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Kommunikationsinfrastruktur für die Städte von morgen Wie LoRaWAN die Smart Cities der Zukunft ausstattet

Autor / Redakteur: Armin Przirembel / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Deutschlands Städte wachsen immer mehr – und damit auch die Herausforderungen für das Stadtmanagement. Der Ausbau von Städten zu Smart Cities kann weiterhelfen. Dabei erfüllt LoRaWAN alle notwendigen Anforderungen für die Kommunikationsinfrastruktur.

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LoRaWAN ist die optimale Kommunikationstechnik, um Smart-City-Konzepte effizient umzusetzen.
LoRaWAN ist die optimale Kommunikationstechnik, um Smart-City-Konzepte effizient umzusetzen.
(Bild: © Elnur Amikishiyev - stock.adobe.com)

In Deutschland leben heute nahezu 78 Prozent der Bevölkerung in Städten, Tendenz steigend. Dies bringt neue Anforderungen an sämtliche Infrastrukturen der Städte mit sich. Der Zuwachs der Bevölkerung steigert sowohl das Verkehrs- als auch das Müllaufkommen, wodurch die Umwelt stärker belastet wird. Gleichzeitig sinkt durch Verkehrsstaus und überfüllte Mülltonnen die Lebensqualität der Bürger. Höchste Zeit, mit innovativen Umstrukturierungen genau diesen Problemen entgegenzuwirken. Das Konzept Smart City kann hier weiterhelfen.

Mit neuen Technologien und der Digitalisierung der Prozesse im Stadtalltag lässt sich die Lebensqualität der Stadtbewohner wieder steigern. So soll beispielsweise das Parkmanagement, die Beleuchtung der Straßen, das Leeren von Müllcontainern sowie die Schadstoffbelastung der Luft für maximale Effizienz reguliert und automatisiert werden. Dabei messen Sensoren und Zähler in diesem Zusammenhang Daten, werten diese aus und schicken sie an eine zentrale Plattform. Dort wiederum werden entsprechende Maßnahmen abgeleitet.

Doch über welchen Kanal läuft die Datenübertragung ab? Hier kommt das LoRaWAN ins Spiel. Die Abkürzung steht für Long Range Wide Area Network, ein Industriestandard, der ursprünglich aus der Militär- und Weltraumkommunikation stammt.

Warum LoRaWAN der ideale Funkstandard für Smart Cities ist

Die Datenübertragung in der Smart City verlangt einige spezifische Voraussetzungen. Zunächst muss der Empfang über weite Strecken hinweg garantiert sein, sodass die Daten im gesamten Stadtbereich und auch in den Außenbezirken empfangen werden können. Gleichzeitig darf der Datentransfer nicht durch Wände, Keller und dichte Häusersiedlungen gestört werden. Darüber hinaus sind die Sensoren, die die Daten versenden, normalerweise batteriebetrieben. Um diese möglichst nur in großen Zeitabständen auswechseln zu müssen, sollte die Kommunikationsinfrastruktur einen geringen Energieverbrauch aufweisen. Insgesamt müssen die Daten sicher und zuverlässig innerhalb eines Netzwerks versendet werden können. Dabei sollte der Aufbau der Infrastruktur kostengünstig und in kurzer Zeit möglich sein. Die Funktechnologie LoRaWAN erfüllt genau diese Punkte und eignet sich daher hervorragend für die Datenübertragung in der Smart City.

Mit einer Reichweite von bis zu 20 Kilometern ist die Technologie eigens auf Langstrecken-Kommunikation zugeschnitten. Da die Infrastruktur eine hohe Störungsresistenz bietet, ist die Übertragung auch durch dicke Betonbarrieren problemlos möglich. Zudem benötigt LoRaWAN sehr wenig Energie, sodass von zwei bis sieben Jahren Lebensdauer der Batterien ausgegangen werden kann. Bei der Datenübertragung wird das in Europa kostenfrei zur Verfügung gestellte 868-Megaherz-Frequenzband verwendet, was einem kostengünstigen Aufbau sehr entgegenkommt. Die AES-Verschlüsselung der Datenübertragung garantiert außerdem maximale Sicherheit.

Insgesamt zeichnet sich das LoRaWAN durch eine sehr hohe Energieeffizienz, eine große Reichweite sowie durch starke Sicherheitsanforderungen aus – und das bei niedrigen Kosten und schneller Umsetzbarkeit. Dadurch eignet sich die LoRa-Technologie optimal für den flexiblen Einsatz in ländlichen oder Indoor-Anwendungen in Smart Cities und weiteren Bereichen.

LoRaWAN, 5G und WLAN – das sind die Unterschiede

Prinzipiell eignen sich auch WLAN und das Mobilfunknetz zur drahtlosen Kommunikation. Jedoch lassen sich mit beiden in der Smart City Daten nur suboptimal austauschen. So können Informationen über WLAN nur in geringer Distanz und sehr schwer durch dickere Wände übermittelt werden. Außerdem benötigt WLAN viel Strom, sodass es nicht den Anforderungen einer Smart City gerecht wird.

Im Mobilfunknetz können Daten wiederum problemlos über lange Strecken hinweg empfangen werden. Der große Nachteil dabei sind jedoch die hohen Kosten, die durch den großen Energieverbrauch zustande kommen. So empfiehlt sich LTE oder 5G bei der Übertragung größerer Datenkapazitäten, was im Falle der Smart City aber gar nicht nötig ist.

Zwar kann LoRaWAN nur mit einer Bandbreite von 50kbps dienen, das reicht jedoch für den Datenverkehr in Smart Cities absolut aus. Hier ist üblicherweise nur von kleineren Datenpaketen die Rede, die nicht in Echtzeit, sondern nur nach Bedarf gesendet werden. Dazu zählen sämtliche Daten innerhalb des IoT, die von Sensoren, Aktoren und Zählern stammen. LoRaWAN punktet darüber hinaus vor allem durch die hohe Reichweite, den niedrigen Energieverbrauch und die geringen Kosten, sodass es sich bestens für die Datenübertragung in der Smart City eignet.

Mögliche Einsatzszenarien

Sämtliche Smart-City-Projekte zielen in erster Linie darauf ab, die Lebensqualität der Bürger zu erhöhen. Das heißt: Projekte müssen bei einem finanziellen positiven Effekt gleichzeitig Mehrwerte für alle Stadtbewohner bieten. Die am meisten verbreiteten Anwendungsfälle sind daher die Müllentsorgung, das Parkmanagement sowie die Verbesserung der Luftqualität.

Smart Parking

Die Deutschen verbringen nach einer Studie des Verkehrsanalyse-Anbieters INRIX 41 Stunden pro Jahr mit der Suche nach einem freien Parkplatz. Vor allem in dicht besiedelten Großstädten ist dies ein geläufiges Phänomen. Dabei macht der Parkplatzsuchverkehr rund 30 bis 40 Prozent des gesamten Verkehrs in einer Stadt aus. Fahrer verlieren dadurch sehr viel Zeit und große Mengen an eigentlich vermeidbaren Abgasen werden ausgestoßen. Hier kommen intelligente Parksysteme ins Spiel, die über Sensoren freie Parkplätze identifizieren. Dabei senden Sensoren an den Parkplätzen die Informationen über den Belegungszustand an eine IoT-Plattform. Die Fahrer wiederum haben dann die Möglichkeit, mittels einer App die nächsten freien Parkplätze ausfindig zu machen und sogar gleichzeitig ein Parkticket minutengenau zu lösen. Durch Smart Parking sollen so bis 2030 0,4 bis 0,9 Millionen Tonnen CO2 gegenüber 2015 eingespart werden. So werden Zeitersparnis und Umweltschutz problemlos miteinander kombinierbar.

Smart Waste

Zu einem gepflegten Stadtbild gehören geleerte Mülltonnen und -container. Doch nicht selten passiert es, dass Mülltonnen schnell voll werden und überquellen. Auch hier gibt es eine intelligente Lösung, mit der sich die Müllentsorgung effizient gestalten lässt. So helfen Sensoren dabei, den aktuellen Füllstand einer Tonne an eine IoT-Plattform zu senden. Ist ein Container voll, meldet er seinen leerbereiten Zustand. Auf diese Weise können Müllentsorgungsbetriebe den Abfall nur dort einsammeln, wo es nötig ist, sodass ungewollte Strecken vermieden werden. Dies spart nicht nur Zeit und Kosten ein, sondern trägt durch ein sauberes Stadtbild auch entscheidend zur Zufriedenheit der Bürger bei.

Armin Przirembel.
Armin Przirembel.
(Bild: Axians)

Luftqualität

In vielen deutschen Großstädten ist die Luftqualität mangelhaft und die Feinstaubbelastung hoch, sodass die Werte teilweise über den von der WHO als akzeptabel eingestuften Empfehlungen liegen. Anstatt Fahrverbote zu verhängen, können durchdachte Mobilitätskonzepte einen positiven Effekt auf die Luftqualität bewirken. Hierbei messen Sensoren an Straßen die Schadstoffbelastung und senden diese an eine Zentrale. Liegen die Werte über einer empfohlenen Grenze, werden die Fahrer mittels intelligenter Ampelschaltung auf andere Straßen umgeleitet, sodass Staus und die daraus resultierende Luftbelastung reduziert werden können.

Über den Autor

Armin Przirembel ist Leiter der Business Unit Funknetze bei Axians GA Netztechnik.

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