

Der Grund für die bewusst eingeschränkten Fähigkeiten ist technischer Natur: Je mehr Funktionen ein Funkmodul unterstützt, desto mehr Fläche auf dem Halbleiterchip wird benötigt. Das erhöht die Produktionskosten, reduziert die Ausbeute pro Wafer und steigert den Energiebedarf im Betrieb. Wer auf im IoT-Kontext entbehrliche Features verzichtet, kann Funkmodule günstiger herstellen – und zugleich deren Stromverbrauch deutlich senken.

Funktional betrachtet positioniert sich 5G RedCap zwischen den drei etablierten Anwendungsszenarien der 5G-Technologie: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC) und Massive Machine Type Communication (mMTC). Im Vergleich zu anderen stromsparenden IoT-Funksystemen punktet 5G RedCap mit einer niedrigeren Latenz. Gleichzeitig ist die Übertragungsgeschwindigkeit höher als bei LTE Cat.1, das bisher in vielen industriellen IoT-Szenarien Verwendung findet. Ein weiterer Vorteil: RedCap ist Bestandteil des 5G-NR-Funkstacks (New Radio). Geräte bleiben somit über viele Jahre hinweg kompatibel – und zwar so lange, wie 5G-Mobilfunk insgesamt verfügbar ist.

In mehrfacher Hinsicht steht RedCap damit im klaren Kontrast zu Wi-Fi 7. Während Wi-Fi 7 für dichte Infrastrukturen mit hohen Anforderungen konzipiert ist, adressiert RedCap ressourcenschonende Anwendungen im Feld. Die strategische Bedeutung unterstreicht auch die Gründung einer eigenen Arbeitsgruppe durch die Global mobile Suppliers Association (GSA): Die unter [2] angekündigte 5G RedCap Special Interest Group kümmert sich exklusiv um die Weiterentwicklung dieses neuen Profils innerhalb des 5G-Ökosystems.

LTE Cat 1bis: Das Beste aus 4G

Eine der interessantesten Eigenschaften des ursprünglichen LTE-Standards war die sogenannte Antenna Diversity – also die Nutzung mehrerer Antennen zur Verbesserung der Empfangsqualität. Diese Technik wurde auch in 5G übernommen, hat jedoch einen Preis: Mehr Antennen bedeuten mehr Schaltungen, höheren Platzbedarf auf dem Chip und zusätzliche Kosten in der Fertigung.

LTE Cat 1bis ist ein gezielter Gegenentwurf: Der Standard erlaubt 4G-Kommunikation mit nur einer Antenne – bei möglichst hoher Kompatibilität und niedriger Komplexität. Zwar wurde bereits mit LTE Cat 1 im Jahr 2008 ein ähnliches Ziel verfolgt, doch aufgrund vager Spezifikationen blieb lange unklar, ob eine Antenne tatsächlich ausreicht. Erst die 2017 veröffentlichte Cat-1bis-Spezifikation hat diese Frage eindeutig geklärt. Das Anhängsel "bis" bezieht sich hier übrigens nicht auf das deutsche Wort, sondern leitet sich vom lateinischen "bis" für "zweimal" ab, im Sinne eines zweiten Anlaufs. Eine Zusammenfassung zur Entwicklung finden Sie unter [3].

Für Netzbetreiber ist LTE Cat 1bis attraktiv: Aus Sicht der Funkzelle verhält sich ein entsprechendes Endgerät wie ein normales LTE-Clientgerät mit reduzierter Antennenleistung. Eine spezielle Infrastruktur ist nicht erforderlich – jede 4G-Zelle ist automatisch auch Cat-1bis-kompatibel.

Technisch bringt der Wegfall der zweiten Antenne Einbußen im sogenannten Link Budget – also in der Fähigkeit, mit schwachen Signalen zu arbeiten. In der Praxis benötigt ein Cat-1bis-Modul etwa 2 bis 3 dB mehr Empfangsleistung als ein klassisches LTE-Gerät mit zwei Antennen, um dieselbe Verbindung aufzubauen. Im Funkbereich taucht die Einheit Dezibel (dB) im Übrigen regelmäßig auf, gleiches gilt für die abgeleiteten Größen wie dBm oder dBi. Eine hervorragende Einführung dazu liefert Rohde & Schwarz unter [4].

Auch die Bandbreite ist leicht eingeschränkt: Realistisch sind etwa 10 MBit/s im Downlink und 5 MBit/s im Uplink, bei Latenzen unter 100 ms. Für viele industrielle IoT-Anwendungen ist das mehr als ausreichend. Ein zusätzlicher Pluspunkt: Da LTE Cat 1bis vollständig LTE-kompatibel ist, unterstützen viele Module auch Sprachübertragung (VoLTE) – sofern die Endgeräte die nötige Analoghardware mitbringen.

Obwohl der nominale Strombedarf von Cat-1bis-Modulen höher ausfällt als bei stromsparenden IoT-Standards wie NB-IoT oder LTE-M, kann die Gesamtenergieeffizienz in der Praxis besser ausfallen. Das liegt am sogenannten "Rush-to-Idle"-Prinzip: Daten werden in kurzer Zeit mit hoher Leistung übertragen, danach wechselt das Modul zügig in einen Energiesparzustand. In vielen Szenarien ist diese Strategie energieeffizienter als eine längere Übertragung mit niedriger Leistung.

Branchenkenner gehen inzwischen davon aus, dass sich LTE Cat 1bis zum bevorzugten Mobilfunkstandard im IoT-Bereich entwickelt. Der gut vernetzte Fachdienst "RCR Wireless" beschreibt Cat 1bis als neuen "Königsstandard". Auch Qualcomm, einer der führenden Hersteller von Mobilfunkchips, betont in einem Whitepaper [5] die strategische Bedeutung von Cat 1bis.

LTE-M: Schlanker Mobilfunk für Maschinen

Während LTE Cat 1bis durch den Verzicht auf eine zweite Antenne Kosten spart, geht LTE-M noch einen Schritt weiter – durch gezielte Vereinfachung im Transceiver-Design. Die Abkürzung LTE-M steht für Long Term Evolution for Machines, häufig auch als eMTC (enhanced Machine-Type Communication) oder LTE Cat M1 bezeichnet.

Der wesentliche Trick: LTE-M-Module arbeiten im Halbduplex-Modus – also abwechselnd im Sende- oder Empfangsbetrieb, nie gleichzeitig. Zudem nutzen sie besonders schmalbandige Frequenzbereiche. Diese Kombination reduziert den Aufwand in der Sende- und Empfangselektronik deutlich – und damit auch das Transistorbudget, die Chipfläche und die Fertigungskosten. Ein technischer Deep Dive ist im Whitepaper unter [6] verfügbar.

Trotz dieser Einschränkungen bleibt LTE-M voll LTE-kompatibel. Netzbetreiber können die Technik per Softwareupdate auf bestehenden Basisstationen aktivieren – ein erheblicher Vorteil für flächendeckende Rollouts im IoT. Ein funktionaler Pluspunkt gegenüber NB-IoT ist die Unterstützung von Cell Handover: LTE-M-Endgeräte können sich während der Bewegung nahtlos von einer Funkzelle zur nächsten ummelden. Das prädestiniert die Technologie für mobile Anwendungen wie Asset-Tracking, Wearables oder vernetzte Fahrzeuge. Hinsichtlich der Leistung gilt:

- Bandbreite: Je nach Netzkonfiguration sind bis zu 7 MBit/s im Uplink und 4 MBit/s im Downlink möglich.

- Latenz: Typisch sind Werte von unter 15 ms, was für viele IoT-Anwendungen ausreicht.

Allerdings ist LTE-M – wie auch NB-IoT – nicht weltweit flächendeckend verfügbar. Die GSMA Deployment Map [7] zeigt den globalen Verbreitungsgrad verschiedener IoT-Funkstandards.

NB-IoT: Stationärer Schmalbandfunk

Mit 3GPP Release 13 wurde nicht nur LTE-M (eMTC), sondern auch ein zweiter spezialisierter IoT-Funkstandard eingeführt: NB-IoT – das Narrowband Internet of Things. Anders als LTE-M handelt es sich dabei nicht um eine vereinfachte Form von LTE, sondern um einen eigenständigen Neuentwurf.

Gemeinsam haben beide Technologien jedoch die Nutzung schmaler Frequenzbereiche. NB-IoT benötigt lediglich 180 kHz Bandbreite, was exakt dem Abstand zwischen zwei regulären LTE-Trägern entspricht. Dadurch lässt sich NB-IoT effizient in bestehenden LTE-Frequenzspektren unterbringen – ohne dass Mobilfunkanbieter zusätzliche Lizenzen erwerben müssen.

Technisch gibt es NB-IoT in den beiden Varianten LTE Cat NB1 und Cat NB2. Beide sind jedoch stark limitiert:

- Die maximale Datenrate im Uplink liegt – je nach Version – bei wenigen 10 bis maximal 150 KBit/s.

- Die Latenzzeiten liegen typischerweise zwischen 1,6 und 10 Sekunden – damit scheidet NB-IoT für jede Form von Echtzeitkommunikation aus.

Die Spezifikation wirkt damit selbst im Vergleich zu 3G veraltet. Trotzdem hat NB-IoT in sehr energie- und datenarmen Szenarien seine Berechtigung – etwa bei stationären Zählern, Trackern oder Umweltsensoren, die nur wenige Bytes pro Tag versenden. Ein weiteres Manko: NB-IoT unterstützt kein Cell Handover. Mobilität ist damit ausgeschlossen – idealerweise befinden sich Sender und Empfänger während des gesamten Lebenszyklus am selben Ort. Auch Sprachdienste sind hier nicht möglich.

Trotz aller Einschränkungen gewinnt NB-IoT durch eine wichtige Erweiterung an Relevanz: 3GPP Release 17 definiert eine Satelliten-Erweiterung für NB-IoT. Erste Low-Earth-Orbit-Satelliten (LEO) befinden sich bereits im Dauerbetrieb, Anbieter wie Sateliot bieten Probeflächen für Testanwendungen an. Das macht NB-IoT zum ersten zellulären IoT-Funkstandard mit direkter Satellitenanbindung – ein potenzieller Gamechanger für abgelegene Sensoren in Landwirtschaft, Logistik oder Umweltmonitoring.

Semtech und LoRa: LPWAN wächst über sich hinaus

Ein zentrales Versprechen der LPWAN-Technologien (Low Power Wide Area Networks) war von Anfang an ihre Unabhängigkeit von klassischen Netzbetreibern. Diese Eigenschaft wird durch Begriffe wie unlicensed LPWAN betont – also Funksysteme, die sich ohne lizensiertes Spektrum und ohne Mobilfunkvertrag betreiben lassen.

Auf der Embedded World präsentierte Semtech, das Unternehmen hinter LoRa, die neueste Chipgeneration: den LR1121. Diese Plattform erweitert den LoRa-Standard um neue Fähigkeiten. Besonders hervorzuheben ist der Support für LoRa FLRC (Fast Long Range Communication) – ein Modus, der zwar energieintensiver ist, dafür aber deutlich höhere Datenraten ermöglicht. Mit passenden Gegenstellen sind bis zu 2,6 MBit/s erreichbar. Semtech vermarktet dieses Feature gezielt für Anwendungen wie die Übertragung von KI-Trainingsdaten, bei denen bislang ein separater Hochgeschwindigkeits-Funkchip erforderlich war.

Ein weiterer Trend zeigt sich in der Integration anderer LPWAN-Technologien. Der neue Transceiver im LR1121 lässt sich etwa in Amazon Sidewalk oder MBus-basierte Telemetriesysteme einbinden – ohne Bedarf für einen zweiten Funkchip. Diese Konvergenz senkt die Systemkosten und reduziert die Komplexität für Embedded-Entwickler. Auch das Backend-Ökosystem rund um LoRa entwickelt sich weiter. Neu ist etwa der Dienst "Audio streaming with LoRa", der eine Übertragung von Audiodaten in eingeschränkter, aber brauchbarer Qualität ermöglicht. Außerdem erlaubt LoRa Round-Trip Time of Flight (RTT) die Positionsbestimmung beziehungsweise Distanzmessung über reine Funklaufzeiten.

Ein besonders ambitionierter Schritt ist die Erweiterung in den Weltraum: Unter dem Namen NTN LoRaWAN (Non-Terrestrial Network) kommt LoRa inzwischen für die direkte Satellitenkommunikation zum Einsatz. Dieser Modus setzt allerdings zwingend die Zusammenarbeit mit einem LoRaWAN-Netzbetreiber voraus – vollständig unabhängige Implementierungen sind hier nicht möglich. Zielgruppe sind Anwendungen in abgelegenen Gebieten, etwa Landwirtschaft, Katastrophenschutz oder maritime Logistik.

IQRF: Mesh mit großer Reichweite

Wer hohe Reichweiten ohne Mobilfunk oder Satellit realisieren will, findet in Mesh-Netzwerken eine kostengünstige Alternative. Anders als bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen können die Funkmodule in einem Mesh Daten untereinander weiterleiten – ähnlich wie Repeater oder Relaisstationen. Das sorgt für robuste Verbindungen auch über größere Entfernungen.

Ein interessanter Vertreter dieser Kategorie ist IQRF – ein seit Jahren in der Tschechischen Republik entwickeltes Mesh-Funksystem für IoT-Anwendungen. Neu ist die IQRF Alliance [8], eine Initiative zur quelloffenen Weiterentwicklung zentraler Systemkomponenten. Damit positioniert sich IQRF als herstellerübergreifende Plattform mit langfristiger Perspektive – insbesondere für den Einsatz in Industrie- und Infrastrukturnetzen.

Fazit

Moderne Halbleitertechnik eröffnet eine beeindruckende Bandbreite an Funkstandards für IoT und Industrieanwendungen. Doch bei der Auswahl kommt es nicht nur auf physikalische Leistungsdaten an: Nicht der schnellste oder modernste Funkstandard gewinnt, sondern derjenige, der zum konkreten Einsatzszenario passt. Wer Verfügbarkeit, Wartbarkeit und Investitionssicherheit im Blick behält, trifft langfristig die besseren Entscheidungen.

Industrielle Funkstandards im Überblick

Auf der richtigen Welle

Wi-Fi 7: Erstmals drei Bänder

Wi-Fi 7: Erstmals drei Bänder

5G RedCap: langsamer, sparsamer, langlebiger

LTE Cat 1bis: Das Beste aus 4G

LTE-M: Schlanker Mobilfunk für Maschinen

NB-IoT: Stationärer Schmalbandfunk

Semtech und LoRa: LPWAN wächst über sich hinaus

IQRF: Mesh mit großer Reichweite

Fazit