Vernetzte Smart Cities wecken große Visionen. In solchen Städten verknüpfen digitale Technologien vielfältige städtische Funktionen, um die betriebliche Effizienz und Intelligenz zu steigern. Schätzungen zufolge werden bis 2050 70 % der Weltbevölkerung in Smart Cities leben, wo das Leben gesund, glücklich und sicher sein wird. Entscheidend ist, dass sie umweltfreundlich sein werden – die letzte Hoffnung der Menschheit im Kampf gegen die Zerstörung unseres Planeten.
Doch die Entwicklung intelligenter Städte ist mit viel Aufwand verbunden. Neue Technologien sind teuer, die lokalen Regierungen haben begrenzte Möglichkeiten, und die Politik ist von kurzen Wahlzyklen geprägt. Dadurch ist es schwierig, ein hocheffizientes und finanziell wirksames, zentralisiertes Technologie-Implementierungsmodell zu realisieren, das sich global oder national auf andere städtische Gebiete übertragen lässt. Tatsächlich handelt es sich bei den meisten der führenden Smart Cities, die in den Schlagzeilen sind, lediglich um eine Ansammlung verschiedener Technologieexperimente und regionaler Nebenprojekte, deren Expansionspotenzial gering ist.
Betrachten wir Müllcontainer und Parkplätze, die mit Sensoren und Analysetools ausgestattet sind. In diesem Kontext ist die Rentabilität (ROI) schwer zu berechnen und zu standardisieren, insbesondere bei der starken Fragmentierung staatlicher Stellen (zwischen öffentlichen und privaten Anbietern sowie zwischen Städten, Regionen und Ländern). Nehmen wir die Luftqualitätsüberwachung: Wie lässt sich der Einfluss sauberer Luft auf die Gesundheitsversorgung in einer Stadt einfach berechnen? Intelligente Städte sind logischerweise schwer umzusetzen, aber auch schwer zu leugnen.
Doch inmitten des digitalen Wandels gibt es einen Hoffnungsschimmer. Die Straßenbeleuchtung in allen kommunalen Bereichen bietet Städten erstmals die Möglichkeit, intelligente Funktionen zu integrieren und verschiedene Anwendungen zu kombinieren. Man betrachte nur die zahlreichen Projekte für intelligente Straßenbeleuchtung, die derzeit in San Diego (USA) und Kopenhagen (Dänemark) umgesetzt werden – und ihre Zahl nimmt stetig zu. Diese Projekte kombinieren Sensornetzwerke mit modularen Hardwareeinheiten an den Lichtmasten, um die Beleuchtung fernzusteuern und weitere Funktionen wie Verkehrszähler, Luftqualitätsmessgeräte und sogar Schussdetektionssysteme zu ermöglichen.
Von der Höhe der Straßenlaternen an beschäftigen sich Städte zunehmend mit der Lebensqualität im öffentlichen Raum, einschließlich Verkehrsfluss und Mobilität, Lärm- und Luftverschmutzung sowie neuen Geschäftsmöglichkeiten. Selbst Parksensoren, die traditionell in Parkhäusern verbaut sind, lassen sich kostengünstig und effizient in die Beleuchtungsinfrastruktur integrieren. Ganze Städte können so vernetzt und optimiert werden, ohne Straßen aufzureißen, Flächen anzumieten oder abstrakte Rechenprobleme für ein gesünderes Leben und sicherere Straßen zu lösen.
Dies funktioniert, weil intelligente Beleuchtungslösungen in der Regel nicht von vornherein auf Einsparungen durch intelligente Technologien ausgelegt sind. Vielmehr ist die Tragfähigkeit der urbanen digitalen Revolution eine zufällige Folge der gleichzeitigen Entwicklung der Beleuchtung.
Die Energieeinsparungen durch den Austausch von Glühlampen gegen LED-Beleuchtung, zusammen mit der Verfügbarkeit von Stromversorgungen und einer umfassenden Beleuchtungsinfrastruktur, machen Smart Cities realisierbar.
Die Umstellung auf LED-Beleuchtung stagniert bereits, während intelligente Beleuchtung einen Boom erlebt. Laut Northeast Group, einem Analysten für intelligente Infrastruktur, werden bis 2027 rund 90 % der weltweit 363 Millionen Straßenlaternen mit LEDs ausgestattet sein. Ein Drittel davon wird zudem intelligente Anwendungen ausführen können – ein Trend, der vor einigen Jahren begann. Bis umfangreiche Investitionen und konkrete Konzepte vorliegen, eignet sich Straßenbeleuchtung am besten als Netzwerkinfrastruktur für verschiedene digitale Technologien in großflächigen Smart Cities.
LED-Kosten sparen
Laut Faustregeln von Beleuchtungs- und Sensorherstellern kann intelligente Beleuchtung die Infrastrukturkosten für Verwaltung und Wartung um 50 bis 70 Prozent senken. Der Großteil dieser Einsparungen (etwa 50 Prozent, was einen spürbaren Unterschied macht) ließe sich jedoch allein durch den Umstieg auf energieeffiziente LED-Lampen erzielen. Die restlichen Einsparungen ergeben sich aus der Vernetzung und Steuerung der Leuchten sowie dem Austausch intelligenter Informationen über deren Funktionsweise im gesamten Beleuchtungsnetzwerk.
Zentralisierte Anpassungen und Überwachung können die Wartungskosten deutlich senken. Es gibt viele Möglichkeiten, die sich gegenseitig ergänzen: Planung, saisonale Steuerung und Zeitanpassung; Fehlerdiagnose und reduzierter Wartungseinsatz. Die positiven Auswirkungen steigen mit der Größe des Beleuchtungsnetzes und wirken sich positiv auf die anfängliche Rentabilität aus. Laut Marktberichten amortisiert sich dieser Ansatz in etwa fünf Jahren und kann sich durch die Integration weiterer Smart-City-Konzepte, wie z. B. Parksensoren, Verkehrsüberwachung, Luftqualitätskontrolle und Schussdetektion, potenziell sogar noch schneller amortisieren.
Guidehouse Insights, ein Marktforschungsunternehmen, beobachtet über 200 Städte, um das Tempo des Wandels zu messen. Laut Guidehouse Insights führt ein Viertel der Städte intelligente Beleuchtungssysteme ein. Der Absatz intelligenter Systeme steigt rasant. ABI Research prognostiziert, dass sich die weltweiten Umsätze bis 2026 verzehnfachen und 1,7 Milliarden US-Dollar erreichen werden. Die Welt steht vor einem entscheidenden Wendepunkt: Die Straßenbeleuchtungsinfrastruktur, die eng mit menschlichen Aktivitäten verknüpft ist, bildet die Grundlage für intelligente Städte im weiteren Sinne. Bereits 2022 werden laut ABI mehr als zwei Drittel der neu installierten Straßenbeleuchtungen an eine zentrale Managementplattform angebunden sein, um Daten von verschiedenen Sensoren in intelligenten Städten zu integrieren.
Adarsh Krishnan, leitender Analyst bei ABI Research, sagte: „Für Anbieter von Smart-City-Lösungen, die die städtische Lichtmastinfrastruktur durch den Einsatz drahtloser Verbindungen, Umweltsensoren und sogar intelligenter Kameras nutzen, ergeben sich zahlreiche weitere Geschäftsmöglichkeiten. Die Herausforderung besteht darin, tragfähige Geschäftsmodelle zu finden, die die Gesellschaft dazu anregen, Multisensorlösungen in großem Umfang und kosteneffektiv einzusetzen.“
Die Frage ist nicht mehr, ob vernetzt werden soll, sondern wie und in welchem Umfang. Wie Krishnan feststellt, spielen dabei auch Geschäftsmodelle eine Rolle. Doch bereits jetzt fließt Kapital in Smart Cities durch kooperative Privatisierung von Versorgungsunternehmen (ÖPP), bei der private Unternehmen im Gegenzug für Risikokapital finanzielle Risiken übernehmen. Abonnementbasierte „as-a-Service“-Verträge verteilen die Investitionen über Amortisationszeiträume und haben die Entwicklung zusätzlich angekurbelt.
Im Gegensatz dazu werden Straßenlaternen in Europa sowohl mit traditionellen Wabennetzen (typischerweise 2G bis LTE (4G)) als auch mit dem neuen HONEYCOMB IoT-Standardgerät LTE-M verbunden. Proprietäre Ultra-Narrowband-Technologie (UNB) kommt ebenfalls zum Einsatz, ebenso wie ZigBee, eine geringe Verbreitung von Low-Power Bluetooth und IEEE 802.15.4-Derivate.
Die Bluetooth Technology Alliance (SIG) legt besonderen Wert auf Smart Cities. Die Gruppe prognostiziert, dass die Auslieferungen von Bluetooth Low Power in Smart Cities in den nächsten fünf Jahren um das Fünffache auf 230 Millionen Stück pro Jahr steigen werden. Der Großteil dient der Anlagenverfolgung an öffentlichen Orten wie Flughäfen, Stadien, Krankenhäusern, Einkaufszentren und Museen. Bluetooth Low Power ist aber auch für Netzwerke im Außenbereich vorgesehen. „Die Anlagenmanagementlösung verbessert die Nutzung von Smart-City-Ressourcen und trägt zur Senkung der städtischen Betriebskosten bei“, so die Bluetooth Technology Alliance.
Eine Kombination beider Techniken ist besser!
Jede Technologie birgt Kontroversen, von denen einige in Diskussionen beigelegt wurden. So schlägt UNB beispielsweise strengere Beschränkungen für Nutzlast und Übertragungszeiten vor und schließt die parallele Unterstützung mehrerer Sensoranwendungen oder Anwendungen wie Kameras, die dies erfordern, aus. Kurzstreckentechnologie ist kostengünstiger und bietet einen höheren Durchsatz für die Entwicklung von Beleuchtungsplattformen. Wichtig ist auch, dass sie bei einem Ausfall des WAN-Signals als Backup dienen und Technikern die Möglichkeit bieten, Sensoren direkt für Fehlersuche und Diagnose auszulesen. Bluetooth Low Energy beispielsweise funktioniert mit nahezu jedem Smartphone auf dem Markt.
Obwohl ein dichteres Netz die Robustheit erhöhen kann, wird seine Architektur komplexer und der Energiebedarf der vernetzten Punkt-zu-Punkt-Sensoren steigt. Auch die Übertragungsreichweite ist problematisch; die Abdeckung mit ZigBee und Bluetooth Low Energy beträgt maximal nur wenige hundert Meter. Verschiedene Kurzstreckentechnologien sind zwar konkurrenzfähig und gut für netzbasierte, nachbarschaftsweite Sensoren geeignet, es handelt sich jedoch um geschlossene Netzwerke, die letztendlich Gateways benötigen, um Signale zurück in die Cloud zu übertragen.
Eine Wabenstruktur wird üblicherweise am Ende hinzugefügt. Der Trend bei Anbietern intelligenter Beleuchtung geht hin zur Punkt-zu-Cloud-Wabenstruktur, um eine Reichweite von 5 bis 15 km für Gateways oder Sensoren zu gewährleisten. Die Bienenstock-Technologie bietet eine große Übertragungsreichweite und einfache Handhabung; laut der Hive-Community ermöglicht sie zudem sofort verfügbare Netzwerklösungen und ein höheres Maß an Sicherheit.
Neill Young, Leiter des Bereichs Internet der Dinge bei der GSMA, einem Branchenverband der Mobilfunknetzbetreiber, erklärte: „Die Betreiber verfügen über eine flächendeckende Netzabdeckung und benötigen daher keine zusätzliche Infrastruktur für den Anschluss von Stadtbeleuchtungsgeräten und Sensoren. Das wabenförmige Netz im lizenzierten Frequenzspektrum bietet Sicherheit und Zuverlässigkeit und ermöglicht dem Betreiber somit optimale Bedingungen. Er kann eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen, eine deutlich längere Akkulaufzeit, minimalen Wartungsaufwand und eine große Übertragungsreichweite mit kostengünstigen Geräten realisieren.“
Laut ABI wird die Wabenstruktur von 5G in den kommenden Jahren das größte Wachstum aller verfügbaren Verbindungstechnologien verzeichnen. Der Hype um 5G-Netze und der Wettlauf um den Ausbau der 5G-Infrastruktur haben Netzbetreiber dazu veranlasst, Straßenlaternen mit Wabenstrukturen auszustatten. In den USA rüsten Las Vegas und Sacramento Straßenlaternen über die Mobilfunkanbieter AT&T und Verizon mit LTE und 5G sowie Smart-City-Sensoren aus. Hongkong hat kürzlich einen Plan zur Installation von 400 5G-fähigen Laternenmasten im Rahmen seiner Smart-City-Initiative vorgestellt.
Enge Hardwareintegration
Nielsen fügte hinzu: „Nordic bietet Multimode-Produkte für kurze und lange Reichweiten. Der nRF52840 SoC unterstützt Low-Power-Bluetooth, Bluetooth Mesh und ZigBee sowie Thread und proprietäre 2,4-GHz-Systeme. Der auf der Honeycomb-Architektur basierende nRF9160 SiP von Nordic bietet sowohl LTE-M- als auch NB-IoT-Unterstützung. Die Kombination beider Technologien führt zu Leistungs- und Kostenvorteilen.“
Durch die Frequenztrennung können diese Systeme parallel betrieben werden: Das eine System arbeitet im frei zugänglichen 2,4-GHz-Band, das andere überall dort, wo LTE verfügbar ist. Bei niedrigeren und höheren Frequenzen besteht ein Zielkonflikt zwischen größerer Reichweite und höherer Übertragungskapazität. In Beleuchtungsplattformen wird typischerweise Kurzstrecken-Funktechnologie zur Vernetzung von Sensoren eingesetzt, Edge-Computing-Leistung für Beobachtung und Analyse genutzt und Honeycomb-IoT zur Datenübertragung in die Cloud sowie zur Sensorsteuerung für einen erweiterten Wartungsaufwand verwendet.
Bislang wurden die Kurz- und Langstreckenfunkgeräte separat hinzugefügt und nicht in denselben Siliziumchip integriert. In manchen Fällen sind die Komponenten getrennt, da die Fehlerursachen von Beleuchtung, Sensor und Funkgerät unterschiedlich sind. Die Integration zweier Funkgeräte in ein einziges System führt jedoch zu einer engeren Technologieintegration und geringeren Anschaffungskosten – entscheidende Faktoren für Smart Cities.
Nordic geht davon aus, dass sich der Markt in diese Richtung entwickelt. Das Unternehmen hat drahtlose Kurzstreckenverbindungen und Honeycomb-IoT-Konnektivitätstechnologien in Hardware und Software auf Entwicklerebene integriert, sodass Lösungshersteller beide Technologien gleichzeitig in Testanwendungen einsetzen können. Das Nordic-Board DK für nRF9160 SiP wurde für Entwickler konzipiert, um deren Honeycomb-IoT-Anwendungen zum Laufen zu bringen. Nordic Thingy:91 wird als vollwertiges, sofort einsatzbereites Gateway beschrieben, das als Prototyping-Plattform oder Machbarkeitsnachweis für frühe Produktentwürfe verwendet werden kann.
Beide verfügen über einen Multimode-Honeycomb-nRF9160-SiP und einen Multi-Protokoll-Kurzstrecken-nRF52840-SoC. Eingebettete Systeme, die die beiden Technologien für kommerzielle IoT-Anwendungen kombinieren, sind laut Nordic nur noch „Monate“ von der Markteinführung entfernt.
Nordic Nielsen erklärte: „Die Plattform für intelligente Stadtbeleuchtung vereint all diese Verbindungstechnologien; der Markt weiß genau, wie sie kombiniert werden können. Wir haben Lösungen für die Entwicklungsboards der Hersteller bereitgestellt, um die Zusammenarbeit zu testen. Die Integration in Geschäftslösungen ist unabdingbar und nur eine Frage der Zeit.“
Veröffentlichungsdatum: 29. März 2022