Geeignete Kommunikationsinfrastrukturen für die Smart City

LoRaWAN erobert die Städte

| Autor / Redakteur: Dr. Bernhard Kirchmair / Andreas Donner

Ein LoRaWAN-Funknetz ist einfach und preiswert aufzubauen – und wenn es erst einmal steht, bietet es viele Möglichkeiten für die Smart City, sagt Dr. Bernhard Kirchmair von Vinci Energies.
Ein LoRaWAN-Funknetz ist einfach und preiswert aufzubauen – und wenn es erst einmal steht, bietet es viele Möglichkeiten für die Smart City, sagt Dr. Bernhard Kirchmair von Vinci Energies. (Bild: Vinci Energies)

Für viele Smart-City-Anwendungen reicht die Leistung der Funktechnologie LoRaWAN (Long Range Wide Area Networking) völlig aus. Sie ist zudem preiswerter als der neue Mobilfunkstandard 5G und leicht zu installieren. Worauf Städte noch für ihre Smart-City-Initiativen achten sollten, skizziert der folgende Beitrag.

Die Stadt Heidelberg hat ihre Glascontainer mit Sensoren ausgestattet, die an eine zentrale IoT-Plattform (Internet of Things) den jeweiligen Füllstand des Containers senden. Ist ein Behälter voll, geht die Information an ein Navigationssystem, das für alle zu entleerenden Container eine optimale Tour plant. Der Einsatzleiter schickt die Müllfahrzeuge dann gezielt los, die so besser ausgelastet sind, weil sie keine halb vollen Container mehr ansteuern.

Zudem fährt die Entsorgungsflotte weniger Kilometer, wodurch Zeitaufwand und Spritkosten sinken. Diese Entsorgung nach Bedarf ist ein Beispiel für Smart Waste, was sich in die Bandbreite der vielen möglichen Smart-City-Anwendungen einreiht, die eines eint: Die Sensoren funken über ein Long Range Wide Area Network, kurz LoRaWAN – und das aus guten Gründen.

Das smarte Anforderungsprofil

Zunächst muss sich eine Stadt, die wie Heidelberg in die Smart-City-Welt einstiegen will, für eines der Low Power Wide Area Networks (LPWAN) entscheiden. LoRaWAN repräsentiert nur eine der vier bekanntesten Funkübertragungstechniken, die in diese Kategorie fallen und alle im sparsamen Batteriebetrieb über relativ große Entfernung senden. Die anderen sind Sigfox, MIOTY (My Internet of Things) und Narrowband IoT (NB-IoT).

Mit ihrer jeweils hohen Empfangsempfindlichkeit und preiswerten Chips erfüllen die genannten LPWAN-Ausprägungen wichtige Punkte im Anforderungsprofil, die sich für ein Smart-City-Projekt ergeben. Weitere Entscheidungskriterien bilden die störungsfreie Datenübertragung durch Betonwände und Häuserblocks, der Preis für den Aufbau der Kommunikationsinfrastruktur und das sichere Senden der Sensordaten.

Schneller Netzaufbau, Datenhoheit und sichere Übertragung

Unter den genannten Gesichtspunkten erweist sich LoRaWAN als wahrer Allrounder für Smart-City-Anwendungen, auch wenn man hierfür eine eigene Infrastruktur installieren muss. In dem Punkt stehen Sigfox und NB-IoT (LTE-M) zwar besser da, weil sie bestehende Architekturen nutzen. Allerdings hat der Netzbetreiber die Datenhoheit, der bei LoRaWAN die Stadt ist. Außerdem kann diese ihr LoRaWAN schnell und kostengünstig aufbauen.

Das liegt daran, dass eine Basisstation einen Umkreis von bis zu 15 Kilometern abdeckt, wenn sie aus einer großen Höhe sendet. Mit wenigen Gateways lässt sich so eine ganze Großstadt vernetzen. An ein Gateway kann man maximal 1.000 Sensoren über offene Schnittstellen (APIs) anbinden. Diese Begrenzung greift in Deutschland im öffentlichen, lizenzfreien Band, was hier gegeben ist, da der offene LoRa-Industriestandard in Europa das 868-Megaherz-Frequenzband nutzt. Das Verwenden von offenen APIs bietet die Chance, schnell weitere Sensoren anzubinden. Auch lassen sich für eine Netzerweiterung weitere Basisstationen problemlos ergänzen.

Eine Basisstation kann theoretisch Daten von bis zu 62.000 Sensoren verarbeiten. Dazu müssten Sensoren einmal pro Minute Messwerte senden. Im besten Energiesparmodus, der bei vielen Anwendungen ausreicht, empfängt ein Sensor nur Daten, kurz nachdem er selber welche an die Basisstation gesendet hat. Diese kommuniziert über TCP/IP SSL-verschlüsselt mit dem Netzwerkserver im Backbone, der mit dem Smart-City-Applikationsserver redet. Auf diesem kann beispielsweise eine App laufen, die die aktuelle Feinstaubbelastung anzeigt und darauf basierend Ampeln intelligent steuert.

Warum kleine Datenpakete und hohe Latenzen nicht ins Gewicht fallen

Im LoRaWAN ist die Datenübertragungsrate auf 50 kbps begrenzt. Kleine Datenpakete und die hohen Latenzen bilden dennoch zusammen kein Ausschlusskriterium, da für die meisten Smart-City-Anwendungen weder Videostreams noch Datentransfer in Echtzeit relevant sind. Deshalb deckt LoRaWAN ein breites Anwendungsspektrum ab, wofür es natürlich Alternativen gibt.

Denn warum sollte eine Smart City nicht auf WLAN basieren? Diese kabellose Technik kostet wenig und ist lizenzfrei. Die entscheidenden Nachteile sind jedoch, dass WLAN viel Strom braucht, nicht weit reicht und jeder auf die schmalen Frequenzbänder kann, wodurch künftig Überlastung droht.

Eine andere Möglichkeit bietet das Mobilfunknetz, das große Entfernungen abdeckt und hohe Datenraten beherrscht, wofür sich insbesondere der aktuelle Standard LTE eignet. Negativ ins Gewicht fallen der hohe Energieverbrauch und die monatlichen Kosten, die der Provider verlangt. Diese Vor- und Nachteile potenzieren sich durch den neuen Mobilfunkstandard 5G. Mit diesem lassen sich große Datenmengen in Echtzeit übertragen, weshalb er für IoT-Anwendungen wie autonomes Fahren prädestiniert ist. Sein teurer Betrieb schließt ihn hingen für vieles in der Smart-City aus. Außerdem müssen Deutsche Telekom, Vodafone, Telefónica und 1&1 Drillisch erst noch die Netze aufbauen, was dauern wird. LoRaWAN ist jetzt verfügbar und schnell wie preiswert installiert.

Umsetzen eines einheitlichen Smart-City-Konzeptes

Doch die Frage nach der Funktechnik ist nur eine von vielen, welche die Stadtverantwortlichen in einem Gesamtkonzept für ihre Smart City beantworten müssen. Zunächst einmal geht es nicht um ein Projekt, sondern um eine Reihe von einzelnen Vorhaben, die sich jeweils daran zu messen haben, welchen Nutzen sie dem einzelnen Bürger bringen.

Für die Umsetzung eignet sich eine Plattform, auf der Anwendungen entwickelt und betrieben, Daten ausgetauscht und die Identitäten von Bürgern sicher verwaltet werden können. Diese Plattform sollte sich an die digitalen Verwaltungsprozesse, IT-Systeme sowie Operational Technologie (OT) wie Verkehrssteuerungen oder Wasserversorgung anbinden lassen. Wichtig sind offene APIs. So können auch Partnerunternehmen, externe Anbieter oder die Bürger neue Apps und digitale Dienste entwickeln. Außerdem muss die Plattform skalierbar sein, sodass sie bei Bedarf wachsen kann.

In der Praxis hat es sich bewährt, ein einheitliches Smart-City-Konzept zu entwickeln und Projekte nach und nach zu starten. Die Erfolgsaussichten steigen, wenn Städte und Gemeinden

  • alle Akteure an einen Tisch holen und die Bürger beteiligen,
  • Verantwortlichkeiten und Entscheidungsstrukturen schaffen,
  • eine Smart-City-Plattform aufbauen und
  • nicht alles allein machen, sondern Smart-City-Lösungs- und Technologieanbieter die Umsetzung übernehmen.

Unter diesen Voraussetzungen gelingt es, Smart Parking und andere Mobilitätskonzepte zu realisieren – für einen flüssigen Verkehr und eine bessere Luft in der Stadt. Den Auftakt können auch ganz andere Projekte machen. So nutzt Winterthur LoRaWAN für eine intelligente Straßenbeleuchtung und Freiburg überwacht mit der Technik das Abwasser. Während Singen am Hohentwiel, eine 45.000-Einwohner-Stadt in Baden-Württemberg, Smart Waste anders als Heidelberg angeht: Sensoren an der Einfahrt zum Wertstoffhof erfassen die wartenden Autos und senden diese Messwerte über LoRaWAN an eine zentrale Plattform, die mit einer App kommuniziert. Diese zeigt den Bürgern auf dem Smartphone an, wie lang momentan die Schlange ist.

Das Funknetz der vielen Möglichkeiten

Deutsche Städte liegen laut einer McKinsey-Studie mit ihrer Digitalisierung im internationalen Vergleich im unteren Mittelfeld. Doch auch bei uns gibt es bereits eine Vielzahl von Smart-City-Projekten. Die Entwicklung schreitet voran: Nicht nur Großstädte, sondern auch kleinere Städte und Gemeinden haben bereits Initiativen gestartet. Der Funkstandard LoRaWAN hilft ihnen dabei, schnell und einfach eine geeignete Kommunikationsinfrastruktur aufzubauen.

Und wenn das Funknetz erst einmal steht, bietet es viele Möglichkeiten. Bürger können es zum Beispiel auch privat für Smart-Home-Anwendungen nutzen. In Freiburg hat sich bereits eine Community gebildet, in der Programmierer, Bastler, Studenten und sonstige Interessierte eigene IoT-Anwendungen für das LoRaWAN entwickeln.

Dr. Bernhard Kirchmair.
Dr. Bernhard Kirchmair. (Bild: Vinci Energies)

Über den Autor

Dr. Bernhard Kirchmair ist Chief Digital Officer von Vinci Energies Deutschland. Zuvor war der Informatiker und promovierte Ökonom nach Gründung eines Start-ups und einem Aufenthalt im Silicon Valley als Unternehmensberater sowie in verschiedenen leitenden Funktionen bei großen Unternehmen tätig, zuletzt beim Mobilfunkanbieter O2. Bei Vinci Energies Deutschland verantwortet er die Digitale Transformation des Konzerns und das Wachstumsfeld Internet of Things (IoT).

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Schwesterportal IP-Insider.

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Ist dann interessant, wenn sich dann mit diese, System auch Kommunen und Städte untereinander...  lesen
posted am 31.10.2019 um 13:33 von Unregistriert


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