Smart City Konzept
Wie muss eine Smart City aufgebaut sein?
Aufbau eines
urbanen Hochgeschwindigkeitsnetzwerks
Das Smart-City-Konzept wird die Lebensqualität der Bürger verbessern und Kommunen die Chance für neue Dienstleistungen und Geschäftsmodellen eröffnen. Dazu ist jedoch eine flächendeckende, engmaschige und echtzeitfähige Netzwerkinfrastruktur erforderlich, die eine kabelgebundene IP-basierte Datenübertragung mit Funktechnologien wie 5G kombiniert.
Das Rückgrat dieser konvergenten Infrastruktur bildet der Breitbandausbau mit Glasfaserkabeln, der in Deutschland Ende 2016 mit dem Gesetz zur Erleichterung des Ausbaus digitaler Hochgeschwindigkeitsnetze (DigiNetz-G) beschlossen wurde. Mit dem ultrakompakten, modularen Smart-City-System „pe-light-S“ steht jetzt eine multifunktionale Lösung für eine glasfaserbasierte Vernetzung IP-fähiger Geräte via Gigabit-Ethernet bereit, die auf robuster Technik für die Industrieautomatisierung beruht. Da sie sich in bestehende Infrastrukturelemente wie Lichtmaste integrieren lässt, können urbane Hochgeschwindigkeitsnetzwerke schnell und kostengünstig aufgebaut werden.
Sprungbrett für die Digitalisierung
Das Smart-City-Konzept reicht vom Verkehrswesen und der Energieversorgung über Gesundheit und Bildung bis hin zur öffentlichen Verwaltung. Aspekte sind E-Government, also die Digitalisierung behördlicher Prozesse, virtueller Unterricht, intelligente Stromnetze, Telemedizin und Verkehrstelematik. Zu den Zielen gehören beispielsweise eine ökologisch nachhaltigere Mobilität, eine schnellere Notfallversorgung, eine höhere Energieeffizienz, ein verbesserter Wissens- und Technologietransfer sowie neue kommunale Dienstleistungen für Bürger und Unternehmen. Außerdem ist das Smart-City-Konzept ein wichtiger Baustein für die Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandorts Deutschland.
Seit mehreren Jahren beschäftigen sich internationale Standardisierungsorganisationen mit der technischen Umsetzung des Smart-City-Konzepts. Durch die Deutsche Kommission Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (DKE) und das Deutsche Institut für Normung (DIN) gehört die Bundesrepublik zu den Gründungsmitgliedern der Systems Evaluation Group (SEG) Smart Cities innerhalb der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC). Nationale Orientierungshilfen sind etwa die DIN SPEC 91340 und die DIN SPEC 91347. Ihr Ziel ist eine enge Kooperation zwischen allen, die an den Veränderungsprozessen für eine zukunftsorientierte Stadtentwicklung beteiligt sind, vom Gesetzgeber über die Kommunen bis hin zu Forschungsinstituten und Herstellern von Technik.
Durchgängige Verkabelung mit Glasfasern
Im Zuge des Smart-City-Konzepts müssen große Datenmengen („Big Data“) in Echtzeit über weite Entfernungen übertragen werden. Das Rückgrat der digitalen Infrastruktur bildet eine leistungsfähige, auf Single- oder Multimode-Glasfasern basierende Netzwerkinfrastruktur. Denn diese Fasern ermöglichen Datenraten von über 40 Gbit/s und Distanzen von 100 km und mehr.
Da Glasfasern aus elektrisch nicht leitfähigem Material bestehen, werden die Daten stets über einen elektrischen Isolator übertagen. Somit treten über die Datenleitungen keine Potentialausgleichsströme auf, die gerade bei ausgedehnten Anlagen gefürchtet sind. Selbst bei einem Blitzeinschlag besteht kein Zerstörungsrisiko für die angeschlossenen Geräte. Außerdem ist es nahezu unmöglich, Glasfaserkabel „anzuzapfen“, während sich Kupferkabel vergleichsweise leicht manipulieren lassen, etwa bei der Übertragung von Videobildern.
Hinsichtlich des Preises besteht zwischen Kupfer- und Glasfaserkabeln kein nennenswerter Unterschied. Allerdings ist 1 kg Glas so leistungsfähig wie 1000 kg Kupfer. Auch die Rohstoffbilanz spricht eine deutliche Sprache. Kupfer ist eigentlich zu schade, um es in Form von Kabeln zu verlegen. Glasfasern bestehen dagegen aus Silikat, das in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung steht.
IP-basierte Datenübertragung
Ein zentraler Aspekt des Smart-City-Konzepts ist die Kommunikation intelligenter Geräte über das Internet, weshalb sie ein IP-Schnittstelle (Internet Protocol) haben müssen. Nur so können diese Geräte außerhalb lokaler Netzwerke (LANs) untereinander wie auch etwa mit Rechenzentren oder Cloud-Diensten kommunizieren. Und je nach Anwendung kommt es nicht nur auf eine zuverlässige Datenkommunikation an, sondern es müssen auch bestimmte Anforderungen hinsichtlich Bandreite und Echtzeit erfüllt werden.
Mit Ethernet steht eine IP-kompatible, offene und durch das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) weltweit standardisierte Übertragungstechnologie zur Verfügung, die eine durchgängige Ende-zu-Ende-Kommunikation mit hohen Datenraten ermöglicht. Seit rund 20 Jahren wird Ethernet, das ursprünglich für das IT-Umfeld entwickelt wurde, auch in der Automatisierung eingesetzt („Industrial Ethernet“). Im Zuge von Industrie 4.0 wurde diese Technologie so weiterentwickelt, dass sie heute eine deterministische Datenübertragung ermöglicht, das heißt berechenbare und garantierte Ende-zu-Ende Latenzen, stark begrenzte Latenzschwankungen und einen extrem geringen Paketverlust.
Mittlerweile gibt es eine breite Palette an leistungsfähigen aktiven und passiven Komponenten für Ethernet-Netzwerke, die speziell für die rauen Umgebungsbedingungen der Industrieautomatisierung entwickelt wurden und somit auch zur technischen Umsetzung des Smart-City-Konzepts bestens geeignet sind. Zu ihnen gehören Router, Switches und Medienkonverter wie auch Single- und Multimode-Glasfaserkabel sowie Spleißboxen, Pigtails, Patchkabel und optische Steckverbinder.
Lichtmaste als Element
der digitalen Transformation
Um das zur Umsetzung des Smart-City-Konzepts erforderliche flächendeckende, engmaschige Netzwerk aufzubauen, müssen Kommunen neue vernetzte Infrastrukturelemente schaffen oder bereits vorhandene digitalisieren. Dazu bieten sich beispielsweise Lichtmaste an, von denen es in Deutschland mehr als 9 Mio. gibt. Mit diesem Ansatz können Kommunen zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Denn viele dieser Maste müssen in den kommenden Jahren auf energiesparende LED-Technologie umgerüstet werden. Und sie haben bereits einen Stromanschluss, der zugleich für die Spannungsversorgung der Netzwerktechnik genutzt werden kann, PE Light S funktioniert dabei als ein IOT-Gateway zwischen der Netzwerkebene am Mast und dem Übertragungsweg zur Anwendung.
Deshalb empfiehlt die DIN SPEC 91347, die das Deutsche Institut für Normung (DIN) auf Initiative der [ui] – the urban institute gemeinsam mit wichtigen Branchenteilnehmern im PAS-Verfahren (Publicly Available Specification) erarbeitet hat, Lichtmaste zu Daten- und Informationsknotenpunkten zu machen. Diese sogenannten „Humble Lampposts“ können nach dem Baukastenprinzip mit Funktionskomponenten für Konnektivität wie auch für Sensorik und Aktorik ausgestattet werden. Die am Standardisierungsprojekt beteiligten Konsortialpartner waren EnBW und RheinEnergie als Betreiber von Stadtbeleuchtungsinfrastruktur, Schréder, Trilux und eluminocity als Spezialisten für Lichtmanagement und Ladeinfrastruktur sowie die Deutsche Telekom, NXP, Alliander und Microsoft aus dem Bereich Kommunikation und als Plattformen für das Internet der Dinge (IoT).
Zwar sind Lichtmaste an Stromleitungen angeschlossen, aber normalerweise liegen dort noch keine für die Umsetzung des Smart-City-Konzepts erforderlichen Glasfaserkabel. Das ändert sich jedoch durch das im November 2016 in Kraft getretene Gesetz zur Erleichterung des Ausbaus digitaler Hochgeschwindigkeitsnetze (DigiNetz-G). Denn seitdem müssen bei jeder Baustelle an Verkehrswegen Glasfaserkabel mitverlegt werden und bei der Erschließung von Neubaugebieten ist dies von vornherein vorgeschrieben. Teilweise sind auch früher schon vorsorglich Leerrohre verlegt worden, sodass Lichtmaste mitunter auch ohne Erdarbeiten vernetzt werden können. Zudem wird der Breitbandausbau durch Förderprogramme der Europäischen Union wie auch des Bundes und der Länder finanziell unterstützt.
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