Kommunikationsnetze sind die Basis einer jeden Smart City. Je nach Anforderungen bedarf es verschiedener Technologien, um Daten effizient zu erfassen und zu übertragen.
Das Rückgrat eines jeden Kommunikationsnetzes einer Smart City bildet das Breitband. Hierüber kann jeder Bürger, jede Institution und jedes Unternehmen Zugang zum Internet erlangen und Daten mit der Smart-City-Cloud austauschen. Die Breitband-Infrastruktur lässt sich über klassische Kupferkabel, Glasfasernetze und auch Funknetze realisieren. Gerade bei den Funk- oder Mobilfunknetzen schreitet die Entwicklung in den letzten Jahren zügig voran. So demonstrieren die Deutsche Telekom und Huawei bei einem Live-Versuch Anfang 2016, wie mit Millimeter-Wellen-Technologie Verbindungsgeschwindigkeiten von bis zu 70 Gbit/s im Multi-User-Betrieb erzielt werden können. Bei der 5G-Demonstration wurde eine verbesserte Multi-Richtstrahl-Technologie eingesetzt, die in Gebäuden wie auch an sehr bevölkerten Orten für eine leistungsfähige Breitbandanbindung sorgt. Dr. Wen Tong, 5G Chefentwickler und Huawei Wireless CTO: „Mit der Millimeter-Wellen-Mu-MIMO-Technologie können bislang nie dagewesene glasfaserähnliche Geschwindigkeiten für den mobilen Breitbandzugang erreicht werden.“
Mithilfe der Multi-Richtstrahl-Technologie werden lenkbare, bleistiftförmige Strahlen zwischen der Antennengruppe und den Geräten der Kunden erzeugt. Diese können zur selben Zeit auf derselben Frequenz senden und empfangen, unterscheiden sich jedoch durch ihre Strahlensignaturen. Die beim Rekord benutzte mmWave-Multi-User-MIMO-Technologie kann jedem der damit verbundenen Nutzer hohe Verbindungsraten von 20 Gbit/s zur Verfügung stellen. Das ist rund 60-mal schneller, als die aktuell schnellste mobile Breitbandverbindung. Der Download von 100 GB hochauflösendem Videomaterial dauert dabei gerade mal 40 Sekunden.
Gleiche Infrastruktur, verschiedene Eigenschaften
Das ausschlaggebende Unterscheidungsmerkmal der 5G-Ära wird allerdings die Fähigkeit sein, über virtuelle Netzabschnitte unterschiedlichste Bedürfnisse mit ein und derselben Infrastruktur effizient und zuverlässig bedienen zu können. Dazu werden Virtualisierungs-Technologien genutzt, um auf derselben Infrastruktur parallel mehrere virtuelle Netze nach dem Prinzip des Network Slicing laufen zu lassen. Dieses gibt vor, welche Topologie, Protokolle und Netzressourcen genutzt werden sollen. So kann zum Beispiel der eine virtuelle Netzabschnitt Echtzeitkommunikation garantieren, während der andere mit derselben Infrastruktur große Datenmengen in Rekordzeit überträgt. Das Netz ändert wie ein Chamäleon seine Eigenschaften. Claudia Nemat, Vorstandsmitglied bei der Telekom: „Ziel bei 5G ist es nicht nur, mehr Leistungen zu bieten. Die neue Mobilfunktechnik wird auch individueller auf die Anforderungen der Kunden eingehen: Der eine braucht hohe Datenraten, andere eher kurze Latenzen oder energiearme Massenanwendungen.“
Neue Alternative für Sensoranbindung
Doch das Gros der Signale in einer Smart City stammt nicht von Smartphones oder Notebooks, sondern von Millionen von Sensoren, die das Internet der Dinge (IoT – Internet of Things) bilden. Die meisten dieser Sensoren müssen dazu nur winzig kleine Datenmengen senden – hierfür ist das Breitbandnetz völlig überdimensioniert. Auch andere klassische Kommunikationswege wie WLAN, Bluetooth und LTE bieten dafür oftmals nicht die nötige Reichweite, Objektdurchdringung oder sind für viele Kleinanwendungen zu kostenintensiv. Um Sensoren und damit Alltagsgegenstände innerhalb einer Stadt an das Kommunikationsnetz anzubinden, ist daher in den letzten Jahren eine neue Netz-Technologie entwickelt worden: Low Power Wide Area (LPWA). Unter diesem Begriff werden verschiedene Systeme zusammengefasst. Eines davon ist Narrowband IoT: Die Technologie nutzt bestehende Netze in einem lizenzierten Spektrum – wie das 5G-Netz – und unterstützt eine Vielzahl von IoT-Geräten. Sie ist insbesondere für Anwendungen mit niedrigem Bandbreitenbedarf (von 100 bit/s bis zu wenigen Kbit/s) wie etwa intelligente Parksysteme, Stromzähler und Abfallmanagement konzipiert. Die Technologie ermöglicht innerhalb von Gebäuden außerdem einen weitaus besseren Empfang als zum Beispiel der Mobilfunkstandard GSM. Dank des niedrigen Energiebedarfs beträgt die Batterielebenszeit bis zu zehn Jahren.
Anbindung ohne Mobilfunknetz
Andere LPWA-Systeme arbeiten völlig unabhängig vom Mobilfunknetz und nutzen das unlizenzierte Funkspektrum. Die bekanntesten dabei sind sicherlich LoRa, Sigfox – beide stammen übrigens aus Frankreich – sowie das Start-up Ingenu.
Die von Semtech verbreitete LoRa-Lösung ist speziell für die Übertragung niedriger Datenraten bei gleichzeitig großen räumlichen Distanzen von bis zu 20 Kilometern konzipiert. Weitere Vorteile sind die kostengünstige Hardware, eine End-to-End-Verschlüsselung und eine lange Batterielaufzeit der Funkeinheiten von bis zu zehn Jahren. Das Industriegremium LoRa Alliance hat dazu den offenen Standard LoRaWAN definiert. Er garantiert, dass alle Geräte, die diesen Standard nutzen, im LoRa-Funknetzwerk eingesetzt werden können. „Insbesondere Städte können auf diesem Weg Kosten sparen und wichtige Erkenntnisse zur Optimierung ihrer Infrastruktur sammeln“, sagt Marcus Walena, Gründer von Digimondo. Das Start-up baut in deutschen Metropolen ein LoRa-Kommunikationsnetzwerk für das Internet der Dinge auf. „Mit dieser kostengünstigen Datenkommunikation werden Städte fit für die Herausforderungen der Zukunft“, betont Walena.
Ein ähnliches System, allerdings basierend auf einer anderen Modulationstechnik, ist Sigfox. Auch hierbei handelt es sich um eine einfache wirtschaftliche und energieeffiziente Zwei-Wege-Fernübertragung für geringe Datenmengen. Sigfox existiert bereits in 20 Ländern (oder wird dort gerade eingeführt), in denen heute mehr als sieben Millionen Geräte über dieses Netzwerk verbunden sind. Im Gegensatz zu den anderen Netzkonzepten hat das US-amerikanische Unternehmen Ingenu mit RPMA (Random Phase Multiple Access) eine Technologie entwickelt, mit der Reichweiten von bis zu 65 Kilometern (auf freier Fläche) erzielt werden können. Pro Funkturm lassen sich unter „real-life“-Bedingungen immer noch über 700 Quadratkilometer abdecken. Inzwischen existieren bereits 38 private Netzwerke weltweit, die mit dieser Technologie ausgerüstet sind.
Neben den drei genannten LPWA-Anbietern existieren noch viele andere Firmen, die Funksysteme zur Anbindung von Objekten an das Kommunikationsnetz einer Smart City anbieten. Das birgt das Risiko, dass Städte keine standardisierten Systeme für ihr IoT einsetzen, sondern fragmentierte Lösungen. Durch derartige uneinheitliche Lösungen könnten den Smart Cities bis zum Jahr 2025 Kosten in Höhe von bis zu 341 Milliarden Dollar entstehen, wie Machina Research in einem von dem Mobilfunk- und Forschungsunternehmen InterDigital in Auftrag gegebenen Whitepaper errechnete. Jim Nolan, Executive Vice President IoT Solutions bei InterDigital, kommentiert das so: „Die Welt des IoT ist zurzeit charakterisiert durch konkurrierende Technologien und Plattformen und wird zusätzlich verkompliziert durch zahlreiche Standardisierungs-Organisationen. Diese Fragmentierung verursacht eine Verzögerung in der breit angelegten Einführung des IoT. Wir können nicht hoffen, irgendwelche Smart-City-Ambitionen zu realisieren, wenn sich nicht alle Akteure auf ein gemeinsames Set von Standards einigen.“