Platz da! Datennetze für das Internet of Things

Es wird eng werden auf den Datenbahnen: Das Internet der Dinge (IoT) steht gerade erst am Anfang, aber bereits jetzt fallen bizarr große Datenpakete an. Die Sensoren einer Flugzeugturbine etwa generieren in 30 Minuten 10 Terabyte Daten, eine Fabrik mit 80.000 Sensoren 15 Petabyte pro Tag. Zum Vergleich: Am Silvesterabend versenden die Österreicher fünf Petabyte in Form von Fotos, Videos und Textnachrichten. Die Zahlen machen eines deutlich: Die Übertragungsnetze für diese Belastungsszenarien müssen fit für die Zukunft gemacht werden.

Egal ob in den kommenden Jahren 25 oder 100 Milliarden Geräte im IoT vernetzt sein werden, wie Schätzungen prognostizieren – die Datenmengen durch weltweit vernetzte Geräte verstopfen buchstäblich die Leitungen von A nach B. Nahezu sämtliche Informationen, die aus Sensoren, Chips und Kameras ausgelesen werden, wandern in der Regel in eine Cloud-Lösung, deren Leitungen eine ausreichende Bandbreite zur Verfügung stellen müssen.

„Machine-2-Machine-Kommunikation geht nun wirklich in die Masse, und damit wachsen die Anforderungen an die Übertragungsnetze. Am einen Ende des Spektrums sollen immer mehr Daten immer schneller und weiter transportiert werden, am anderen Ende allerdings spielen Geschwindigkeit und hohe Datenübertragungskapazität nicht so eine große Rolle wie Energie- und Kosteneffizienz“, fasst Thomas Schaberl, Sales-Experte bei Kapsch BusinessCom zusammen.

Wolken und Nebel

Angesichts der Anforderungen an Latenzzeit und Bandbreite gewinnt Fog-Computing an Bedeutung. Bei dieser Technologie sollen die Datenmengen nicht von und zur Cloud transferiert werden, sondern direkt von Gerät zu Gerät, über Serversysteme, Storage und Netzwerkkomponenten am Rande der IT-Infrastruktur. In der industriellen Produktion kann Fog-Computing zur Verbindung von Industrierobotern in großer Zahl dienen. In Kombination mit Echtzeitkommunikation ermöglicht das einen Zugriff auf Maschinendaten, wie er bisher noch nicht möglich war.

Ein anderes Einsatzgebiet für Fog-Computing ist intelligente Verkehrssteuerung mithilfe von Kameras, die Blaulichtfahrzeuge erkennen und eine grüne Welle schalten können. Die Rechenleistung geschieht vor Ort.

Egal ob in Cloud oder Fog – die Daten müssen über kurze oder lange Strecken übertragen werden. Je nach Anwendung von IoT bieten sich daher verschiedene Netze an. Kurze Übertragungswege wie im Smart Home oder innerhalb einer Fabrik lassen sich effektiv mit lokalen Netzen (WLAN, LAN) oder Nahfeldtechnologien überbrücken. Österreichische Elektronikunternehmen sind vor allem im Bereich Near Field Communication (NFC) und Radio-Frequency-Identification (RFID)-Technologien führend.

Die fünfte Generation (5G)

Für größere Distanzen wie bei der Anbindung an eine Cloud und der Verbindung von mobilen Geräten ist Mobilfunk der Stand der Dinge. Kommunikation in Echtzeit soll in Zukunft die Mobilfunktechnologie 5G ermöglichen, an deren Standard weltweit fieberhaft gearbeitet wird. Die Übertragungsrate soll zehn Gigabit pro Sekunde – annähernd der eines Glasfaserkabels – entsprechen.

5G wird damit zehnmal so schnell sein wie derzeitige 4G-LTENetzwerke. Latenzzeiten von unter einer Millisekunde sollen damit auch selbstfahrende Autos und Augmented Reality zur Realität werden lassen. Damit 5G in Zukunft seine volle Kraft entfalten kann, bedarf es als ersten Schritt einer Anbindung aller bestehenden Sendestationen mit Glasfasertechnologie, erklärt der Verband Alternativer Telekom-Netzbetreiber (VAT). „Erst danach ist mithilfe neuer Sendestandorte eine Verdichtung des Sendernetzes sinnvoll“, so VATGeschäftsführer Florian Schnurer. Kommerzielle Anwendungen, so sind sich Experten einig, sind wohl frühestens ab 2022 zu erwarten.

Low-Power-Netze

Im Feld zwischen Nah- und Mobilfunknetzen haben sich zuletzt neue Funktechnologien etabliert, die sogenannten Low Power Wide Area Net works (LPWAN). Diese Niedrigstromtechnologie ist effizient, was die Sendeleistung betrifft, und eignet sich besonders für Anwendungen im Bereich der Smart Citys, aber auch für Industrie-4.0-Anwendungen wie Supply Chain Management. Ein Beispiel ist Long-Range Wide Area Networks (LoRaWAN), das rund 50.000 Teilnehmer pro Funkzelle erreicht und auch in abgeschlossenen Gebäuden funktioniert, etwa für intelligente Stromzähler.

"Die Reichweite von LoRaWAN ist mit bis zu 25 Kilometern höher als im bisherigen Mobilfunk."

Thomas Schaberl, Kapsch BusinessCom

Im nichtlizenzierten Spektrum gingen zuletzt Long-Range(LoRa)-Netze in Wien und Linz in den Testbetrieb. „Die neue Funktechnologie bietet im Wesentlichen zwei große Vorteile: Zum einen ermöglicht sie eine extrem energieeffiziente Datenübertragung und damit einen Batteriebetrieb von Geräten von bis zu zehn Jahren. Gleichzeitig ist die Reichweite mit bis zu 25 Kilometern höher als im bisherigen Mobilfunk. Zusammen ergibt das für Kunden eine äußerst kosteneffiziente Möglichkeit, Geräte und Sensoren in Kommunikationsnetzwerke einzubauen“, so LoRaWAN-Verantwortlicher Schaberl. Aktuell werden testweise Daten in den Bereichen Gebäudenutzung und Schieneninfrastruktur erhoben.

„Wir wollen LoRa für Anwendungen im Energiemanagement, in der Gebäudesteuerung oder Verkehrserfassung entwickeln.“ Vergleichbare Systeme sind bereits in vielen Ländern im Einsatz, unter anderem auch in Deutschland, der Schweiz, Frankreich und den Niederlanden. Telekombetreiber testen derzeit ebenfalls NB-IoT: Sensoren an der Bodenoberfläche von Parkplätzen erkennen etwa darüberstehende Autos und übertragen die Daten an eine App, die in Echtzeit freie Parklücken anzeigt. Der flächendeckende Rollout ist für dieses Jahr geplant.

Digitales Broadcasting

Echtzeit-Verkehrsinformationen wie Meldungen über Staus oder freie Parkplätze können in Zukunft auch via TPEG (Transport Protocol Experts Group) in die Fahrzeugsysteme transportiert werden. Die Daten werden automatisch aus einer Vielzahl von Quellen generiert und müssen nicht manuell, beispielsweise von Blaulichtorganisationen, weitergegeben werden.

Eine Übertragungstechnologie für TPEG ist DAB+, der digitale Hörfunkstandard, der seit 2015 erfolgreich im Großraum Wien im Pilotbetrieb ausgestrahlt wird. „Der Infrastructure-2-Car-Datenaustausch muss im Ernstfall hundertprozentig verlässlich erfolgen“, so Gernot Fischer, Geschäftsführer von Radio Technikum. Mobilfunknetze können bei Extrembelastungen wie Katastrophen oder Großveranstaltungen an ihre Belastungsgrenzen kommen.

DAB+ ist eine Broadcast-Technologie – one-to-many – und sichert so einen verlässlichen Empfang in Echtzeit, vor allem auch im ländlichen Bereich. Zusätzlich kann bei DAB+ auch ein Notfalls-Informationskanal (EWF – Emergency Warning Functionality) vorgesehen werden, mit dessen Hilfe sich die entsprechend ausgestatteten Radiogeräte im Falle hochpriorisierter Warnmeldungen ein- oder umschalten und diese Informationen mehrsprachig als Audiodienst und Text bereitstellen.