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Derzeit werden Low-Power-Wide-Area-Networks (LPWANs) eingeführt, um beispielsweise drahtlose Sensornetzwerke mit geringer Reichweite wie Bluetooth^® Low Energy, Thread oder Zigbee mit der Cloud zu vernetzen. LPWANs nutzen in der Regel Mobilfunk-IoT-, LoRA- oder Sigfox-Funksysteme mit geringem Stromverbrauch und einer Reichweite von mehreren Kilometern, um eine Verbindung zur Backhaul-Infrastruktur herzustellen.

Von diesen konkurrierenden Technologien ist das Mobilfunk-IoT die einzige, die auf eine bereits vorhandene und bewährte globale Telekommunikationsinfrastruktur zurückgreift. Dies ist ein Vorteil, da es die Bereitstellung kostengünstiger und wesentlich schneller macht. Da jedoch das Funkspektrum für Mobilfunknetze reguliert und lizenziert ist, ist die Anbindung an ein Netz nicht ganz einfach.

Kontrollierter Zugang

Die Mobilfunkanbieter überwachen den Netzzugang sehr genau. Die Überprüfung und Autorisierung erfolgt über die SIM-Karte (Subscriber Identity Module), die Verbraucher als Plastikchipkarte kennen, die in der Regel seitlich in das Smartphone eingelegt wird.

SIM-Karten gehen auf eine Initiative des Europäischen Instituts für Telekommunikationsnormen (ETSI) zurück und sollten den Zugang zu GSM-Netzen erleichtern. Laut seiner Website erfand der deutsche Banknoten- und Chipkartenhersteller Giesecke+Devrient das „SIM Plug-in“, das sich als weltweiter Standard für das SIM-Kartenformat durchsetzte. Im Jahr 1991 verkaufte das Unternehmen die erste Charge von SIM-Karten an den finnischen Mobilfunkbetreiber Radiolinja, der im März desselben Jahres das erste Telefonat über GSM abwickelte.

Auf der SIM-Karte ist die International-Mobile-Subscriber-Identity-(IMSI-)Nummer gespeichert. Dabei handelt es sich um einen eindeutigen 15-stelligen Code, der die Karte im Netz des Betreibers identifiziert. Wenn der Netzzugang angefordert wird, werden die IMSI und ein einmalig verwendbarer 128-Bit-Authentifizierungsschlüssel (Ki) zur Überprüfung und Autorisierung an das Netz weitergeleitet.

Seit 1991 ist die SIM-Karte immer kleiner geworden. Ursprünglich hatte sie die Größe einer Kreditkarte, wurde in den nachfolgenden Versionen aber immer kleiner: über die Mini- und Micro- bis hin zur Nano-SIM. Die heute beliebte Nano-Version kommt ganz ohne Kunststoffgehäuse bzw. -rahmen aus und misst nur noch 12,3 mm x 8,8 mm x 0,67 mm.

Nicht ganz so SIMpel

Der GSM-Standard hat sich zur führenden Mobilfunktechnologie entwickelt und bildet die Grundlage für die LTE-Technologie („4G“ und „5G“). Dadurch ist die SIM-Karte allgegenwärtig geworden. (Nach Angaben der International Card Manufacturers Association (ICMA) wurden 2016 5,4 Milliarden SIM-Karten hergestellt.) Das bedeutet gleichzeitig, dass die wichtigsten Formen des mobilfunkbasierten IoT (LTE-M und NB-IoT) nahtlos in die SIM-Technologie übergehen. Doch trotz dieser positiven Synergie ist die SIM-Karte, die milliardenfach in Smartphones verwendet wird, für autonome IoT-Sensoren schlecht geeignet.

Das liegt zum Teil daran, dass die Nano-SIM trotz ihrer geringen Größe immer noch wertvollen Platz benötigt, der in kompakten mobilen IoT-Geräten sehr knapp ist (Abbildung 1). Hinzu kommt jedoch, dass die SIM-Karte einen Port benötigt (was die Kosten erhöht und das Eindringen von Staub und Wasser ermöglicht). Schlimmer noch: Wenn ein SIM-Upgrade erforderlich ist, muss jede Karte ausgetauscht werden, was für Millionen von IoT-Sensoren, die sich an unzugänglichen Orten befinden, kaum praktikabel ist.

Abbildung 1: Die SIM-Karten von Smartphones werden immer kleiner, sind aber nach wie vor zu groß für mobile IoT-Geräte mit begrenztem Platzangebot. (Quelle: Passatic/Shutterstock.com)

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass eine SIM-Karte mit einem Roaming-Vertrag zwar theoretisch eine globale Abdeckung bieten kann, indem sie auf lokale Netze zugreift, die tatsächliche Abdeckung jedoch von der Anzahl der Roaming-Verbindungen abhängt, die der Heimatbetreiber ausgehandelt hat. Und da die SIM-Karte nur einen einzigen Satz von Betreiberdaten speichert, eignet sie sich schlecht für ein mobiles IoT-Gerät, das möglicherweise in einem der Hunderte von Netzen auf der ganzen Welt funktionieren muss.

SIM-Karten werden von einem Mobilfunkanbieter ausgestellt, und dieser kümmert sich um den Zugang und kassiert das Geld, auch wenn der Teilnehmer das Netz eines anderen Anbieters nutzen muss, wenn er nicht zu Hause ist. Das ist schmerzhaft für die Verbraucher und potenziell unerschwinglich für mobile IoT-Geräte mit geringem Budget für die Datennutzung. Erschwerend kommt hinzu, dass in einigen wichtigen Regionen das permanente Roaming mit einem nicht ortsansässigen Betreiber aufgrund lokaler Vorschriften verboten ist, was die Flexibilität des mobilen IoT-Geräts einschränkt.

Mit Embedded SIMs (eSIM) ist kein separater, relativ großer und von außen zugänglicher Kartensteckplatz mehr erforderlich. Wie der Name schon sagt, sind eSIMs ein integraler Bestandteil der elektronischen Baugruppe des Mobilfunkgeräts. Das bedeutet, dass sie noch kleiner als eine Nano-SIM gebaut werden können und keinen teuren und anfälligen externen Port mehr benötigen. (eSIMs können nach wie vor in herkömmlichen Micro- oder Nano-SIM-Formaten bereitgestellt werden, sodass sie auch in älteren Geräten eingesetzt werden können, die über einen entsprechenden Port verfügen und keine eingebaute eSIM haben.) Eine eSIM speichert außerdem die Zugangsdaten mehrerer Netzbetreiber und kann „ferngesteuert“ bereitgestellt werden, d. h., sie kann über die drahtlose Verbindung des Mobilfunkgeräts schnell neu konfiguriert werden und erlaubt so eine schnelle Aktualisierung der Netzzugangsdaten, um eine konstante Konnektivität und niedrigere Datengebühren zu gewährleisten.

eSIMs scheinen also die Antwort auf die Anforderungen an die Netzwerkkonnektivität des mobilen IoT zu sein. Problem gelöst. Nun, nicht ganz, denn es gibt noch eine große Herausforderung: die mangelnde Akzeptanz auf breiter Ebene. Das Problem ist, dass eSIMs zwar perfekt für das mobile IoT geeignet sind (für das sie in erster Linie entwickelt wurden), aber nicht unbedingt für den Verbraucher ... und auch nicht für viele Netzbetreiber.

Dean Bubley, Gründer des Analystenunternehmens Disruptive Analysis, erklärte in einem Interview mit The Register, dass die Integration einer eSIM in ein Mobiltelefon dessen Kosten erhöhen wird. Bubley wies darauf hin, dass der Unterschied marginal sein könnte, etwa 10 Dollar – keine große Sache für ein High-End-Handy von Apple oder Samsung, aber wesentlich bedeutender für preiswerte Handys, die für Entwicklungsländer bestimmt sind. Außerdem könnte eine eSIM, die nahtlos zwischen Netzen (und Tarifen) wechseln kann, dem Geschäftsmodell der Netzbetreiber schaden, die daran gewöhnt sind, ihre Einnahmen zu behalten, egal welches Netz ihre Kunden nutzen. Diese beiden Faktoren werden wahrscheinlich weder die Herstellung von eSIMs noch die Unterstützung durch Netzbetreiber oder Telefonhersteller beschleunigen. Dies wird sich wiederum auf das eSIM-Angebot für den B2B-Mobilfunk-IoT-Sektor auswirken.

Fazit

Die Aussicht auf Einnahmen aus dem mobilen IoT ist für die Netzbetreiber verlockend. Ebenso wie Smartphones müssen auch mobile IoT-Geräte verifiziert und autorisiert werden, bevor der Netzzugang gewährt wird. Smartphones verwenden zu diesem Zweck SIM-Karten, aber ihr Formfaktor passt nicht zu den spezifischen Anforderungen des mobilen IoT-Betriebs. eSIMS könnten die Anforderungen an die Konnektivität des mobilen IoT-Netzes erfüllen, aber es bleibt eine große Herausforderung – die mangelnde Akzeptanz auf breiter Ebene. Daher könnte sich das mobile IoT einer anderen Entwicklung zuwenden: der integrierten SIM (iSIM). iSIMs sind noch kleiner und werden in den eigentlichen Chip-Baustein des System-on-Chip (SoC), das Herzstück des mobilen IoT-Produkts, integriert.