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Anregungen

    Mobilfunknetze versus RF-Mesh-Netzwerke

    Welche Kommunikationsplattform eignet sich am besten für die vernetzte Straßenbeleuchtung?


    Inzwischen ist man sich weitgehend einig, dass die Straßenbeleuchtung ein guter Ausgangspunkt für die Einführung von IoT-Lösungen in einer Stadt oder Gemeinde ist. "Intelligente Straßenbeleuchtung wird seit langem als der erste große Anwendungsfall für sogenannte Smart Cities angesehen", erklärt das führende Marktforschungsunternehmen Northeast Group in einem Marktbericht aus dem Jahr 2019, "wobei die eingerichteten Kommunikations- und Software-Plattformen zusätzliche Anwendungen für Smart Cities unterstützen".
     

    Es ist natürlich die Konnektivität, also die Vernetzbarkeit, die eine intelligente Straßenbeleuchtung ausmacht. Vernetzte Straßenbeleuchtungssysteme können Daten von einem zentralen Verwaltungssystem (Central Management System = CMS) empfangen und an dieses senden, das sich in der Regel in der Cloud befindet. Als verantwortliche Behörde oder Betreiber der Straßenbeleuchtung können Sie die vernetzten Lichtpunkte aus der Ferne überwachen und steuern, Dimmkalender erstellen, Firmware- und Software-Updates durchführen und Betriebsdaten wie Energieverbrauch und Lebensdauer der Leuchtmittel überwachen. Mit Sensoren, die in das Beleuchtungssystem eingebettet sind, können Sie auch Echtzeit- und historische Daten sammeln, zum Beispiel über die Temperatur, die Luftqualität, den Lärmpegel auf den Straßen und das örtliche Verkehrsaufkommen.

    Obwohl die meisten vernetzten Straßenbeleuchtungssysteme auf ähnliche Weise funktionieren, gibt es viele verschiedene Methoden des Datenaustauschs zwischen den vernetzten Straßenleuchten und dem Verwaltungssystem. Dazu gehören Mobilfunk (2G, 3G, LTE, 5G und NB-IoT), RF-Mesh-Netzwerke, LoRa-Netzwerke, Wi-Fi und andere Lösungen mit mittlerer bis großer Reichweite.

    Wie bestimmen Sie als Kommune, die sich für die Einführung einer vernetzten Beleuchtung vorbereitet, welche Kommunikationsmethode die beste ist? Die Antwort lautet: "Es kommt darauf an". Sie müssen verstehen, wie die verschiedenen Kommunikationsmethoden funktionieren, und dann deren Möglichkeiten auf Ihre spezifischen Bedürfnisse abstimmen.

    Wie Mobilfunk- und RF-Mesh-Systeme funktionieren


    Schauen wir uns zwei der beliebtesten und effektivsten Kommunikationssysteme für vernetzte Straßenbeleuchtung an: Mobilfunk und RF-Mesh.


    In einem Mobilfunksystem verbindet sich jede Straßenleuchte direkt mit dem öffentlichen Mobilfunknetz eines Betreibers für eine Zwei-Wege-Datenkommunikation mit dem Verwaltungssystem in der Cloud.

     

    In einem RF-Mesh-Netzwerk hingegen bildet eine bestimmte Anzahl (typischerweise 15, aber bis zu 32) von nebeneinander stehenden Straßenleuchten ein eigenes Gerät-zu-Gerät-Netzwerk, über das sie Daten miteinander austauschen können. Die Straßenleuchte mit dem stärksten Signal in der Gruppe sendet alle Informationen an ein Gateway, bei dem es sich in der Regel um ein Gerät handelt, das in einem NEMA-zertifizierten geschlossenen Schaltschrank irgendwo auf der Straße installiert ist. Bei der Kommunikation zwischen dem Gateway und dem Verwaltungssystem kann es sich entweder um eine drahtlose Mobilfunkverbindung oder um eine verkabelte Verbindung über Ethernet-LAN oder Glasfaser handeln.

     

    Sowohl das Mobilfunknetz als auch das HF-Mesh-Netzwerk bieten die Voraussetzungen für einen guten Leuchtenbetrieb - einschließlich Reichweite, Datenrate und Zuverlässigkeit - aber sie haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, die sorgfältig geprüft werden sollten. Hier sind einige davon.

    Lizenzierte versus nicht lizenzierte Frequenzen


    Ein wichtiger Aspekt ist die Art des Netzwerks: lizenziert oder nicht lizenziert.

    Mobilfunknetze verwenden lizenzierte Frequenzen, die von Betreibern wie Verizon und AT&T genutzt werden. Die gute Nachricht hier ist, dass die Betreiber der Mobilfunknetze für die lizenzierten Frequenzen zahlen, dass die Technologie standardisiert und erprobt ist und dass die Netze von den Betreibern selbst verwaltet und gewartet werden.

     

    Im Gegensatz zu Mobilfunknetzen verwendet das RF-Mesh-Netzwerk nicht lizenzierte Kommunikationsfrequenzen (bei 868 oder 915 MHz). Das bedeutet, dass Sie Ihr eigenes privates Netzwerk überall dort aufbauen können, wo Sie möchten, solange das Netzwerk den bestehenden Standards entspricht und die Kommunikationsfrequenzen im Land der Nutzung zugelassen sind.
     

    Ein potenzieller Nachteil für Mobilfunknetze sind gelegentliche Änderungen der Standards. Wenn Ihr System zum Beispiel das 2G-Spektrum nutzt, müssten Sie Ihre Hardware modifizieren oder aufrüsten, wenn der Betreiber beschließt, das 2G-Netz in Ihrer Stadt abzuschalten. Ebenso müssten Sie Ihre Hardware anpassen, wenn Sie die Vorteile der neuen 5G-Technik nutzen wollen, wenn diese in Betrieb geht. Aber größere Änderungen des Standards wie diese kommen nur sehr selten vor, und wenn, dann erfolgen sie langsam. Daher bringt es wenig, eine notwendige Installation zu verzögern, um sie an eine künftige Änderung der Mobilfunknormen anzupassen.

     

    Einige Anbieter behaupten, dass RF-Mesh-Netzwerke weniger Änderungen von Standards oder Technologien unterliegen als Mobilfunknetze. In der Praxis sind die Lebensdauern von Mobilfunknetzen jedoch vergleichbar: 2G wurde vor fast 30 Jahren eingeführt, 3G vor fast 20 Jahren und 4G vor mehr als 10 Jahren, und sie alle sind auch heute noch verfügbar.

    Systemverfügbarkeit und Zuverlässigkeit


    Sowohl Mobilfunknetze als auch RF-Mesh-Netze sind in Bezug auf die Systemverfügbarkeit zuverlässig, aber die potenziellen Auswirkungen auf Ihr Unternehmen gestalten sich von Fall zu Fall sehr unterschiedlich.
     

    Da die Mobilfunknetze den Betreibern gehören und von ihnen selbst verwaltet werden, erfolgt die Wartung durch eigene Techniker. Sie lösen anfallende Probleme schnell und stellen sicher, dass Sie den besten und zuverlässigsten Service im Austausch gegen die erhobenen Nutzungsgebühren erhalten. Da die Netzwerkknoten in einem Mobilfunksystem jeweils einzeln und direkt mit dem Mobilfunknetz kommunizieren, gibt es außer dem Mobilfunkmast selbst keinen Schwachpunkt.
     

    Dem gegenüber stehen der Aufbau, die Verwaltung und die Wartung Ihrer eigenen Mesh-Netzwerke. Das bedeutet, dass Sie Ihre eigenen Techniker einstellen und Netzwerkprobleme selbst lösen müssen, wenn sie auftreten. RF-Mesh-Netzwerke sind autark. Das heißt, aktive Netzwerkknoten können den Ausfall eines einzelnen Knotens kompensieren. Dies trägt dazu bei, die Systemverfügbarkeit zu gewährleisten, aber Ihre Techniker müssten im Falle eines Gateway-Ausfalls oder eines anderen systemübergreifenden Problems eingreifen.
     

    Eine ausreichende Flächendeckung vorausgesetzt, sind Mobilfunknetze äußerst zuverlässig. Die führenden Betreiber von Mobilfunknetzen haben in den letzten Jahrzehnten mehrere Generationen standardisierter Technologie auf den Weg gebracht. Diese Technologie hat sich in jahrelangem Betrieb mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Gerätetypen bewährt. RF-Mesh-Netzwerke sind ebenfalls sehr zuverlässig. Da jedoch viele Hersteller Geräte bauen, die im RF-Mesh-Frequenzband arbeiten, kann ein hoher Datenverkehr im Netzwerk zu Problemen in puncto Zuverlässigkeit und Leistung führen. Insbesondere bei Anwendungen mit hoher Bandbreite, bei denen große Datenmengen übertragen werden müssen (z.B. sensorbasierte Anwendungen und dynamische Lichtshows).

    Systemkosten und Reichweite


    Da Sie in einem Mesh-Netzwerk nicht für jede einzelne Straßenleuchte Gebühren zahlen müssen, sind die Betriebskosten für ein RF-Mesh-Netzwerk viel niedriger als für ein Mobilfunknetz. Bei der Bewertung der Gesamtkosten eines Mobilfunknetzes im Vergleich zu einem RF-Mesh-Netzwerk müssen Sie jedoch vorsichtig sein, da die niedrigeren Betriebskosten eines RF-Mesh-Netzwerks wahrscheinlich durch Kosten an anderer Stelle im System ausgeglichen werden. Die Notwendigkeit, eigene Technikerteams für die Wartung und Reparatur eines RF-Mesh-Netzwerks zu haben, ist ein solcher Kostenfaktor. Die Planung des Netzwerks ist ein anderer.


    Da in einer Mobilfunk-Implementierung jede einzelne Straßenleuchte direkt mit dem Mobilfunknetz verbunden ist, funktioniert die Implementierung im Grunde nach dem Prinzip Plug-and-Play".

     

    Jonathan Weinert, Vernetzte Beleuchtung und das IoT, Signify

    Entscheiden Sie sich für ein Mobilfunknetz, dann installieren Sie einfach eine vernetzte Straßenleuchte oder Sie rüsten eine vorhandene nach, und die Leuchte wird automatisch in Betrieb genommen und zum vernetzten Beleuchtungssystem hinzugefügt. Das bedeutet, dass die anfängliche Installation relativ kostengünstig ist und Projekte leicht in Phasen durchgeführt werden können, da es keine systembedingten Beschränkungen in Bezug auf die Anzahl der Lichtpunkte gibt, die dem System hinzugefügt werden können, oder wo die bereits vorhandenen Straßenleuchten im Verhältnis zueinander stehen müssen.

     

    RF-Mesh-Netzwerke hingegen erfordern oft eine sorgfältige Netzwerkplanung. Insbesondere im Hinblick auf die Anzahl der Knotenpunkte (also der Lichtpunkte) und die Platzierung von Gateways. Straßenleuchten sind in der Regel etwa 50 m voneinander entfernt, und der maximale Abstand von Knoten zu Knoten beträgt etwa 300 m. Die Reichweite ist also ausreichend für städtische Gebiete, in denen Straßenleuchten dicht beieinander installiert sind, aber man muss sich im Voraus überlegen, welche Straßenleuchten ein Netzwerk bilden können und wie jedes dieser Netzwerke mit einem Gateway verbunden werden kann. Deshalb können die Anfangskosten für die Implementierung von RF-Mesh-Netzwerken höher sein als bei Mobilfunknetzen, auch wenn die Betriebskosten niedriger sind.
     

    Die Reichweite von Mobilfunknetzen ist viel größer als die von RF-Mesh-Netzwerken: bis zu 100 km bzw. mehr als 300 Mal so weit. Aufgrund dieser großen Reichweite eignen sich Mobilfunknetze für Installationen, die große geografische Gebiete abdecken. Zum Beispiel große Städte mit vielen Stadtteilen, die sich über mehrere hundert Quadratkilometer erstrecken. Oder Beleuchtungsanlagen, die in Städten und umliegenden Gemeinden installiert werden. Vernetzte Lichtmanagement-Systeme tragen in diesen Fällen durch Fernüberwachung und automatische Meldungen über Systemereignisse zur Senkung der Betriebskosten bei. Nächtliche Kontrollfahrten durch Wartungsteams entfallen.

    Sie haben (meistens) die Wahl

     

    Sowohl Mobilfunknetze als auch RF-Mesh-Netzwerke eignen sich für die Installation vernetzter Straßenbeleuchtungssysteme. Beide bieten Funktionen wie Energieberichte, Störungsmeldungen, Programmierung von Knotenpunkten, bedarfsgerechtes Dimmen und Schalten, automatische Firmware-Updates zur Fehlerbehebung oder zur Einführung neuer Funktionen sowie die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften.
     

    Welche Kommunikationsplattform Sie wählen, hängt von Ihren spezifischen Anforderungen ab. Sie sollten sich für Mobilfunksysteme entscheiden, wenn Ihre Leuchten über ein großes Gebiet verteilt ist oder wenn es nur wenige Leuchten sind oder diese weit voneinander entfernt sind. Wenn es kein Mobilfunknetz gibt, sollten Sie sich für RF-Mesh-Systeme entscheiden. Ansonsten wird Ihre Wahl durch Ihr Budget, Ihre Ressourcen, Ihre Bandbreitenanforderungen, Ihre technischen Kompetenzen und andere Faktoren bestimmt.
     

    Es kann auch sein, dass Sie beide Systeme benötigen. Denken Sie also darüber nach, mit einem Anbieter für vernetzte Straßenbeleuchtung zusammen zu arbeiten, der eine offene Architektur für beide Optionen bietet. So erhalten Sie die beste Kombination aus Leistungsfähigkeit und Flexibilität. Und Sie profitieren von Lösungen für nahezu jede Beleuchtungsinstallation im öffentlichen Raum, für die Sie verantwortlich sind.

    Über den Autor

    Jonathan Weinert - A person wearing glasses and looking at the camera
    Jonathan Weinert forscht und schreibt seit seinem Einstieg bei Signify im Jahr 2008 über LED-Beleuchtung und das Internet der Dinge. Er ist auf professionell vernetzte Beleuchtungssysteme spezialisiert und beschäftigt sich mit den Themen Smart Cities, Smart Buildings und weiteren globalen Trends rund um das IoT.

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