Drahtloses Breitband-Mesh-Netzwerk

Beschreibung

Die Konnektivität von Broadband Wireless Mesh Network (B-WMN) ist zu einem der wichtigsten Aspekte der Smart City-Infrastruktur geworden. Trotz der vielen verfügbaren Glasfaserkabel in städtischen Umgebungen ist die Bereitstellung einer kabelgebundenen Infrastruktur für jeden digitalen Dienst ein kostspieliges Unterfangen, das eine sorgfältige Planung erfordert und oft zu statischen, unflexiblen Strukturen führt. Die schnelle und flexible Bereitstellung von Lösungen verursacht erhebliche Störungen des öffentlichen Lebens und hohe Kosten. B-WMNs zielen darauf ab, diese Probleme zu überwinden, indem sie den Bedarf an kabelgebundener Infrastruktur minimieren und/oder eliminieren und bestehende städtische Infrastrukturen als Plattformen für ihren Einsatz nutzen (Egners et al., 2013).

B-WMNs haben niedrige Installations- und Wartungskosten und erleichtern die Verbindung zu jedem möglichen Standort in städtischen oder ländlichen Umgebungen, unabhängig von der Komplexität der Reichweite. Es gibt verschiedene Anwendungen für B-WMNs, wie z.B. Digital Home, Breitband-Internetzugang, Gebäudeautomatisierung, Gesundheits- und medizinische Systeme sowie Notfall- und Katastrophenvernetzung (Salah & Salleh, 2013). Beamte der öffentlichen Hand können B-WMNs zur Überwachung ihrer Wasser- und Stromversorgung einsetzen, indem sie ein drahtloses Mesh-Netzwerk in Abwasserkanälen, Wasseraufbereitungsanlagen oder Generatoren installieren. Mitarbeiter der öffentlichen Sicherheit können sichere virtuelle Netzwerke nutzen, um in Kontakt zu bleiben. Mesh-Knoten können auch an Straßenlaternen, Ampeln und anderen beweglichen Objekten angebracht werden, so dass im Notfall mehrere Geräte mit dem Mesh-Netzwerk verbunden werden können (BasuMallick, 2022).

B-WMN ist eine Infrastruktur, die aus einem Netzwerk von Routern besteht, die drahtlos mit Gigabit-Geschwindigkeiten (glasfaserähnlich) miteinander kommunizieren. Es besteht aus Funkknoten, die nicht wie herkömmliche drahtlose Zugangspunkte an einen kabelgebundenen Anschluss angeschlossen werden müssen (Parvin, 2019). B-WMNs haben als attraktives Mittel zur Bereitstellung einer weit verbreiteten Konnektivität in Ergänzung zum Zugang, der von regulären Internetdienstanbietern (ISPs) angeboten wird, zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Die Mesh-Topologie von B-WMNs bietet eine hohe Flexibilität, eine Zuverlässigkeit von bis zu 99,999% und eine Latenzzeit von weniger als 2 ms. Dies ist ideal für Echtzeitanwendungen mit hoher Bandbreite und führt zu einer physischen Infrastruktur, die ein flexibles Routing und Transportverbindungen ermöglicht (Matos et al., 2011).

B-WMN-Infrastruktur in städtischen Gebieten (Cilfone et al., 2019)

Zu lösende Probleme

Wertschöpfungsmodell

Vorteile eines drahtlosen Breitband-Maschennetzes (BABLE, 2022)

Kosten eines drahtlosen Breitband-Maschennetzes (BABLE, 2022)

Stadtkontext

Insbesondere kann eine intelligente Stadt als ein Zusammenschluss vieler "Teilnetze" modelliert werden, von denen jedes für einen bestimmten Aspekt der Gesamtüberwachung der Stadt zuständig ist und auf der Verwendung mehrerer Kommunikationssysteme mit heterogenen Technologien beruht (Cilfone et al., 2019).

Über ein drahtloses Breitband-Maschennetz kommuniziert jeder Knoten mit jedem anderen Knoten, und jeder Knoten empfängt Daten von einem Knoten, während er Daten an den nächsten Knoten weiterleitet. Zu den Faktoren, die Städte vor dem Einsatz von B-WMNs berücksichtigen sollten, gehören:

• Stadtmobiliar: Das Vorhandensein von Stadtmobiliar erleichtert die Einrichtung von B-WMNs, z. B. Straßenlaternen und Ampeln.
• Sichtlinie: Breitband-Mesh-Netzwerke, die im mmWave-Bereich (einschließlich 60 GHz) betrieben werden, benötigen ein Übertragungsmedium mit Sichtverbindung, d.h. das Sende- und Empfangsende der Verbindung müssen gegenseitig sichtbar sein, um die Übertragung zu gewährleisten. Bäume, Gebäude und andere Hindernisse zwischen dem Sende- und dem Empfangsende verringern die Zuverlässigkeit oder machen die Verbindung ganz unmöglich. Daher ist eine fortschrittliche Planung der Sichtverbindung zwischen den Standorten bei jedem Bau unerlässlich(Perrin, 2020).
• Klimatische Bedingungen: Sie sind von Region zu Region unterschiedlich und die Topographie variiert von Strecke zu Strecke. Daher sollte eine sorgfältige Standortplanung durchgeführt werden, um alle bestehenden Einschränkungen aufgrund des lokalen Kontextes zu verstehen.
• Normen und Vorschriften: Die von den zuständigen zentralen Behörden und Regulierungsbehörden festgelegten Standards sollten überprüft werden, um ihre Einhaltung sicherzustellen.

Unterstützende Faktoren

Zu den unterstützenden Faktoren für B-WMNs gehören:

• Einfacher Aufbau: Mit Zugang zu Strom und Masten kann die Installation und Inbetriebnahme in weniger als 30 Minuten erfolgen, verglichen mit monatelangen Installationszeiten für neue Glasfaser- oder andere kabelgebundene Netzwerke.
• Verbesserter Datenzugang: Skalierbares Datennetz, das WiFi, privates LTE/5G und festen drahtlosen Zugang ermöglicht
• Bessere Erkennung: Kameras, Sensoren für Gesundheit und Umwelt, Verkehrsmanagement, etc.
• Besserer Datentransport: Oberirdische Transportnetzwerke
• Anwendungen der nahen Zukunft: Autonome Fahrzeuge und Drohnennetzwerke für die vorausschauende Pflege

Regierungsinitiativen

Zu den Regierungsinitiativen, die den Einsatz von Technologien unterstützen, die Hochgeschwindigkeitsverbindungen und digitalen Zugang ermöglichen, gehören:

• Die Digitale Strategie der EU: Die Strategie der Europäischen Kommission zur Gestaltung der digitalen Zukunft Europas. In den nächsten fünf Jahren wird sich die Kommission auf drei Hauptziele konzentrieren, um sicherzustellen, dass digitale Lösungen Europa dabei helfen, seinen eigenen Weg zu einer digitalen Transformation zu gehen, die den Menschen zugute kommt. Dazu gehören: 1) Entwicklung und Einsatz von Technologien, die für die Menschen arbeiten 2) Eine faire und wettbewerbsfähige Wirtschaft - ein reibungsloser Binnenmarkt, in dem Unternehmen aller Größen und Branchen zu gleichen Bedingungen miteinander konkurrieren können 3) Eine offene, demokratische und nachhaltige Gesellschaft - ein vertrauenswürdiges Umfeld, in dem die Bürger die Möglichkeit haben, selbst zu entscheiden, wie sie handeln und interagieren und welche Daten sie online und offline bereitstellen(Europäische Kommission).
• Programm Digitales Europa: das neue EU-Finanzierungsprogramm, das sich darauf konzentriert, Unternehmen, Bürgern und öffentlichen Verwaltungen digitale Technologien zugänglich zu machen. Es zielt darauf ab, den wirtschaftlichen Aufschwung zu beschleunigen und die digitale Transformation der europäischen Gesellschaft und Wirtschaft zu gestalten, wovon alle profitieren, insbesondere aber kleine und mittlere Unternehmen. Im Rahmen dieses Programms werden Projekte in fünf wichtigen Kapazitätsbereichen unterstützt: Supercomputing, künstliche Intelligenz, Cybersicherheit, fortgeschrittene digitale Fähigkeiten und die Sicherstellung einer breiten Nutzung digitaler Technologien in Wirtschaft und Gesellschaft, unter anderem durch digitale Innovationszentren(Europäische Kommission).
• Initiative Internet der nächsten Generation (NGI): Eine europäische Initiative, die darauf abzielt, das künftige Internet als interoperables Plattform-Ökosystem zu gestalten, das die Werte verkörpert, die Europa am Herzen liegen: Offenheit, Einbeziehung, Transparenz, Datenschutz, Zusammenarbeit und Schutz von Daten(Europäische Kommission). Die NGI wird die technologische Revolution vorantreiben und die schrittweise Übernahme fortschrittlicher Konzepte und Methoden in den Bereichen künstliche Intelligenz, Internet der Dinge, interaktive Technologien und mehr sicherstellen und gleichzeitig dazu beitragen, dass das künftige Internet stärker auf den Menschen ausgerichtet ist.
• Die EU-Breitbandstrategie: Die Europäische Kommission unterstützt Unternehmen, Projektmanager und Behörden in der EU dabei, die Netzabdeckung zu verbessern, um die Ziele der EU für die Gigabit-Gesellschaft zu erreichen. Broadband Europe fördert die Strategie der Kommission zur Konnektivität für eine europäische Gigabit-Gesellschaft bis 2025 sowie die Vision der Digitalen Dekade für die digitale Transformation Europas bis 2030, um die europäischen Bürger und Unternehmen mit sehr leistungsfähigen Netzen zu verbinden, die allen Bürgern und Unternehmen in der EU innovative Produkte, Dienstleistungen und Anwendungen ermöglichen(Europäische Kommission).

Stakeholder Mapping

Stakeholder-Karte für ein B-WMN-System (BABLE, 2022)

Marktpotenzial

Der globale Markt für intelligente Städte wurde 2019 auf 392,9 Mrd. USD geschätzt und wird bis 2030 voraussichtlich 1380,21 Mrd. USD erreichen, mit einer CAGR von 12,1 % zwischen 2020 und 2030 (NMSC, 2022). Städte und Bürger fordern eine bessere Konnektivität. WMN als Smart-City-Lösung, die aus einem auf mehrere drahtlose Mesh-Knoten verteilten Kommunikationsnetz besteht, erfüllt diese Nachfrage. Diese Netzwerktechnologien bieten einen erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen drahtlosen Netzwerken, da sie außer dem Quellknoten keine Ethernet-Kabel oder irgendeine Form der physischen Verkabelung benötigen. Das drahtlose Mesh-Netzwerk ist selbstkonfigurierend und ermöglicht die automatische Integration neuer Mesh-Knoten, ohne dass eine Netzwerkverwaltung erforderlich ist. (Global Market Insights, 2019).

Der Markt für drahtlose Mesh-Netzwerke überstieg im Jahr 2019 die Marke von 2 Milliarden USD und wird zwischen 2020 und 2026 mit einer durchschnittlichen Wachstumsrate von über 15 % wachsen. Das Marktwachstum ist auf die zunehmende Akzeptanz von drahtlosen Mesh-Netzwerken aufgrund ihrer zuverlässigen Netzwerkfähigkeiten einschließlich schnellerer Datenübertragung und einfacher Netzwerkeinrichtung zurückzuführen (Global Market Insights, 2019).

Marktpotenzial (Global Market Insights, 2019), Bild geändert von BABLE.

Kostenstruktur

Laut Heavy Reading(Perrin, 2020) ist 60 GHz sowohl im Vergleich zu Glasfaser bis zum Haus (FTTP) als auch zu lizenzierten mmWave-Spektrum-Optionen günstig - obwohl die Kosten für die Ausrüstung selbst in beiden Fällen nicht der primäre Faktor sind. Ovum schätzt, dass in Ländern mit hohen Arbeitskosten die Kosten für den Aufbau des Netzes 80 % oder mehr der Gesamtkosten für FTTP-Netze ausmachen können. Die Daten der U.S. Federal Communications Commission (FCC) für die Glasfaserkosten pro Meile reichen von 20.000 $ bis 100.000 $ und mehr, je nachdem, ob die Glasfaser über Antennen, bestehende Leerrohre oder komplett neu verlegt wird. Dennoch glaubt Heavy Reading, dass die meisten Entscheidungen zwischen Glasfaser und mmWave nicht auf einer Kostenanalyse beruhen werden.

Vielmehr werden sich die Betreiber für mmWave entscheiden, wenn Glasfaser einfach nicht in Frage kommt oder wenn eine schnelle Markteinführung ein wichtiger Faktor ist. Wie bereits erwähnt, kann der Bau von Glasfaserkabeln mehrere Monate oder sogar Jahre dauern, wenn man den Zeitrahmen für Genehmigungen und städtische Zulassungen berücksichtigt. Vergleicht man die unlizenzierten 60-GHz-Bänder mit den lizenzierten mmWave-Bändern, so werden die Kosten für die Ausrüstung durch den größten Kostenfaktor bei der Nutzung lizenzierter Frequenzen in den Schatten gestellt - die Kosten für die Lizenzen selbst. Die Versteigerungen der 24-GHz- und 28-GHz-Frequenzen in den USA erbrachten Einnahmen in Höhe von 2,7 Milliarden Dollar, hauptsächlich von Tier-1-Mobilfunkbetreibern(Perrin, 2020).

Die Kostenstruktur im Zusammenhang mit der Einrichtung eines drahtlosen Breitband-Maschennetzes ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Kostenstruktur für die B-WMN-Einführung (BABLE, 2022)

Betriebsmodelle

Betriebsmodelle für B-WMNs (Egners, 2014).

Rechtliche Anforderungen

• Richtlinie 2013/752/EU: Das Hauptziel des Grundsatzdokuments besteht darin, die Sendeleistung einzuschränken, um sicherzustellen, dass sie andere drahtlose Geräte nicht stört. Für Geräte mit geringer Reichweite, die im Frequenzband von 57 GHz bis 66 GHz betrieben werden, gilt eine Beschränkung auf 40 dBm äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) und 13 dBm/MHz EIRP-Dichte. Festinstallationen im Freien sind von der Einhaltung dieser Beschränkungen ausgenommen. Darüber hinaus wird sichergestellt, dass diese Geräte mit geringer Reichweite nicht zu einer ernsthaften Störquelle für Backhaul-Verbindungen im Frequenzband 57 GHz bis 64 GHz werden.
• ECC/REC/(09)01: Der Ausschuss für elektronische Kommunikation (ECC) innerhalb der Europäischen Konferenz der Verwaltungen für Post und Telekommunikation (CEPT) gibt einige Empfehlungen für die Nutzung des 57-64-GHz-Frequenzbandes für drahtlose Punkt-zu-Punkt-Systeme. Sie enthält auch Anforderungen an die äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) für feste Punkt-zu-Punkt-Systeme, die in diesem Frequenzbereich betrieben werden.
• ETSI EN 302 217-2: Harmonisierte europäische Norm für feste Funksysteme; Merkmale und Anforderungen für Punkt-zu-Punkt-Geräte und -Antennen; digitale Systeme, die in den Frequenzbändern 1,3 GHz bis 86 GHz betrieben werden; und harmonisierte Normen, die die grundlegenden Anforderungen von Artikel 3.2 der Richtlinie 2014/53/EU abdecken.
• Vereinigtes Königreich: Im Jahr 2010 genehmigte das britische Amt für Kommunikation (OFCOM) die unlizenzierte Nutzung des 57-64-GHz-Spektrums. Obwohl die Frequenzzuteilung dem Standard der Federal Communications Commission folgt (maximale EIRP von +55 dBm), sind die maximale leitungsgebundene Leistung von +10 dBm und der Mindestantennengewinn von +30 dBi dem europäischen ETSI-Standard nachempfunden.

Daten und Standards

• WiGig-Standard: Er wird auch als 60-GHz-Wi-Fi bezeichnet und bezieht sich auf eine Reihe von drahtlosen 60-GHz-Netzwerkprotokollen. Er umfasst den IEEE 802.11ad Standard und den IEEE 802.11ay Standard. Die WiGig-Spezifikation ermöglicht die kabellose Kommunikation von Geräten mit Multi-Gigabit-Geschwindigkeiten. Sie ermöglicht leistungsstarke drahtlose Daten-, Anzeige- und Audioanwendungen, die die Möglichkeiten bisheriger drahtloser LAN-Geräte ergänzen.
• WirelessHD-Standard: Er wird auch als UltraGig bezeichnet und ist ein proprietärer Standard von Silicon Image (ursprünglich SiBeam) für die drahtlose Übertragung von hochauflösenden Videoinhalten für Produkte der Unterhaltungselektronik. Er basiert auf einem 7-GHz-Kanal im 60-GHz-Extrem-Hochfrequenz-Funkband. Es ermöglicht entweder eine leicht komprimierte (proprietärer Wireless Link-aware Codec) oder eine unkomprimierte digitale Übertragung von hochauflösenden Video-, Audio- und Datensignalen und entspricht damit im Wesentlichen einem drahtlosen HDMI.
• IEEE 802.15.3c: Der erste drahtlose IEEE-Standard im 60-GHz-Band (mm-Welle). Er bietet drei Physical-Layer-Modi (PHY) für bestimmte Marktsegmente mit obligatorischen Datenraten von mehr als 1 Gb/s. Während der Entwicklung des Standards wurden auch neue Beiträge zur drahtlosen Kommunikationstechnologie geleistet, darunter ein neues Kanalmodell, ein Codebuch-basiertes Beamforming-Verfahren und eine Aggregationsmethode mit niedriger Latenz.
• ETSI ISG-Spezifikationen für die mm-Wellenübertragung (MWT): Das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen hat mehrere White Papers und Gruppenspezifikationen veröffentlicht und die weltweiten Vorschriften für das V-Band (57 bis 66 GHz) und das E-Band (71 bis 86 GHz), die technologische Reife, Anwendungen und Anwendungsfälle der Millimeterwellenübertragung untersucht.