5G und Smart Cities: intelligentere Lösungen für eine hypervernetzte Zukunft

Was ist eine Smart City?

Die Europäische Kommission definiert eine Smart City als „ein Ort, an dem herkömmliche Netze und Dienste durch den Einsatz von Digital- und Telekommunikationstechnologien zum Nutzen seiner Bewohner und Unternehmen effizienter gestaltet werden“. Um die Transformation einer „normalen“ Stadt in eine „intelligente Stadt“ zu bewältigen, braucht es die Verbreitung und Verfügbarkeit neuer Technologien, die dazu beitragen, ein hohes Maß an nachhaltiger Stadtentwicklung und eine verbesserte Lebensqualität für die Bürger zu erreichen.

Smart Cities nutzen das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) zur Erhebung von Echtzeitdaten, um durch diese besser zu verstehen, wie Nachfragemuster sich verändern, und mit schnelleren und kostengünstigeren Lösungen darauf zu reagieren. Vereinfachend gesprochen, sind digitale städtische Ökosysteme so aufgebaut, dass sie in ICT-Rahmen laufen, die mehrere dedizierte Netzwerke von mobilen Geräten, Sensoren, angeschlossenen Autos, Haushaltsgeräten, Kommunikationsgateways und Datenzentren verbinden.

Aktuelle IoT-Trends legen nahe, dass die Zahl der verbundenen Geräte bis 2025 weltweit auf 75 Milliarden anwachsen wird. Die steigende Anzahl miteinander verbundener Objekte generiert nie dagewesene Datenvolumen, welche die Smart City lokal analysieren kann, um informiertere Entscheidungen darüber zu treffen, welche Veränderungen oder neuen Projekte für ihre Bewohner den größten Nutzen bringen. Der Begriff „Massive IoT“ ist eine treffende Beschreibung der enormen Anzahl von IoT-Sensoren und -Geräte, die miteinander kommunizieren werden.

Um eine Vision zu verwirklichen, in der Millionen von Geräten verbunden sind, muss der IoT-Standard sowohl Skalierbarkeit als auch Vielseitigkeit gewährleisten und ausreichende Kapazitäten und Netzwerkeffizienzen bieten, um Millionen von Geräten zu verbinden und gleichzeitig erweiterte Funktionen, wie etwa längere Akkulaufzeiten und größere Reichweiten, zu unterstützen und so den Ausbau neuer Anwendungsfälle zu ermöglichen. Das bestehende 4G-Netz wurde vornehmlich konzipiert, um mobile Datendienste zu verbessern; es leidet jedoch noch immer unter zahlreichen Beschränkungen. Hierzu gehören eine schlechte Unterstützung gleichzeitiger Verbindungen, ein hoher Stromverbrauch und ein zu hoher Preis pro Bit. Von 5G wird erwartet, dass es das Potenzial des IoT freisetzt und die treibende Kraft hinter der Smart City wird, indem es diese Probleme angeht und schließlich löst.

Folgen der Gerätedichte für Smart Cities

Die 5G-Technologie bietet eine Reihe von Merkmalen, die digitale Erfahrungen und Smart Cities positiv beeinflussen werden. Zusätzlich zu einer höheren Geschwindigkeit beim Upload und Download von Daten sorgt sie für sehr kurze Latenzzeiten und ist in der Lage, mehrere Geräte gleichzeitig zu verbinden.

Weniger Latenz bedeutet, dass die Zeit zwischen dem Senden und Empfangen des Signals verkürzt wird. 5G sorgt für eine Latenz, die mindestens im Bereich unter 10 Millisekunden liegt (und somit bei der Hälfte der modernsten 4G-Netze); im Idealfall beträgt die Latenz nur rund 1 Millisekunde, was bedeutet, dass Daten praktisch in Echtzeit übertragen werden.

Darüber hinaus werden Geschwindigkeit und Latenz in den neuen Netzen nie schlechter, selbst dann nicht, wenn Zehntausende Geräte gleichzeitig verbunden sind. 5G unterstützt also eine höhere Gerätedichte.

Die Kombination aus hoher Dichte und geringer Latenz wird unsere Städte tiefgreifend verändern. Heute ist es so, dass die Mobilnetzverbindung an stark frequentierten Freizeiteinrichtungen wie etwa im Stadion zuweilen deutlich schlechter wird. Mit 5G wird das nicht mehr passieren: Durch die neue Technologie wird pro Quadratkilometer eine enorm hohe Zahl (bis zu einer Million) gleichzeitiger Verbindungen möglich.

Dies bedeutet, dass zusätzlich zu persönlichen Geräten wie Smartphones, Tablets, Smart Speakern und PCs auch viele weitere Geräte, Objekte und Sensoren in der Lage sein werden, Informationen zu erfassen und miteinander zu kommunizieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf extremer Einfachheit, niedrigem Stromverbrauch für längere Betriebszeiten, einer höchstmöglichen Abdeckung zum Erreichen selbst schwieriger Standorte sowie auf einer erhöhten Verbindungsdichte, damit Netzwerke die enorm hohe Anzahl von Geräten im Rahmen von IoT-Anwendungen bewältigen können.

Somit beseitigt 5G im Wesentlichen einen der Hemmschuhe für die Entwicklung des Internets der Dinge, das so sein Potenzial nicht nur in der häuslichen Umgebung, sondern auch in Industrieanlagen, öffentlichen Gebäuden oder auf der Straße entfalten kann.

Die Evolution des Massive IoT

Die 3GPP verwendet den Begriff „Machine-Type Communication“ (MTC), um damit das weite Feld der drahtlosen Kommunikation mit Sensoren, Aktoren, physischen Objekten und anderen Geräten, die nicht direkt von Menschen bedient werden, zu bezeichnen. Bei der MTC wird außerdem nach ihren beiden wichtigsten Bereichen zwischen „Massive Machine‐Type Communication“ (mMTC) und „Ultra‐reliable Machine‐Type Communication“ (uMTC) unterschieden. Wie der Name bereits vermuten lässt, geht es bei der mMTC um die Bereitstellung skalierbarer Konnektivität für eine zunehmende Anzahl von Geräten, wobei der Schwerpunkt auf einer großflächigen Abdeckung und einer tiefen Durchdringung von Innenräumen liegt. Ein typisches Beispiel ist die Erhebung der Messdaten von einer sehr großen Zahl von Low‐Power-Sensoren wie beim Smart Metering. Bei der uMTC geht es dagegen um die Bereitstellung adäquater mobiler Verbindungen für Netzwerkdienste mit recht hohen Anforderungen in Bezug auf die Verfügbarkeit, Latenz und Zuverlässigkeit. Zwei wichtige Beispiele hierfür sind Vehicle‐to‐Everything (V2X)-Kommunikation im Bereich der Verkehrsvernetzung und Anwendungen im Bereich der industriellen Steuerung.

Das Standardisierungsgremium 3GPP hat eine Reihe von Verbesserungen an der 5G-Netzarchitektur und den NR (New Radio)-Spezifikationen vorgenommen, um die Unterstützung von IoT-Geräten, die von Verbrauchern und Unternehmen verwendet werden, zu verbessern. Außerdem wurden neue Funktionen hinzugefügt, um ein breiteres Spektrum von Anwendungsfällen zu unterstützen. Die beiden größten Herausforderungen, die es dabei zu bewältigen gilt, sind die kostengünstige Anbindung einer großen Anzahl von Geräten in einem ausgedehnten Gebiet und das effiziente Management dieser Geräte über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg.

Das Massive IoT gehört nicht zur ersten Welle von 5G-Netzen, sondern soll im Rahmen von Release 16 umgesetzt werden. Geht man davon aus, dass dieses Release in Juni 2020 herauskommt, könnten wir die Einführung von Massive IoT-Anwendungen Ende 2020 oder 2021 erleben – in Abhängigkeit von der Entwicklung und Einführung der unterstützenden Module.

Bis die 5G-Module für Massive IoT auf den Markt kommen, sind der auf 4G basierende Narrowband IoT (NB-IoT)-Standard und der auf LTE for Machine Type Communication (LTE-M) basierende Standard die fortschrittlichsten Standards für Massive IoT-Anwendungen.

Da IoT-Anwendungsfälle Sensoren und Geräte mit langen Lebenszyklen vorsehen, ist es wichtig, einen reibungslosen Übergang zu 5G und Sicherheit bezüglich der Auswahl von Technologien zu gewährleisten.

Smart Cities: Digitale Lösungen für eine lebenswertere Zukunft

Mit 5G machen wir beim Aufbau von Smart Cities den Schritt von der Theorie zur Praxis; die Technologie ebnet den Weg für die Entwicklung und Umsetzung neuer Anwendungen, von der Überwachung von Luftqualität, Energieverbrauch und Verkehrsmustern bis hin zu Straßenbeleuchtung, Smart Parking, Crowd Management und sogar Krisenmanagement im Rahmen des Katastrophenschutzes. Die Smart City nutzt digitale Lösungen, Technologien und Daten, um mehrere Schlüsselindikatoren für die Lebensqualität deutlich zu verbessern. Dies führt zu einer Verbesserung der Verkehrs- und Pendelzeit, einer beschleunigten Reaktionszeit bei Notfällen, geringeren Kosten im Gesundheitswesen, einem geringeren Wasserverbrauch, weniger nicht wiederverwertbarem Abfall und schädlichen Emissionen sowie letztlich zu einem enormen Einsparpotenzial.

Dies bietet neue Geschäftsmöglichkeiten für Unternehmen, die Dienstleistungen und Anwendungen zur Verwaltung komplexer IoT-Ökosysteme und zur Umwandlung von Daten in intelligente Erkenntnisse anbieten. Mehrere Initiativen auf europäischer, nationaler und regionaler Ebene tragen dazu bei, die Herausforderungen, denen sich Städte gegenübersehen, anzugehen. Die Europäische Union initiierte in diesem Zusammenhang das Horizon 2020-Programm und die Strategie des digitalen Binnenmarkts (Digital Single Market).

Das Fachwissen von Reply

Reply verfügt über umfangreiche Erfahrungen im Bereich IoT und ist an einer Reihe von Forschungsaktivitäten sowie an technischen und kaufmännischen Planungen im Smart-City-Kontext beteiligt. Ein Beispiel hierfür ist ein Datenkontrollraum der die Darstellung, Korrelation, Filterung und Visualisierung von Daten ermöglicht – der Zugriff und die Verwaltung der Daten erfolgen über ein Multi-Operator-/Multi-View-Dashboard. Als innovativer Systemintegrator kann Reply die Einführung von 5G-Technologie umsetzen, da über Telekommunikationspartner auf Erfahrungen aus erster Hand zurückgegriffen werden kann.

Reply hat zudem bereits an mehreren Forschungsprojekten teilgenommen und zu verschiedenen Smart-City-Anwendugen beigetragen. Diese reichen von einer integrierten Smart Parking-Lösung unter Verwendung verschiedener Sensortypen und Vehicle-to-Infrastructure-Kommunikation über Anwendungen zur Patientenfernüberwachung und Telepflege älterer Menschen unter Einbindung mehrerer Smart-Home-Geräte, bis hin zur Erstellung digitaler Zwillinge für Fabriken zur Prozessoptimierung.

All diese Beispiele umfassen die Nutzung einer Reihe intelligenter Sensoren, Aktoren und anderer Arten von Objekten. Die Proof-of-Concept-Demonstrationslösungen wurden über 4G oder Wi-Fi umgesetzt, um die Machbarkeit der Lösung in kleinem Maßstab zu zeigen. Die Einführung von 5G wird die Leistungssteigerung bringen, die erforderlich ist, um eine enorm große Anzahl von Geräten auf kosteneffiziente Weise zu integrieren und von der Forschung zur kommerziellen Nutzung überzugehen.