Hausgeräte, Autos, Maschinen, Wearables – alle werden Teil des Internets der Dinge (Internet of Things oder auch IoT). Ein zunehmender Anteil der „Dinge“ ist dabei per Funktechnologie mit dem Internet verbunden.

„Die sich abzeichnende IoT-Bewegung wirkt sich auf alle ­Bereiche der Industrie und nahezu alle Märkte aus – von den Rohstoffen über die Produktion bis hin zur Distribution und sogar zum Verbrauch der Endprodukte“, meint Jenalea Howell, Research Director für IoT ­Connectivity und Smart Cities bei IHS Markit. „Das ist eine sich ständig weiterentwickelnde Bewegung, die die Art und Weise, wie Menschen mit Maschinen, Informationen und sogar miteinander interagieren, verändert.“

Alleine der Datenverkehr von Smartphones, Tablets und mobilen PCs und Routern wird im Jahr 2023 die 100 Exabyte (EB) pro ­Monat überschreiten, so die aktuelle Ausgabe des Ericsson ­Mobility ­Reports. In 2017 lag das Volumen noch bei 17 EB pro ­Monat. Zum besseren Verständnis: 1 EB entspricht ungefähr dem Speichervermögen von 250 Millionen DVDs.

Die Wireless-Landschaft wird komplexer

Um dieses Datenvolumen sicher zu übertragen, werden die unterschiedlichsten Wireless-Technologien eingesetzt. Sie unterscheiden sich nach Datenrate, Latenz, Reichweite, Energieverbrauch und vielem mehr. Bis dato beherrschten vor allem die drei Technologien Mobilfunk, WiFi und Bluetooth die Wireless-Welt.

Aber die drahtlose Landschaft wird immer komplexer: Neue Lösungen erfüllen spezifische Anforderungen aus verschiedenen Anwendungen wie zum Beispiel Bluetooth Low Energy (BLE) oder Mesh-Netzwerke wie Zigbee und Thread. Eine wichtige Rolle wird auch der zukünftige 5G-Mobilfunk spielen. Ebenfalls im Trend liegen verschiedene Low-Power Wide Area Networks (LPWANs), die Daten mit sehr wenig Energie über große Entfernungen übertragen können.

Halbleiterindustrie bietet Lösungen zur schnellen Wireless-Integration

Um die unterschiedlichsten Produkte schnell und einfach mit Funktechnologien auszurüsten, bietet die Halbleiterindustrie spezielle Chips mit entsprechenden Schnittstellen an. Dabei wird unterschieden zwischen Systems-on-a-Chip (SoC) und Modulen. Bei einem SoC handelt es sich um ­einen Mikrochip, der bereits alle nötigen elektronischen Schaltkreise und Komponenten für die Wireless-Funktion in einer integrieren Schaltung vereint. Diese Lösung ist preiswert und benötigt nur wenig Platz, erfordert aber für die Integration in das zu vernetzende Gerät noch einiges an Engineering.

Zudem muss das System nach der Integration noch zertifiziert werden. Die schnellere Lösung sind Wireless-Module. Sie enthalten ebenfalls ein SoC, verfügen aber zusätzlich über alle benötigten Bauteile, Abschirmungen, Approbationen und Zertifizierungen. Module kosten daher deutlich mehr als ein SoC und benötigen, da sie auf einer eigenen Platine montiert sind, mehr Platz – auch wenn aktuelle Module nur wenige Millimeter groß sind.

Lösungen für mehr Flexibilität

Allerdings bleibt bei der Integration von Wireless-Technologie ein Problem: Welchen Funkstandard soll man denn nun wählen? Die Industrie bietet inzwischen Systeme und Module an, die die Antwort auf die Frage vereinfacht: Sie haben gleich mehrere Funk-Schnittstellen in einem Chip integriert. Eine andere Lösung ist das sogenannte Software Defined Radio (SDR). Hierbei können Frequenzband, Protokoll und Funktionalität durch Software-Download und -Update anstelle eines kompletten Hardware-Austauschs geändert werden.

Antennentechnologie erhöht ­Funkkapazitäten

Doch das immens steigende Datenvolumen, das per Wireless-Technologien übertragen wird, führt zu einem Problem: Die Kapazität des Funkfrequenz-Bandes ist endlich. Zudem besteht die Gefahr, dass die steigende Zahl von RF-Sendern sich gegenseitig stört.

Die moderne Antennentechnologie bietet hierfür Lösungen: Mit der MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output) wird der Datenstrom über mehrere Sende- und Empfangsantennen übertragen, so lässt sich die Kapazität des Funknetzes erheblich steigern. Gleichzeitig kann ein Sender mit der Mehrantennentechnik durch das sogenannte Beamforming in verschiedene Richtungen individuelle Signale senden, so das Frequenzband besser ausnutzen und Funkstörungen reduzieren.

Doch auch mit diesen Technologien wird das RF-Frequenzband schon in absehbarer Zeit an seine Grenzen stoßen.

Funken mit Licht

Die Alternative ist, zusätzlich einen anderen Frequenzbereich zu erschließen. Zum Beispiel Licht. Denn die Bandbreite von sichtbarem Licht ist 10.000-mal größer als die des RF-Bereichs. Tatsächlich befinden sich Systeme auf dem Sprung zur Marktreife, die mithilfe von Licht Daten übertragen. Diese LiFi genannten Lösungen modulieren das Licht mit einer Geschwindigkeit, die für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist.

Erste Unternehmen bringen bereits entsprechende Lösungen auf den Markt. „LiFi hat ein enormes Potenzial für das heutige digitale Zeitalter“, so zum Bespiel Olivia Qiu, Chief Innovation ­Officer von Philips Lighting. „Während es bei den Funkfrequenzbereichen bei der Datenübertragung zunehmend zu Engpässen kommt, ist das sichtbare Lichtspektrum eine ungenutzte Ressource mit großer Bandbreite für eine stabile Verbindung von mehreren IoT-Geräten gleichzeitig.“

Mit all diesen neuen Technologien ist der Weg frei für ein weiteres Wachstum des kabellos übertragenen Daten­volumens – und für viele neue Anwendungen im Internet der Dinge.

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Jeder Internetnutzer kennt das Problem: Je mehr Geräte sich mit dem WiFi verbinden, desto langsamer ist die Datenübertragung. Das liegt daran, dass die Router nur mit einem Gerät gleichzeitig kommunizieren können.

Nutzen mehrere Geräte parallel das WLAN, so muss jeder Teilnehmer erst warten, bis er mit der Datenübertragung an der Reihe ist. Steigt zudem das Volumen der übertragenen Daten, zum Beispiel durch Multimediainhalte wie 3D-Videos oder Augmented-Reality-Anwendungen, so können Funksysteme nur mit Hilfe smarter Antennen den Anforderungen anspruchsvoller Nutzer gerecht werden.

Diese intelligenten Antennen bestehen aus mehreren Sende- und Empfangsantennen sowie der zugehörigen Signalverarbeitung. Sie ermöglichen die Übertragung immer höherer Datenraten und stellen damit eine der Schlüsseltechnologien aktueller und zukünftiger Wireless-Kommunikationssysteme dar.

Was ist MIMO?

Eine der wichtigsten Entwicklungen dabei ist die MIMO-Technik:

Sobald Hindernisse zwischen dieser Verbindung stehen, werden die Signale gestreut und abgeleitet. Dadurch wird die Verbindung beeinträchtigt oder reißt sogar ab. Eine Sichtverbindung ist aber bei den meisten Wireless-Anwendungen nur sehr schwer zu realisieren. MIMO nutzt dagegen die Streuung der Signale und erreicht durch die verschiedenen Wege der Signale und deren zeitversetztes Eintreffen am Endgerät eine bessere Systemkapazität sowie einen besseren Datendurchsatz.

MIMO ist schon länger aus WLAN-Netzwerken bekannt und im High-Speed-WLAN-Standard IEEE802.11ac explizit definiert. Das mit IEEE802.11ac Wave 2 eingeführte Multiuser-(MU-)MIMO ermöglicht es einem WiFi-Router, mit mehreren Geräten gleichzeitig zu kommunizieren. Mit MU-MIMO können ganze Abteilungen in Unternehmen gleichzeitig Videokonferenzen veranstalten, große E-Mail-Anhänge und Medieninhalte herunterladen, den Abgleich mit großen Dateien von lokalen Fileservern oder Cloud-Speicherdiensten durchführen oder Präsentationen streamen – ganz ohne Verzögerungen oder Zwischenspeicherung.

Auch in Mobilfunknetzen wird die MIMO-Technologie genutzt, hier hielt sie mit LTE Einzug. Während LTE üblicherweise maximal acht Antennenelemente kombiniert, erfordert der zukünftige 5G-Standard aber deutlich mehr Leistung: Bei den hier genutzten Millimeterwellen kommen häufig mehrere hundert Antennen an einer Sende- bzw. Empfangsstation zum Einsatz.

Diese optimierte Mehrantennentechnik, Massive MIMO genannt, steigert die Kapazität des Mobilfunknetzes um ein Vielfaches. Allerdings erfordert Massive MIMO eine weitere Technologie, um die Vorteile der großen Bandbreite der Millimeterwellen zu nutzen:

Weniger Störungen dank Funkstrahlen

Von herkömmlichen Antennen werden die Signale gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt. Überschneiden sich die Signale mit denen anderer Sender, kann es zu Interferenzen kommen, die Signalübertragung wird ernsthaft gestört.

Die Mehrantennentechnik des Massive MIMO löst in Kombination mit dem Beamforming dieses Problem: Durch das zeitlich versetzte Senden desselben Signals mit mehreren Antennen peilt der Sender den ungefähren Standort des Clients an und richtet seine Übertragungsleistung entsprechend aus – so wird ein Signalstrahl geformt, auf Englisch Beamforming.

Ein Beamforming-Sender kann so in verschiedene Richtungen individuelle Signale an einzelne Empfänger versenden. Das erhöht die Reichweite, sorgt für eine stabilere Verbindung sowie höhere Übertragungsraten und reduziert unerwünschte Funkstörungen.

Stromverbrauch senken dank MIMO

Die MIMO-Antennenelemente benötigen D/A-Schaltungen, die digitale Signale in analoge umwandeln, um Signale von der Antenne zu senden. Wird jedoch im Millimeterwellenbereich ein digitales Beamforming verwendet, bei der jedes Antennenelement über eine D/A-Schaltung verfügt, sind mehrere Hochgeschwindigkeits-D/A-Schaltungen erforderlich. Das führt zu einem erhöhten Stromverbrauch.

Eine Lösung ist das sogenannte hybride Beamforming, bei dem ein Teil der Signalverarbeitung im analogen Antennenelement durchgeführt wird. So können mehrere Antennenelemente an einen einzigen D/A-Kreis angeschlossen werden. Das reduziert den Stromverbrauch, da weniger D/A-Schaltungen nötig sind. Ein solches hybrides Beamforming-System ermöglicht eine Einsparung an Hardware, eine Verbesserung der Energiebilanz sowie eine Reduzierung des Rechenaufwands.

In Zukunft wird mit 400 Gigabit pro Sekunde gefunkt

Der künftige Mobilfunkstandard 5G verspricht mit diesen Technologien eine enorme Leistungssteigerung in der drahtlosen Kommunikation – mit bis zu zehn Gigabit pro Sekunde. Doch schon jetzt zeichnet sich ab, dass die vorhandenen Frequenzbänder in Zukunft nicht ausreichen werden, um die steigende Nachfrage nach stabiler drahtloser Kommunikation zu bedienen.

Aus diesem Grund arbeiten Forscher bereits heute am übernächsten Mobilfunkstandard. Ziel ist es, eine Netzverbindung im Terahertz-Frequenzbereich zu ermöglichen, die so stabil ist, dass Daten auch drahtlos mit einer Geschwindigkeit von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde transportiert werden können.

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Moderne Flugzeuge verfügen über hochkomplexe Kommunikationssysteme, die Steuerbefehle an die verschiedenen Betriebssysteme übermitteln und zahlreiche Sensoren zum Beispiel für die Überwachung der Triebwerke oder des Fahrgestells vernetzen.

Doch diese traditionellen Kommunikationssysteme erfordern eine komplexe elektrische Verkabelung und eine aufwändige Kabelbaum-Fertigung, die nicht nur teuer ist, sondern auch viel Gewicht mit sich bringt.

30 Prozent weniger Kabel dank drahtloser Systeme im Flugzeug

Die Idee liegt nahe, zumindest einen Teil dieser Kabel durch Wireless-Technologien zu ersetzen.

Tatsächlich arbeiten Flugzeugbauer und Wissenschaftler genau daran: So wurde bei der World Radio Conference 2015 ein 200 MHz breites Spektrum von 4,2 bis 4,4 GHz weltweit für eine Sekundärnutzung durch Sensornetze, sogenannte Wireless Avionics Intra-Communications (WAIC), im Flugzeug freigegeben.

WAIC besteht aus einer Kurzstrecken-Funkkommunikation mit einer Reichweite unter 100 Metern, die im oder am Flugzeug verbaute Komponenten miteinander vernetzt.

Mögliche Anwendungen sind unter anderem Sensoren zur Raucherkennung oder zur Überwachung von Kabinenluftdruck, Kraftstofftankfüllstand, Luftfeuchtigkeit und Korrosion.

Dabei sollen vorhandene Kabelverbindungen nicht unbedingt komplett ersetzt, sondern eher ergänzt werden. Denn viele Systeme im Flugzeug sind mehrfach redundant ausgelegt; fällt zum Beispiel eine Kabelverbindung zu einem Sensor aus, steht eine zweite oder sogar dritte bereit, um einzuspringen.

Mit WAIC könnte zumindest eines dieser redundanten Kabel durch eine Funkverbindung ersetzt werden. Nicht kritische Systeme wie Beleuchtung oder Temperaturregelung ließen sich dagegen auch komplett über das Funksystem steuern.

Flugzeugbauer erhoffen sich, dank der Wireless-Technologien die Verkabelung eines Flugzeugs um 30 Prozent zu reduzieren und so die Effizienz der Maschinen deutlich erhöhen zu können. Ein weiterer Vorteil für den Betreiber des Flugzeugs ist die Flexibilität:

Wann immer es notwendig ist, die Kabine oder andere Installationen umzugestalten, ist die Rekonfiguration mit drahtlosen Systemen deutlich einfacher.

Doch ein Problem ist die Sicherheit derartiger WAIC-Systeme: Sie könnten zum einen von außerhalb des Flugzeugs gehackt werden. Zum anderen könnten sie mit anderen Systemen, die im Radio-Frequenzband arbeiten, Interferenzen bilden und auch Radarsysteme stören – oder von ihnen gestört werden.

Daten per Licht in Kabine und Cockpit

Der europäische Flugzeugbauer Airbus untersucht daher auch, inwiefern LiFi im Flugzeug einsetzbar wäre. Bei LiFi werden Daten mit hoher Datenrate durch eine Modulation von „normalen“ Beleuchtungs-LED übertragen (siehe dazu auch das Interview auf Seite 6 ff.).

Jede Leseleuchte in der Kabine eines Flugzeugs könnte so problemlos mit LiFi-Technologie ausgestattet und in einen Hotspot verwandelt werden. Darüber könnte den Passagieren eine ausreichende Datenmenge zur Verfügung gestellt werden, um Videos zu streamen oder im Internet zu surfen.

Bei Airbus arbeiten die Entwicklungsingenieure bereits an Lösungen zur Integration der Technologie an Bord. Der Flugzeugbauer untersucht darüber hinaus auch Lösungen für den LiFi-Einsatz im Cockpit.

Im Vergleich mit anderen Wireless-Technologien durchdringt LiFi nicht die Wände. Datenübertragungen mit LiFi innerhalb des Cockpits könnten also von außen nicht beeinflusst bzw. gehackt werden.

Zudem ließen sich mit LiFi leicht separate Datennetze aufbauen, zum Beispiel für die Piloten, das Kabinenpersonal und die Passagiere, die in dem jeweiligen Raum, z. B. im Cockpit, sicher sind. Zur Zeit läuft ein von der Europäischen Kommission initiiertes Projekt, das die Tauglichkeit von LiFi für den Einsatz im Flugzeug nachweisen soll.

Das französische Unternehmen Factem entwickelt dazu verschiedene LiFi-Geräte – zum Beispiel ein Piloten-Headset und Tablets –, die beweisen sollen, dass die LiFi-Technologie so leistungsfähig und zuverlässig wie eine kabelgebundene Verbindung sein kann. Ziel ist es, erste Prototypen im Januar 2019 fertigzustellen.

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Wo und wie wir Musik hören, verändert sich. Die Menschen wollen überall – zuhause, im Büro, beim Sport – schnell und unkompliziert Musik in hoher Qualität genießen.

Die CD als klassischer Tonträger wird dabei abgelöst von Streamingdiensten wie Spotify und dem Smartphone als ständig verfügbare Musikzentrale.

Die Nutzer wollen dabei die Musik auch zunehmend über Geräte abspielen, die sie den ganzen Tag überall mit hinnehmen können – sei es ein Paar kabellose Ohrhörer oder einen tragbaren Lautsprecher.

Was ist Bluetooth?

Bluetooth-Technologie gefragt

In Westeuropa ist laut dem Marktforschungsunternehmen GfK vor allem die Bluetooth-Technologie gefragt:

Rund 15 Prozent der im ersten Halbjahr 2017 verkauften Kopfhörer und Stereo-Mobilfunk-Headsets waren Bluetooth-fähig.

Der Bluetooth-Anteil war damit fast doppelt so hoch wie im Vorjahreszeitraum. Ebenfalls immer stärker nachgefragt werden True-Wireless-Geräte: Kopfhörer wie der „BH406“ von ACME benötigen mit dieser Technologie weder eine Kabelverbindung zur Musikquelle noch vom rechten zum linken Ohrhörer.

Dabei wird nur der linke Kopfhörer als primärer Lautsprecher via Bluetooth mit dem Smartphone verbunden. Der rechte Lautsprecher verbindet sich anschließend automatisch via „True Wireless Stereo“.

Noch einen Schritt weiter geht „True Wireless Stereo Plus“: Dabei werden beide Ear-Plugs per Bluetooth direkt an das mobile Gerät angeschlossen. Jeder Plug erhält nur die für ihn relevanten Audioinhalte – das steigert die Robustheit der Audio-Übertragung und führt zu einem gleichmäßigen Stromverbrauch beider Ear-Plugs.

Die Vermeidung einer Latenzzeit zwischen den beiden Ohrstöpseln steigert zudem die Tonqualität.

Live-Konzerte noch intensiver erleben

Um eine bessere Tonqualität geht es auch bei dem Wearable PEEX rX der Firma Powerchord – allerdings nicht zum Anhören von Musikaufnahmen, sondern von Live-Konzerten.

Eigentlich handelt es sich sogar um ein ganzes System zur Intensivierung eines Konzerterlebnisses. Die Technologie, auf der dieses Produkt basiert, wurde in Zusammenarbeit mit RTX A/S entwickelt. Das Publikum trägt dabei das PEEX rX-Gerät, das über Bluetooth Low Energy mit dem eigenen Smartphone verbunden ist.

Das Wearable wiederum empfängt vom Künstler am Veranstaltungsort über zuvor vereinbarte Feeds verschiedene Audiokanäle wie Gesang, Bass, Drums oder Gitarre. Diese Kanäle werden über handelsübliche WLAN-Chipsätze übertragen, wobei das WLAN-Protokoll komplett durch ein proprietäres Protokoll ersetzt wurde.

Zusammen mit weiterer patentierter Technologie wird so sichergestellt, dass die hohen Anforderungen der Konzertbesucher hinsichtlich Qualität und Latenz erfüllt werden.

Über eine App auf dem Smartphone kann der Zuhörer dann die Lautstärke regeln und sich seinen eigenen Sound mischen – zum Beispiel den Gesang mehr in den Vordergrund stellen oder den Bass reduzieren.

Der Kopfhörer bewahrt das Live-Erlebnis, indem die Umgebungsgeräusche nicht eliminiert werden und der reale (Lautsprecher-)Sound in Echtzeit abgestimmt wird.

Vernetzt über Räume hinweg

Den Sound eines Live-Konzerts erreichen portable Bluetooth-Lautsprecher zwar noch nicht, doch auch ihre Tonqualität wird immer besser.

Vor allem Multiroom-fähige Lautsprecher-Systeme sind gefragt, also Geräte, mit denen Nutzer unterschiedliche Musik in unterschiedlichen Räumen genießen können.

Dabei werden mehrere Lautsprecher innerhalb des heimischen WiFi-Netzes miteinander verbunden – so kann ein imposantes und eindrucksvolles Hörerlebnis über mehrere Räume hinweg geschaffen werden.

Ein Beispiel hierfür ist der HomePod von Apple: Mit iOS 11.4 kann der kabellose Lautsprecher mit einem anderen Lautsprecher verbunden werden – und so ein echtes Stereo-Hörerlebnis bieten.

Mit zwei HomePod-Lautsprechern als Stereopaar liefert das System einen raumfüllenderen Klang als ein herkömmliches Stereopaar – und das aus einem Lautsprecher, der gerade einmal knapp über 17 Zentimeter hoch ist.

Das ist möglich, da der HomePod eine automatische Raumerkennung nutzt, um seine Position zu erfassen und den Ton unabhängig vom Aufstellungsort automatisch für ein bestmögliches Musik-Erlebnis anzupassen.

Für ein perfektes Zusammenspiel mehrerer Lautsprecher und das vollständig synchrone Abspielen der Musik wird eine von Apple entwickelte drahtlose Peer-to-Peer-Direktverbindung verwendet.

Mit dem auf AirPlay 2 basierenden Multiroom-Audiosystem kann zudem Musik in jedem Raum von jedem Raum aus abgespielt, Musik von einem Raum in einen anderen verschoben oder derselbe Song überall mit einem iOS-Gerät, einem HomePod, Apple TV oder durch Abfrage von Siri abgespielt werden.

Wireless in Hi-Fi-Qualität

Tonqualität ist ein zunehmend wichtiger Aspekt bei Wireless-Lautsprechern. So überträgt der Smart Speaker P3 von Onkyo Sprache und Musik in raumfüllender Hi-Fi-Klangqualität.

Das System gehört zu den ersten intelligenten Lautsprechern mit Unterstützung der DTS Play-Fi-Technologie.

Hiermit kann Musik von jeder beliebigen Anwendung oder Datei in unverfälschter, verlustfreier Qualität über Standard WiFi auf einen oder mehrere Play-Fi-fähige Lautsprecher und Komponenten gestreamt werden.

Play-Fi wird von vielen der weltweit größten Marken der Hi-Fi-Branche unterstützt. Der Lautsprecher treibt die Wireless-Erfahrung dabei quasi auf die Spitze: Per Sprachdienst Alexa lässt sich nicht nur die Musik steuern, sondern es können sogar andere kompatible smarte Geräte darüber bedient werden.

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Was ist WirelessHART

Ein hohes Maß an Flexibilität und Produktivität sind Hauptanforderungen an eine moderne industrielle Fertigung.

Drahtlose Kommunikationssysteme sind hierfür von zentraler Bedeutung, denn mit ihnen können zum einen bewegliche Akteure in der Produktion – Gabelstapler, Roboter, mobile Arbeitsstationen – Steuerungsdaten erhalten und Statusinformation liefern.

Zum anderen lässt sich mit ihnen der Verkabelungs- und Installationsaufwand erheblich reduzieren – ein zunehmend wichtiger Faktor in flexibel modular aufgebauten Fabriken, in denen immer mehr Geräte vernetzt werden.

Per Mobilfunk mit der Maschine vernetzt

Dabei können durchaus Wireless-Technologien zum Einsatz kommen, die man auch aus dem Privatleben kennt: Mobilfunk, WiFi und Bluetooth werden schon seit längerem auch in industriellen Anwendungen genutzt.

Zum Beispiel bei der Fernwartung von Anlagen: Der Nähmaschinenspezialist Dürkopp Adler zum Beispiel bietet seinen Kunden die Möglichkeit, zur Wartung aus der Ferne auf die Maschinen zuzugreifen. Die mit Mobilfunkmodems ausgestatteten Nähmaschinen verbinden sich hierfür mit einer cloudbasierten Plattform der Telekom und können so Betriebsparameter der Maschine über das Mobilfunknetz senden und gleichzeitig Kontrollbefehle empfangen.

Auch für die Kommunikation mit dem Maschinenbediener kann Mobilfunk durchaus interessant sein: So bietet Phoenix Contact, Hersteller von Komponenten für die Elektrotechnik und Automatisierung, ein Mobilfunk-Modul, mit dem eine Werkzeugmaschine ihrem Bediener über SMS Statusmeldungen schicken kann.

So kann er, auch wenn er zum Beispiel in der Pause oder in einem anderen Bereich der Fabrik ist, sofort über eine Störung informiert werden.

Fahraufträge über WLAN

Vor allem in der Intralogistik hat sich dagegen WiFi etabliert. Allerdings stellt die Anwendung von WLAN im industriellen Umfeld Systemintegratoren immer wieder vor Herausforderungen – wie zum Beispiel bei der Badischen Staatsbrauerei Rothaus.

Die gelagerten Flüssigkeiten, in diesem Fall das Bier, erforderten, dass die WLAN-Frequenz des Staplerleitsystems auf die Resonanzfrequenz der Tank- oder Flascheninhalte abgestimmt werden musste.

Andernfalls wäre die Funkverbindung zu stark gestört worden und der Staplerbetrieb nur eingeschränkt bis gar nicht möglich. Der Flurförderzeug-Hersteller Linde bietet für solche Fälle die Möglichkeit, verschiedene Funksysteme auf den Staplern zu nutzen: So kann die Datenübertragung mittels GPRS (SIM-Karte), Bluetooth oder WLAN erfolgen.

Wenn es im betrieblichen Außenbereich kein WLAN gibt, kann auf dem dort eingesetzten Fahrzeug die Mobilfunkverbindung genutzt werden, um Informationen an die Datenbank zu senden.

Und wenn es im Gebäude Bereiche gibt, wo nur schlechter WLAN-Empfang gegeben ist, kann der Stapler automatisch über Bluetooth Daten abrufen, sobald er sich einem fest installierten Bluetooth-Access-Point nähert.

WiFi oder Bluetooth stoßen allerdings an ihre Grenzen, wenn in einer Produktion hunderte Sensoren, Aktoren und weitere Systeme miteinander vernetzt werden sollen.

Ab 15 Geräten kann das in der Praxis zu Problemen führen, da sich die Teilnehmer gegenseitig stören. Darüber hinaus gibt es im funkbasierten LAN erhebliche Verbindungsprobleme – denkt man an Wände, Störsignale, Maschinen und metallische Gegenstände.

Diese können zu einer unzuverlässigen Kommunikation führen.

Stabile Sensornetzwerke für Condition Monitoring

Speziell für industrielle Sensornetzwerke wurde daher der Funkstandard IEEE 802.15.4 entwickelt, der sich durch einen äußerst geringen Stromverbrauch, niedrige Datenraten und Funkreichweiten bis circa 200 Meter auszeichnet.

Die kostengünstige Hardware ist ebenso kennzeichnend für den Funkstandard wie die Nutzung der lizenzfreien ISM-Bänder. Auf diesem Standard basieren verschiedene Wireless-Technologien, darunter Zigbee, 6LoWPAN oder WirelessHART.

Mit diesen Systemen lassen sich umfangreiche Sensornetze realisieren, wie sie unter anderem bei Condition Monitoring, also der Überwachung von Maschinen und Anlagen, benötigt werden.

So hat zum Beispiel der Kugellager-Spezialist SKF einen smarten Sensor entwickelt, der Datenerfassung und Funkgerät in einem batteriebetriebenen Gerät kombiniert und der sowohl Schwingungs- als auch Temperaturdaten erfassen kann.

Der Sensor nutzt das WirelessHART-Kommunikationsprotokoll, mit dem sich bis zu 250 Teilnehmer vernetzen lassen.

Diese Teilnehmer werden in Form eines Mesh-Netzwerks miteinander verbunden: Dabei dient jedes angeschlossene Gerät gleichzeitig auch als Router. Fällt ein Datenpfad für die Signalübertragung aus, sucht sich das Signal einen alternativen Weg. Nachrichten, die nicht oder unvollständig ankommen, werden erneut an denselben Teilnehmer gesendet.

So entsteht ein sehr robustes Netz, wie es für Industrie-Anwendungen erforderlich ist. Die Möglichkeit eines Mesh-Netzes bieten auch andere Systeme wie Zigbee 3.0 oder das relativ neue Bluetooth Mesh.

Industrie 4.0 braucht neue Lösungen

Doch für die zukünftigen Anwendungen in der Industrie 4.0 reichen die vorhandenen Funklösungen in vielen Fällen nicht aus.

Denn deren Anforderungen an Latenz, Zuverlässigkeit, Reichweite, Fehlertoleranz, Sicherheit und Möglichkeiten zur Lokalisierung sind oftmals zu hoch, warnt zumindest der VDE in seinem Positionspapier „Funktechnologien für Industrie 4.0“.

Der Verband fordert unter anderem die Entwicklung neuer Funksysteme auf Basis offener, global anerkannter Standards. Sie sollen nicht nur die nötige Leistung und Zuverlässigkeit für die Anwendungsszenarien der Industrie 4.0 bieten, sondern darüber hinaus auch möglichst einfach bei Installation, Handhabung und Wartung sein.

Das Spektrum an industriellen Wireless-Kommunikationssystemen dürfte also in Zukunft noch größer werden.

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Was ist Thread?

Licht und Heizung via Smartphone steuern, Haushaltsgeräte per Stimme bedienen oder die eigenen vier Wände mit intelligenten Überwachungssensoren sicherer machen: Smart-Home-Anwendungen sind im Trend. „Wir erleben gerade den Durchbruch des Smart Home“, so Bitkom-Präsident Achim Berg.

Beim Smart Home geht es nicht um Technikspielereien, es geht um gesellschaftliche Veränderungen, die zum Beispiel ein selbstbestimmtes Leben im Alter zu Hause ebenso ermöglichen wie eine dezentrale, ressourcenschonende Energieversorgung.

Da die unterschiedlichsten Hersteller immer mehr IoT-Geräte für die Heimautomation auf den Markt bringen, war eine effektive und effiziente Interoperabilität noch nie so wichtig wie heute. Viele der heutigen kommerziellen Protokolle sind allerdings immer noch proprietär, das heißt, nur Geräte eines einzigen Anbieters können zusammenarbeiten.

So kommunizieren beispielsweise die Wireless-Geräte von Busch-Jaeger, einem führenden Unternehmen der Elektroinstallationstechnik, über ein proprietäres Funkprotokoll im 2.4-GHz-Frequenzbereich.

Das französische Unternehmen Somfy hat dagegen den eigenen Standard RTS (Radio Technology Somfy) entwickelt, der im Frequenzbereich von 868,6625 MHz arbeitet.

Heute setzt das Unternehmen aber auf io-homecontrol, einer herstellerübergreifenden Zweiwege-Funktechnologie für Wohngebäude, die in einem breiten Spektrum von Haustechnik-Produkten unterschiedlicher Marken integriert ist. Doch bislang nutzen nur sieben Markenhersteller diesen Standard.

Offene Funkstandards erhöhen den Nutzen

Dabei verschafft doch vor allem die Kombination verschiedener Anwendungsgebiete einen Mehrwert, um den Komfort und die Sicherheit in den eigenen vier Wänden zu erhöhen.

Mit einem smarten Türschloss, das mit einer Außenkamera verbunden wird, kann man beispielsweise den Kindern von der Arbeit aus die Wohnungstür öffnen oder den Postboten bitten, das Paket im Flur abzustellen.

Eine derartige Offenheit und Freiheit bei der Vernetzung verschiedener Home-Automation-Geräte bieten allgemeine Funkstandards – neben WiFi und Bluetooth sind das bei Smart Home Lösungen vor allem ZigBee, Z-Wave oder Thread.

„Wir haben uns dafür entschieden, unser Engagement für Thread zu verstärken, weil es die größte Herausforderung für gewerbliche Gebäude löst: Technologiesilos, die mit minimaler Interoperabilität behaftet sind“, begründet Klaus Waechter, Standardization Manager bei Siemens Building Technologies, zum Beispiel das Engagement seines Unternehmens für einen allgemeinen Funkstandard.

„Siemens unterstützt die Bemühungen von Thread, die fragmentierte Geräteindustrie zu vereinheitlichen und neue Märkte zu erschließen.“ Dabei scheint Thread auf einem guten Weg zu sein – neben Siemens zählen Apple, die Google-Tochter Nest, Osram, Bosch oder Samsung zu den Mitgliedern der Thread-Group.

Darüber hinaus arbeitet die Gruppe mit anderen Standard-Organisationen zusammen, um ein interoperables Fundament für das Internet der Dinge zu schaffen – ähnliche Bemühungen sind auch bei anderen Funkstandards wie EnOcean, ZigBee oder Z-Wave zu beobachten.

Plattformen verbinden verschiedene Systeme

Dennoch wird es auf absehbare Zeit sicherlich nicht den einen allgemeingültigen Funkstandard für die Heim-Automation geben.

Um trotzdem möglichst frei bei der Kombination verschiedener Smart-Home-Geräte zu sein, kann auf Plattform-Lösungen zurückgegriffen werden.

Sie ermöglichen die Interoperabilität von Anwendungen unterschiedlicher Smart-Home-Systeme über einen gemeinsamen Datenaustausch. Eine derartige Plattform ist zum Beispiel Qivicon – eine Initiative verschiedener Industrieunternehmen.

Herzstück des vernetzten Zuhauses ist die Qivicon Home Base. Über diese zentrale Basiseinheit steuert der Nutzer alle eingebundenen Geräte in seinem Zuhause. Die einzelnen Geräte kommunizieren über Funkstandards mit modernsten Sicherheitsfunktionen mit der Home Base.

Zu den unterstützten Funkstandards gehören ZigBee, HomeMatic, HomeMatic IP, DECT ULE und IP. Die Plattform vereint so die Smart-Home-Lösungen von Energieversorgern, diversen Herstellern von Geräten für Haushalt, Heim und Garten genauso wie von Telekommunikationsunternehmen und Anbietern von Sicherheitslösungen.

Diese „gewerkeübergreifende“ Vernetzung ermöglicht intelligente Kombinationen – so können Lampen im Wohnbereich den Bewohnern beispielsweise ein optisches Signal geben und die Lieblingsplaylist starten, wenn die Waschmaschine im Keller ihre Arbeit vollendet hat.

Smartes Wohnen in der Praxis

Wie ein derartiges smartes Zuhause aussieht, kann man auch schon in der Realität erleben: So stehen zum Beispiel in Karlsfeld bei München 29 intelligente Einfamilienhäuser und rund 60 Eigentumswohnungen, die alle mit einem Smart-Home-Paket ausgestattet sind.

In jede Wohnwelt sind IP-fähige Komponenten integriert, die mitdenken und sich an die individuellen Bedürfnisse der Bewohner anpassen. „Ob Heizung, Licht, Rollläden, Musik oder Zugangskontrolle – von überall aus lässt sich entspannt über die iHaus-App jeder Raum und fast jedes steuerbare Gerät einzeln regeln“, so Robert Klug, CEO der iHaus AG.

Das Softwarehaus hat die iHaus-App zur Steuerung und Verknüpfung von internetfähigen Geräten entwickelt und zusammen mit dem Projektentwickler Isaria Wohnbau das smarte Wohnbauprojekt realisiert. „Durch intelligente Wenn-dann-Verknüpfungen – sogenannte Trigger – sind die mit iHaus verbundenen Systeme sogar lernfähig und besitzen die Möglichkeit, Informationen aus dem Internet zu analysieren und sinnvoll zu nutzen.“

So können zum Beispiel die Raumtemperaturen auf Basis von Wettervorhersagen optimal auf die jeweilige Situation angepasst werden.

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Was ist ZigBee?

Licht schafft Atmosphäre, in der Wohnung genauso wie im Büro oder im Ladengeschäft. Smarte Lichtsysteme bieten – insbesondere in Kombination mit modernen LED – eine Fülle von Möglichkeiten, auch komplexe Lichtszenen zu speichern, aufzurufen und das Ambiente zu verändern.

Die Umstellung auf herkömmliche, kabelgebundene Lichtmanagementsysteme bedeutete in der Vergangenheit jedoch häufig intensive Baumaßnahmen und hohe Installationskosten.

Die Lösung bieten per Wireless-Technologie vernetzte Lampen und Leuchten. Zum Einsatz kommen hier verschiedene Kommunikations-Lösungen.

Unter anderem hat sich das Funkprotokoll ZigBee zu einem verbreiteten Standard entwickelt. Laut dem Analysten Sunil Kumar Singh, der sich bei Technavio auf die Erforschung von Halbleiterausrüstungen spezialisiert hat, „ermöglichen intelligente Glühbirnen den Verbrauchern die Fernsteuerung ihrer Lampen durch drahtlose Kommunikationstechnologien wie ZigBee. So können die Verbraucher das Internet nutzen, um ihre Häuser mit intelligenten Lampen und Leuchten auszustatten.“

LED-Leuchten mit Funkmodul

Zum Beispiel hat Philips ZigBee als Kommunikationstechnologie für sein smartes, vernetztes LED-Lichtsystem Hue gewählt.

Das System besteht aus speziellen, mit ZigBee-Kommunikationsmodulen ausgestatteten LED-Leuchten, die über ein Gateway, die sogenannte Bridge, mit dem Smartphone oder auch digitalen Assistenten wie Amazon Alexa oder Apple Siri gesteuert werden.

Mit dem System lassen sich einfach verschiedene Lichtfarben einstellen und Szenarien kreieren. Dank ZigBee können die Hue-Lampen nicht nur miteinander, sondern potenziell auch mit anderen ZigBee-basierten Geräten wie beispielsweise Bewegungsmeldern oder Thermostaten kommunizieren.

Gleichzeitig bieten sie eine große Signalbreite und verbrauchen wesentlich weniger Energie als herkömmliche WLAN-Systeme.

Neues Lichtsystem ohne Neuverkabelung

Eine andere, in der Gebäudetechnik weit verbreitete Technologie ist EnOcean: Die vom gleichnamigen Hersteller entwickelten Schalter und Sensoren erzeugen den für die Übertragung der Signale nötigen Strom selber, entweder über Photozellen oder durch die Umwandlung der kinetischen Energie beim Drücken des Schalters in Strom.

Diese Flexibilität war auch der Grund für den Einsatz der EnOcean-Funktechnologie im Anderson Abruzzo Albuquerque International Balloon Museum:

Hier sollte die alte Beleuchtungslösung durch ein modernes Lichtsteuerungssystem ersetzt werden, mit dem sich die Lampen komfortabel ein- und ausschalten lassen.

Doch eine Neuverkabelung des Museums wäre wegen der für die Exponate erforderlichen großen Hallen und hohen Decken zu teuer gewesen.

Außerdem sollten die Beleuchtungssteuerungen in den Veranstaltungsbereichen des Museums aufgerüstet werden, doch es fehlte die Infrastruktur für die Installation von Remote-Sensoren und Bedienelementen.

Mit den funkbasierten EnOcean-Beleuchtungssteuerungssystemen konnten beide Probleme gelöst werden.

Batterielose Wandschalter auf Basis des EnOcean-Funkstandards konnten im gesamten Museum überall dort angebracht werden, wo sie benötigt wurden, und dank ihrer hohen Signal-Reichweite von über 90 Metern die großen Entfernungen in den Sälen überbrücken.

Über die Funkschnittstelle konnte zudem ein Steuerungssystem angeschlossen werden – so war die Programmierung der Beleuchtungsautomatik für die Ausstellung leicht zu realisieren.

Historische Kirche mit moderner Beleuchtung

Auch der 500 Jahre alten Kirche Nuestra Señora de la Esperanza in Farasdués, einem kleinen Dorf in den Pyrenäen, konnte dank einer Wireless-Beleuchtungslösung vom unabhängigen Beleuchtungs-Berater Dr. Octavio Perez neues Leben eingehaucht werden.

Die Kirche wurde bis vor kurzem mit 500 Watt Halogenlampen beleuchtet. Das Ziel war es, den Energieverbrauch durch die Umstellung auf LED-Beleuchtung zu reduzieren. Dies gelang auch:

Doch Dr. Perez erreichte noch viel mehr: Durch den Einsatz der Beleuchtungssteuerung des finnischen Unternehmens Casambi ist der Pfarrer der Kirche nun in der Lage, das Licht drahtlos von einem Smartphone oder Tablet aus zu steuern – anstatt immer ins Hinterzimmer zu gehen, um den dort befindlichen Schalter zu betätigen.

Die Lichtsteuerung basiert auf Bluetooth Low Energy und ist somit mit praktisch jedem Smartphone, Tablet und sogar jeder Smart Watch kompatibel.

Mit der auf einem iOS- oder Android-Gerät installierten Casambi-App kann direkt mit Leuchten und Dimmern kommuniziert werden, ohne dass ein Gateway-Gerät oder ein WiFi-Netzwerk benötigt wird.

Die Leuchten bilden ein Mesh-Netzwerk, das sich selbst organisiert, selbstheilend ist und ein robustes, aber flexibles System bildet.

Das System bietet der Kirche zahlreiche Beleuchtungsmöglichkeiten, so Perez: „Sie haben verschiedene vorprogrammierte Szenen, die der Pfarrer über sein Smartphone oder auch einen Funkschalter wählen kann.“

Zudem war es mit der Funktechnologie möglich, das System ohne zusätzliche Verkabelung und ohne Beeinträchtigung der historischen Bausubstanz zu installieren.

Ohne eine drahtlose Steuerung wie Casambi wäre die Umsetzung dieses Projektes einfach „unmöglich“ gewesen, sagt Perez. „In historischen Gebäuden ist eine neue Installation sehr schwierig, da die Verlegung neuer Kabel normalerweise nicht erlaubt ist.“

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Wireless-Technologien kommen schon zum Einsatz, noch bevor man überhaupt ins Auto einsteigt: Mit Keyless-Systemen, die zum Beispiel mit einem RFID-Chip arbeiten, lassen sich Autos schon seit einigen Jahren entriegeln, ohne dass man den Schlüssel tatsächlich in die Hand nehmen muss.

Gänzlich auf die lästige Suche nach dem Schlüssel verzichten kann man mit den neuesten Systemen, bei denen das Smartphone den Wagen-Schlüssel ersetzt.

Ein derartiger digitaler Schlüssel ist zum Beispiel Perfectly Keyless von Bosch: Der Fahrer lädt dazu eine App auf sein Smartphone, das er über Bluetooth Low Energy mit seinem Fahrzeug verbindet.

Daraufhin wird ein einmaliger Sicherheitsschlüssel auf dem Smartphone erstellt, der in das digitale Schloss im Fahrzeug passt.

Über im Auto verbaute Sensoren misst Perfectly Keyless die Entfernung zum Smartphone und identifiziert den Sicherheitsschlüssel.

„Einmal erkannt, schließt das System das Auto ganz ohne Schlüsselsuche auf, startet es und verschließt es nach der Fahrt wieder“, erklärt Harald Kröger, Vorsitzender des Bosch-Geschäftsbereichs Automotive Electronics. Per App kann der Fahrzeugbesitzer zudem andere Nutzer für sein Fahrzeug freischalten.

Via Cloud wird dann ein zusätzlicher Schlüssel sicher und vor unerlaubtem Zugriff geschützt an weitere Smartphones versendet. So können auch Sharing-Anbieter und Betreiber von Fahrzeugflotten flexibel managen, wer Zugang zu ihren Fahrzeugen hat und wann.

Diagnose noch während der Fahrt

Auch bei der Wartung von Fahrzeugen hilft die Vernetzung. So hat zum Beispiel Texa eine Lösung entwickelt, die das Fahrzeugdiagnosesystem über das Smartphone mit Wartungs- und Management-Software in der Werkstatt bzw. beim Flottenmanager vernetzt.

Das eTruck genannte System wird in die OBD-Diagnoseschnittstelle des Fahrzeugs gesteckt und verbindet sich dann über Bluetooth mit einer entsprechenden App auf dem Smartphone des Fahrers.

Über die Mobilfunkverbindung des Smartphones kann dann zum Beispiel die Werkstatt den Fahrzeugstatus ständig aus der Ferne überwachen, Fehler auslesen und löschen oder Funktionen verwalten, mit denen sich die optimalen Fahrzeugkonditionen einstellen lassen, wie zum Beispiel die Regeneration des Diesel-Partikelfilters.

Das Auto wird zum Hotspot

Neben praktischen Features wie Keyless-Systemen oder Fernwartung sind die Entertainment-Lösungen im Auto ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet von Wireless-Technologien – die (Mit-)Fahrer erwarten zunehmend die gleiche Konnektivität im Auto wie im Büro oder zuhause.

Schon seit einigen Jahren kommen dazu sogenannte In-Car Hotspots zum Einsatz: Dabei werden die Datensignale über die Fahrzeugantenne empfangen.

Ein spezieller WLAN-Router und eine datenfähige SIM-Karte verarbeiten die Signale und stellen innerhalb des Fahrzeugs den kabellosen Zugang auch während der Fahrt zum Internet her. Als Multimedia-Box empfangen die Hotspots nicht nur Daten, sondern auch Radio- oder Fernsehsignale.

Smarte Antennen wie die von Hirschmann Car Communication kombinieren dazu Transceiver, Tuner und Antenne in einer Einheit und verbinden so verschiedene Dienste wie Radio, GPS, Mobilfunk, eCall, TV und Car-to-X an einer zentralen Stelle im Fahrzeug.

Definiton pWLAN / IEEE 802.11p

Vernetzte Fahrzeuge kommunizieren untereinander

Car-to-X – oder auch V2X für Vehicle-to-X – ist aktuell sicherlich der wichtigste Trend im Bereich der Wireless-Technologien für den Automotive-Sektor.

Darunter versteht man die Vernetzung von Fahrzeugen untereinander sowie von Fahrzeugen und Verkehrsinfrastruktur.

Dadurch sollen Verkehrsunfälle reduziert oder ihre Folgen zumindest vermindert werden. Volkswagen rüstet beispielsweise ab 2019 eine erste Modellreihe serienmäßig mit pWLAN aus, um ausgewählte verkehrsrelevante Informationen herstellerübergreifend auszutauschen.

Die von Volkswagen eingesetzte Technologie basiert auf dem IEEE-802.11p-Standard, den die Automobilindustrie für die direkte Kommunikation von Fahrzeugen untereinander und mit der Verkehrsinfrastruktur standardisiert und in internationalen Märkten herstellerübergreifend getestet hat.

Mithilfe der speziell für automotive Anforderungen entwickelten und validierten Technologie können verkehrsrelevante Informationen, Warnungen bis hin zu Sensordaten innerhalb weniger Millisekunden mit dem direkten Umfeld ausgetauscht werden.

Somit kann der Erfassungsbereich des Fahrzeugs um mehrere hundert Meter erweitert und quasi der Blick um die Ecke ermöglicht werden.

„Wir wollen die Sicherheit im Straßenverkehr mithilfe der Fahrzeugvernetzung erhöhen, und das geht am effizientesten mit einer schnellen Verbreitung einer gemeinsamen Technologie“, sagt Johannes Neft, Leiter der Aufbauentwicklung Volkswagen: „Wichtig ist eine durchgängig eingesetzte Technologie, die von möglichst vielen Herstellern und Partnern genutzt wird.“

Intelligente Kreuzung

So setzt auch der Automobilzulieferer Continental auf die angepasste WLAN-Technologie.

Zum Beispiel, um Kreuzungen kommunikativer zu machen. Noch in 2018 soll in Columbus, Ohio, eine Kreuzung so ausgerüstet werden, dass sie über Kameras, Radar und Lidar Verkehrsteilnehmer im Umfeld erkennen kann und Daten relevanter Objekte über Dedicated Short Range Communication (DSRC) an alle Fahrzeuge senden kann, die sich der Kreuzung nähern.

Das in den USA entwickelte DSRC ist wie sein europäisches Pendant C-ITS (Cooperative Intelligent Transport Systems) im Wesentlichen ein WLAN-System, das auf dem neuesten Standard IEEE 802.11p beruht und speziell auf die Erfordernisse von Automobilanwendungen, zum Beispiel hohe Geschwindigkeiten, zugeschnitten wurde.

Das DSRC-Steuergerät im Fahrzeug empfängt die Informationen, überprüft sie auf ihre Relevanz und löst – sobald eine kritische Situation erkannt wird – die entsprechende Reaktion aus.

„Das gibt dem Fahrer oder einem intelligenten Fahrzeugsystem einen wertvollen Zeitvorsprung, um Gegenmaßnahmen einzuleiten, noch bevor das Problem tatsächlich visuell erkennbar ist“, so Bastian Zydek, Projektleiter Intelligente Kreuzung bei Continental.

„Mit der Technologie für intelligente Kreuzungen bieten wir einen neuen Sicherheitsbaustein an, der ideal zu künftigen Smart Cities passt. Die intelligente Kreuzung ist ein sehr gutes Beispiel für das Ineinandergreifen verschiedenster Technologien zur Steigerung der Sicherheit und ein weiterer Schritt auf dem Weg zu unserer Vision Zero: unser Ziel des unfallfreien Fahrens.“

Funktechnologie für das automatisierte Fahren

Doch Continental testet auch eine andere Funktechnologie für die Car-2-X-Kommunikation: Mit C‑V2X (Cellular Vehicle to Everything) können Verkehrsteilnehmer nicht nur über LTE, sondern zukünftig auch über das Mobilfunknetz 5G kommunizieren.

Dazu wird ein entsprechender Chipsatz in die Telematik-Einheit des Fahrzeugs integriert, der eine direkte Kommunikation ermöglicht, ohne unbedingt auf das Netzwerk zurückgreifen zu müssen – daraus resultieren Vorteile wie bessere Konnektivität, größere Reichweite, höhere Energieeffizienz und geringere Latenz.

Auch wenn C-V2X eine Konkurrenz zu auf IEEE 802.11p basierenden Technologien darstellt, gehen Experten davon aus, dass beide Systeme „friedlich“ koexistieren werden.

Während die DSRC/802.11p Technologie ausgereift ist und bereits heute in V2X-Systemen eingesetzt werden kann, bietet C-V2X insbesondere eine Perspektive für die Zukunft, wie Joachim Göthel, Senior Manager Project 5G-Alliance von BMW, betont: „C-V2X bietet einen starken Entwicklungspfad zu 5G, der absolut notwendig ist, um in Zukunft voll vernetztes und automatisiertes Fahren zu ermöglichen“.

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Vernetzte IT-Anwendungen können einen großen ökologischen Beitrag leisten – das Smart Grid oder intelligente Verkehrsmanagementsysteme sind dafür nur zwei Beispiele.

Weltweit könnten so bis zu 9 Milliarden Tonnen CO2 eingespart werden, so die Schätzung der Global e-Sustainability Initiative (GeSI).

Doch auf der anderen Seite benötigen vernetzte Systeme auch Energie: „Schon jetzt verbrauchen Internetnutzer beim Streamen von Musik und Filmen gigantische Mengen an Strom“, sagt Niklas Schinerl, Greenpeace-Experte für Energie. „Wäre das Internet ein Land, so hätte es weltweit den sechstgrößten Stromverbrauch.“

Hält man sich dann vor Augen, wie rasant sowohl die Anzahl vernetzter Geräte, als auch das übertragene Datenvolumen in den nächsten Jahren steigen wird, ist eines klar: Energieeffizienz ist bei der Vernetzung ein zentrales Thema.

9 Milliarden Tonnen CO2 beträgt die weltweite Einsparung durch vernetzte IT-Anwendungen

Jedes übertragende Bit braucht Energie

Das gilt gerade für Wireless-Technologien, denn jedes Bit an Information benötigt einen bestimmten Energiebetrag, wenn es per Funk übertragen wird. Forschung und Industrie verfolgen daher mehrere Strategien, um die Energieeffizienz bei Funkanwendungen zu verbessern.

Der erste Ansatz besteht darin, die Funkverfahren an den tatsächlichen Bedarf der Datenübertragung anzupassen. Nicht jedes IoT-Gerät muss ständig online sein oder die Fähigkeit haben, enorm große Datenmengen in kurzer Zeit zu übertragen.

So wird zum Beispiel beim Standard Bluetooth Low Energy (BLE) das Gerät die meiste Zeit im Ruhezustand gehalten.

Erst wenn Daten tatsächlich übertragen werden müssen, wacht das Gerät auf und überträgt eine kurze Nachricht. Darüber hinaus ist bei BLE alles, vom physischen Design bis hin zu den Anwendungsmodellen, darauf ausgelegt, den Stromverbrauch auf ein Minimum zu senken.

Der aktive Stromverbrauch reduziert sich so auf ein Zehntel des Energieverbrauchs von klassischem Bluetooth.

In Anwendungen mit niedriger Einschaltdauer kann so eine Knopfzellenbatterie einen zuverlässigen Betrieb von fünf bis zehn Jahren gewährleisten.

Milliarden vernetzter Dinge brauchen Strom

Gerade im Hinblick auf das Internet der Dinge spielen auch bei Wide Area Networks (WAN) Wireless-Geräte eine wichtige Rolle, die sparsam mit Energie umgehen.

Viele IoT-Anwendungen basieren auf kleinen, preiswerten, batteriebetriebenen Geräten. Sie sammeln und übertragen nur minimale Datenmengen, oftmals in unregelmäßigen Abständen, und können sich über ausgedehnte Flächen verteilen.

Ein typisches Beispiel sind Sensornetzwerke in Smart Cities. Die Zahl der Geräte könnte dabei in die Millionen gehen, und es wird erwartet, dass sie nicht nur für ein paar Jahre, sondern für Jahrzehnte ohne großen Wartungsaufwand funktionieren – sie stellen also ähnliche Anforderungen an die Wireless-Technologie wie PAN-Anwendungen, müssen allerdings Daten über weitaus längere Strecken übertragen können.

Inzwischen existieren einige speziell auf diese Anforderungen zugeschnittene Technologien wie LoRaWAN, Weightless, NarrowBand-IoT oder Sigfox.

Bei Letzterem handelt es sich um ein System des gleichnamigen französischen Unternehmens, das mit dem Übertragungsstandard auch gleich eigene Low-Power-WAN aufbaut.

Dadurch, dass die Lösung nur Kurznachrichten mit 12 Bytes pro Nachricht mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit von 100 Bitps überträgt, ist der Energiebedarf sehr gering.

Kleinere Mobilfunkzellen reduzieren Leistungsbedarf

Andere Anwendungen im Internet der Dinge sind dagegen datenintensiv und erfordern hohe Übertragungsraten, wie zum Beispiel Lösungen rund um das autonome Fahren.

Dies wird der zukünftige Mobilfunkstandard 5G erfüllen: Mit ihm steigt die Datenkapazität des Netzwerks im Laufe des nächsten Jahrzehnts um das Tausendfache.

Gleichzeitig soll aber auch die weltweite Energieaufnahme für das Mobilfunknetz halbiert werden. Um dies umzusetzen, muss der Gesamtwirkungsgrad des Netzwerks erheblich steigen.

Ein Baustein dazu ist die Antennentechnologie: Intelligente Antennen senden nicht mehr wie herkömmliche Sendestationen ihre Signale ungerichtet in die Umgebung, sondern schicken nur noch ein konzentriertes Signal in Richtung des Mobilfunknutzers.

Gleichzeitig wird das 5G-Netz aus vielen kleinen Sendestationen aufgebaut – durch diese Pico- oder Femto-Zellen rückt der Nutzer viel näher an den Übertragungspunkt.

In der Summe sinkt so der Leistungsbedarf für die Signalübertragung erheblich.

Neue Materialien für Mobilfunk-Elektronik

Zusätzlich sollte, gerade in mobilen IoT-Anwendungen, auch die 5G-Elektronik selbst nur wenig Energie verbrauchen.

Im Fokus stehen dabei die Leistungsverstärker in den Basisstationen. Sie stellen die notwendigen Funkfrequenzen bereit, über die Daten übertragen werden.

Heute übliche Systeme haben den Nachteil, dass mit hohen Frequenzen die Effizienz sinkt. Eine Lösung versprechen hier Mikrochips aus dem Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN).

Durch seine spezielle Kristallstruktur können auch bei hohen Frequenzen dieselben Spannungen angelegt, also mehr Leistung erzielt, werden.

Mit diesen innovativen Bauelementen kann so der Leistungsbedarf von Mobilfunk-Basisstationen gegenüber konventionellen Technologien um 75 Prozent reduziert werden.

Der Einsatz von GaN-Leistungsverstärkern für das Mobilfunknetz könnte allein in Deutschland pro Jahr rund 1,5 Mio. Tonnen CO² einsparen.

Die Forschung an neuen Materialien für die 5G-Elektronik lohnt sich also, wie auch Professor Hubert Lakner, Vorsitzender des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik, betont: „Es sind neue Hardwarekomponenten erforderlich, die enorme Datenmengen mit höchster Geschwindigkeit bei gleichzeitig niedrigstem Energieverbrauch verarbeiten können.“

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Was ist RFID?

Um diese Ziele zu überwachen und stets informiert zu sein, wo welche Waren in welchem Zustand sind, kommen zunehmend Wireless- und IoT-Technologien in der Logistik zum Einsatz. Mit ihnen ist ein deutlich besserer Überblick über den Status der Lagerware und der Lieferkette gegeben: Unternehmen können damit, wenn nötig, in Echtzeit den Standort und den Zustand der Waren (z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Schäden) verfolgen.

Mit einer derartig vernetzten Lieferkette lassen sich die Verarbeitungs- und Reaktionszeiten erhöhen, -Lagerbestände reduzieren und Just-in-time-Produktionsprozesse verbessern.

Laut dem DHL-Trendreport „Internet of Things in Logistics“ kann der Einsatz von vernetzter IoT-Technologie der globalen Logistikindustrie bis 2025 ein Plus von 1,77 Billionen Euro bringen. „Die Supply-Chain-Industrie befindet sich an einem Wendepunkt.

Die traditionelle Systematik wird durch neue Hardwaretechnologien sowie Informations- und Analyselösungen in nie dagewesener Form in Frage gestellt. Technologie bietet beträchtliche Möglichkeiten, Kosten zu senken und die Rentabilität zu steigern“, so José F. Nava, Chief Development Officer, DHL Supply Chain.

Bereits heute ist das Asset Tracking, also die Verfolgung und Lokalisierung eines Gegenstandes innerhalb eines Lagers oder entlang der Lieferkette, eine weit verbreitete Anwendung. Dabei werden fast alle verfügbaren drahtlosen Technologien genutzt.

Inventur im Vorbeiflug mit RFID

Ein Klassiker – immerhin ist die Technologie fast 20 Jahre alt – ist bei Logistik-Anwendungen die RFID-Technologie. Sie hat sich in den vergangenen Jahren in den verschiedensten industriellen Anwendungen bewährt und ist heute in Intralogistik-Lösungen, also in der innerbetrieblichen Logistik, weit verbreitet.

Im Vergleich zu klassischen Kennzeichnungssystemen wie Barcode oder Lasermarkierung können bei RFID Transponderdaten auch ohne Sichtverbindung gelesen und geschrieben werden.

Zudem lassen sich Daten ergänzen, verändern oder ersetzen. Das ermöglicht ganz neue Anwendungen. So haben Forscher vom Massachusetts Institute of Technology ein System entwickelt, bei dem kleine, für Lagermitarbeiter ungefährliche Drohnen als Relais zwischen RFID-Tags und einem RFID-Lesegerät verwendet werden.

So lässt sich die RFID-Lesereichweite erheblich erweitern. Die Flugroboter können dabei nicht nur RFID-Tags aus Dutzenden von Metern Entfernung lesen, sondern ermitteln über Triangulation auch gleichzeitig die Standorte der Tags bzw. der Waren mit einer Genauigkeit von etwa 19 Zentimetern.

Damit ist die Inventur selbst in einem großen Lagerhaus praktisch im Vorbeiflug zu erledigen.

Zusätzlich Zustands-Parameter mitübertragen

Aktuelle RFID-Entwicklungen liefern sogar mehr als nur die reinen Informationen zur Identifikation und zum Standort – durch die Verbindung von RFID-Transpondern mit Sensoren können viele weitere Parameter im Lieferprozess erfasst werden.

RFID-Sensor-Transponder, wie sie zum Beispiel das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) entwickelt, integrieren Antennen-, Identifikations- und Sensortechnologie auf einem Chip. „Unsere passiven RFID-Sensor-Transponder messen physikalische Parameter wie Feuchtigkeit, Erschütterung oder Temperatur und übertragen diese drahtlos an einen Reader, der auch die Energie bereitstellt“, erläutert Dr. Andreas Weder, Teamleiter am Fraunhofer IPMS.

„Sie sind klein, leicht, wartungsfrei, benötigen keine eigene Stromversorgung und lassen sich deswegen unkompliziert in unterschiedliche Ladungsträger integrieren.“ Sensortransponder des Fraunhofer IPMS unterstützen damit nicht nur die bereits etablierte Identifikation und Sendungsnachverfolgung von Waren zu einem bestimmten Zeitpunkt, sondern geben auch Auskunft darüber, was mit Rohstoffen, Halbfertigfabrikaten und Endprodukten bei ihrem Gang durch die Lieferkette geschehen ist.

Asset-Tracking weltweit

Asset-Tracking-Systeme werden zunehmend auch mit der Cloud verbunden, um Waren auch entlang weltumspannender Lieferketten überwachen zu können.

Zudem lassen sich die Tracking-Informationen in der Cloud einfacher speichern und analysieren, um neue Einblicke in die Prozesse zu erhalten.

Die Anbindung von Kurzstreckentechnologien wie RFID, Bluetooth oder WiFi an die Cloud wird jedoch schwierig, wenn das verfolgte Objekt mobil ist und sich zum Beispiel auf dem Weg von Europa in die USA befindet.

Eine kommende Lösung für das mobile Asset-Tracking sind daher relativ kostengünstige Funkmodems mit großer Reichweite.

Technologien wie LTE-M und Schmalband (NB-)IoT nutzen 4G-Mobilfunknetze, die problemlos den IoT-Verkehr aufnehmen können: Beide sind effizient genug, um eine Batterielebensdauer von mehreren Jahren zu ermöglichen.

Diese neuen Technologien ermöglichen ein globales Asset-Tracking zu einem Preis, der es ermöglicht, praktisch jedes Paket überall auf der Welt zu verfolgen.

Bestände auf See reduziert

Auch – oder gerade – in der Container-Logistik ist ein derartig weltumspannendes Tracking-System interessant: Kommen bei einer internationalen Sendung doch schnell mehr als 200 Interaktionen durch mehr als 25 Akteure – Spediteure, Hafenlogistik, Zoll, Reederei, Empfänger usw. – zusammen.

Entsprechend groß ist der Wunsch der Spediteure, ihre Container über die gesamte Lieferkette nahtlos und in Echtzeit im Auge behalten zu können.

Denn ein Mangel an Transparenz reduziert die Agilität der Lieferkette und das Serviceniveau für die Endkunden. Der Reifenhersteller Michelin zum Beispiel hat daher an der Entwicklung eines Asset-Tracking-Systems für die Verfolgung von Seefrachtcontainern in Echtzeit mitgewirkt, das auf der Technologie und dem globalen Netzwerk von Sigfox basiert.

Das System ist bereits bei einigen der kritischen interkontinentalen Lieferketten von Michelin im Einsatz. Damit lassen sich Sendungen in allen Teilen der Welt lückenlos verfolgen, da die Tracker die lokalen Radiofrequenz-Standards automatisch erkennen und sich entsprechend anpassen.

„Unsere Piloterfahrungen und weitere Untersuchungen haben uns davon überzeugt, dass wir dank des Echtzeit-Managements unter anderem die Bestände auf See um 10 Prozent reduzieren und die Genauigkeit der geschätzten Ankunftszeit um 40 Prozent erhöhen können“, so Pascal Zammit, Senior Vice President Global Supply Chain bei Michelin.

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