Drahtloses Breitband-Mesh-Netzwerk

Beschreibung

Die Konnektivität über drahtlose Breitband-Mesh-Netzwerke (B-WMN) ist zu einem der wesentlichen Aspekte der Smart-City-Infrastruktur geworden. Trotz der weitreichenden Verfügbarkeit von Glasfaserleitungen in städtischen Gebieten ist die Bereitstellung einer kabelgebundenen Infrastruktur für digitale Dienste ein kostspieliges Unterfangen, das eine sorgfältige Planung erfordert und häufig zu statischen, unflexiblen Strukturen führt. Die schnelle und flexible Bereitstellung von Lösungen führt zu erheblichen Beeinträchtigungen des öffentlichen Lebens und verursacht hohe Kosten. B-WMNs zielen darauf ab, diese Probleme zu überwinden, indem sie den Bedarf an kabelgebundener Infrastruktur minimieren und/oder beseitigen und bestehende städtische Infrastrukturen als Plattformen für ihre Bereitstellung nutzen (Egners et al., 2013).

B-WMNs weisen geringe Installations- und Wartungskosten auf und ermöglichen die Anbindung an jeden denkbaren Standort in städtischen oder ländlichen Gebieten, unabhängig von der Komplexität der Erreichbarkeit. Es gibt zahlreiche Anwendungsbereiche für B-WMNs, darunter das digitale Zuhause, Breitband-Internetzugang, Gebäudeautomation, Gesundheits- und Medizinsysteme sowie Notfall- und Katastrophennetzwerke (Salah & Salleh, 2013). Mitarbeiter öffentlicher Versorgungsbetriebe können B-WMNs zur Überwachung ihrer Wasser- und Stromversorgung nutzen, 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 zudem an Straßenlaternen, Ampeln und anderen beweglichen Objekten angebracht werden; dies schafft die Möglichkeit, im Notfall mehrere Geräte an das Mesh-Netzwerk anzuschließen (BasuMallick, 2022).

Ein B-WMN ist eine Infrastruktur, die aus einem Netzwerk von Routern besteht, die drahtlos mit Gigabit-Geschwindigkeiten (ähnlich wie Glasfaser) miteinander kommunizieren. Es besteht aus Funkknoten, die nicht wie herkömmliche WLAN-Zugangspunkte an einen kabelgebundenen Anschluss angeschlossen werden müssen (Parvin, 2019). B-WMNs finden zunehmend Beachtung als attraktives Mittel zur Bereitstellung flächendeckender Konnektivität als Ergänzung zu den von regulären Internetdienstanbietern (ISPs) angebotenen Zugängen. Die Mesh-Topologie von B-WMNs bietet hohe Flexibilität, eine Zuverlässigkeit von bis zu 99,999 % und eine Latenz von unter 2 ms – ideal für Echtzeitanwendungen mit hoher Bandbreite –, was zu einer physikalischen Infrastruktur führt, die flexible 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-Mesh-Netzwerks (BABLE, 2022)

Kosten eines drahtlosen Breitband-Mesh-Netzwerks (BABLE, 2022)

Stadtkontext

Insbesondere lässt sich eine Smart City als Zusammenschluss vieler „Teilnetzwerke“ modellieren, von denen jedes für die Abwicklung eines bestimmten Aspekts der städtischen Gesamtüberwachung zuständig ist und auf den Einsatz mehrerer Kommunikationssysteme mit heterogenen Technologien zurückgreift (Cilfone et al., 2019).

Über ein drahtloses Breitband-Mesh-Netzwerk (B-WMN) kommuniziert jeder Knoten mit jedem anderen Knoten, wobei jeder Knoten Daten von einem Knoten empfängt und gleichzeitig Daten an den nächsten Knoten weiterleitet. Zu den Faktoren, die Städte vor dem Einsatz von B-WMNs berücksichtigen müssen, gehören:

• Stadtmobiliar: Das Vorhandensein von Stadtmobiliar erleichtert den Aufbau von B-WMNs, z. B. Straßenlaternen und Ampeln.
• Sichtverbindung: Ein im Millimeterwellenbereich (einschließlich 60 GHz) betreibendesBreitband -Mesh-Netzwerk erfordert ein Übertragungsmedium mit Sichtverbindung, was bedeutet, dass sich die Sende- und Empfangsseite der Verbindung gegenseitig sehen müssen, um die Übertragung zu gewährleisten. Bäume, Gebäude und andere Hindernisse zwischen Sender und Empfänger beeinträchtigen die Zuverlässigkeit oder unterbrechen die Verbindung gänzlich. Daher ist eine sorgfältige Planung der Sichtverbindung zwischen den Standorten bei jedem Aufbau von entscheidender Bedeutung (Perrin, 2020).
• Klimabedingungen: Diese variieren von Region zu Region, und die Topografie unterscheidet sich von Strecke zu Strecke. Daher sollte eine sorgfältige Standortplanung durchgeführt werden, um etwaige bestehende Einschränkungen auf der Grundlage der örtlichen Gegebenheiten zu erfassen.
• Normen und Vorschriften: Die von den zuständigen zentralen Behörden und Regulierungsstellen festgelegten Normen sollten überprüft werden, um deren Einhaltung sicherzustellen.

Unterstützende Faktoren

Zu den Faktoren, die für B-WMNs sprechen, gehören:

• Einfache Bereitstellung: Dank des Zugangs zu Strom und Masten können die Installation vor Ort und die Inbetriebnahme in weniger als 30 Minuten erfolgen – im Gegensatz zu monatelangen Installationszeiten für die Verlegung neuer Glasfaserkabel oder anderer kabelgebundener Netzwerke
• Verbesserter Datenzugang: Skalierbares Datennetzwerk, das WLAN, privates LTE/5G und Fixed Wireless Access ermöglicht
• Bessere Sensorik: Kameras, Sensoren für Gesundheit und Umwelt, Verkehrsmanagement usw.
• Besserer Datentransport: Oberirdische Transportnetze
• Anwendungen in naher Zukunft: Autonome Fahrzeuge und Drohnennetzwerke für die prädiktive Gesundheitsversorgung

Regierungsinitiativen

Zu den staatlichen Initiativen, die den Einsatz von Technologien zur Ermöglichung von Hochgeschwindigkeitsverbindungen und digitalem Zugang fördern, 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 unterstützen, seinen eigenen Weg zu einer digitalen Transformation zu beschreiten, die zum Wohle der Menschen erfolgt. Dazu gehören: 1) Die Entwicklung und Einführung von Technologien, die den Menschen zugutekommen 2) Eine faire und wettbewerbsfähige Wirtschaft – ein reibungsloser Binnenmarkt, in dem Unternehmen jeder Größe und aus jedem Sektor unter gleichen Bedingungen konkurrieren können 3) Eine offene, demokratische und nachhaltige Gesellschaft – ein vertrauenswürdiges Umfeld, in dem die Bürger selbstbestimmt handeln und interagieren können und über die von ihnen sowohl online als auch offline bereitgestellten Daten verfügen (Europäische Kommission).
• Programm „Digitales Europa“: Das neue EU-Förderprogramm konzentriert sich darauf, digitale Technologien für Unternehmen, Bürger und öffentliche Verwaltungen zugänglich zu machen. Es zielt darauf ab, die wirtschaftliche Erholung zu beschleunigen und den digitalen Wandel der europäischen Gesellschaft und Wirtschaft zu gestalten, wovon alle profitieren sollen, insbesondere jedoch kleine und mittlere Unternehmen. Im Rahmen dieses Programms werden Projekte in fünf zentralen Kompetenzbereichen gefördert: Supercomputing, künstliche Intelligenz, Cybersicherheit, fortgeschrittene digitale Kompetenzen sowie die Gewährleistung einer breiten Nutzung digitaler Technologien in Wirtschaft und Gesellschaft, unter anderem durch digitale Innovationszentren (Europäische Kommission).
• Initiative „Next Generation Internet“ (NGI): Eine europäische Initiative, die darauf abzielt, das Internet der Zukunft als ein interoperables Plattform-Ökosystem zu gestalten, das die Werte verkörpert, die Europa am Herzen liegen: Offenheit, Inklusivität, Transparenz, Datenschutz, Zusammenarbeit und Schutz der Daten (Europäische Kommission). Die NGI wird die technologische Revolution vorantreiben und die schrittweise Einführung fortschrittlicher Konzepte und Methoden sicherstellen, die die Bereiche künstliche Intelligenz, das Internet der Dinge, interaktive Technologien und mehr umfassen, und gleichzeitig dazu beitragen, das Internet der Zukunft stärker auf den Menschen auszurichten.
• Die EU-Breitbandstrategie: Die Europäische Kommission unterstützt EU-Unternehmen, Projektleiter und Behörden dabei, die Netzabdeckung zu erhöhen, um die Ziele der EU im Hinblick auf eine „Gigabit-Gesellschaft“ zu erreichen. „Broadband Europe“ fördert die Strategie der Kommission zur Konnektivität für eine europäische Gigabit-Gesellschaft bis 2025 sowie die im Rahmen der „Digitalen Dekade für Europa“ festgelegte Vision für den digitalen Wandel bis 2030, um europäische Bürger und Unternehmen mit Netzwerken mit sehr hoher Kapazität zu verbinden, wodurch innovative Produkte, Dienste und Anwendungen für alle Bürger und Unternehmen in der gesamten EU ermöglichen (Europäische Kommission).

Stakeholder Mapping

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

Marktpotenzial

Der weltweite Markt für Smart Cities wurde im Jahr 2019 auf 392,9 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2030 ein Volumen von 1.380,21 Milliarden US-Dollar erreichen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 12,1 % im Zeitraum 2020–2030 (NMSC, 2022). Städte und Bürger verlangen nach besserer Konnektivität. WMN als Smart-City-Lösung, bestehend aus einem Kommunikationsnetzwerk, das auf mehrere drahtlose Mesh-Knoten verteilt ist, erfüllt diese Anforderung. Diese Netzwerktechnologien bieten einen erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen drahtlosen Netzwerken, da sie – mit Ausnahme des Quellknotens – keine Ethernet-Kabel oder sonstige physische Verkabelung benötigen. Das drahtlose Mesh-Netzwerk konfiguriert sich selbst und ermöglicht so die automatische Integration neuer Mesh-Knoten, ohne dass eine Netzwerkadministration erforderlich ist. (Global Market Insights, 2019).

Das Marktvolumen für drahtlose Mesh-Netzwerke überstieg im Jahr 2019 2 Milliarden US-Dollar und wird zwischen 2020 und 2026 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von über 15 % wachsen. Das Marktwachstum ist auf die zunehmende Verbreitung von drahtlosen Mesh-Netzwerken zurückzuführen, die sich durch zuverlässige Netzwerkfunktionen wie eine schnellere Datenübertragung und eine einfachere Netzwerkbereitstellung auszeichnen (Global Market Insights, 2019).

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

Kostenstruktur

Laut Heavy Reading (Perrin, 2020) schneidet die 60-GHz-Technologie sowohl im Vergleich zu „Fibre-to-the-Premises“ (FTTP) als auch zu lizenzierten mmWave-Frequenzoptionen gut ab – wobei die Kosten für die Ausrüstung selbst in keinem der beiden Fälle der entscheidende Faktor sind. Bei FTTP-Ausbauten schätzt Ovum, dass in Ländern mit hohen Arbeitskosten die Kosten für den Netzausbau 80 % oder mehr der gesamten FTTP-Netzkosten ausmachen können. So schwanken beispielsweise die Daten der US-amerikanischen Federal Communications Commission (FCC) zu den Glasfaserverlegungskosten pro Meile stark zwischen 20.000 und über 100.000 US-Dollar, je nachdem, ob es sich um Freileitungen, bestehende Leitungskanäle oder komplett neue Verlegungen handelt. Dennoch geht Heavy Reading davon aus, dass die meisten Entscheidungen zwischen Glasfaser und mmWave nicht auf einer Kostenanalyse basieren werden.

Vielmehr werden sich Netzbetreiber für mmWave entscheiden, wenn Glasfaser schlichtweg keine Option ist oder wenn eine schnelle Markteinführung ein entscheidender Faktor ist. Wie bereits erwähnt, können Glasfaserausbauprojekte angesichts der Fristen für Genehmigungen und städtische Zulassungen mehrere Monate bis hin zu Jahren in Anspruch nehmen. Vergleicht man die lizenzfreien 60-GHz-Frequenzbänder mit den lizenzierten mmWave-Frequenzbändern, so werden die Kosten für die Ausrüstung durch den mit Abstand größten Kostenfaktor bei der Nutzung lizenzierter Frequenzen in den Schatten gestellt – nämlich die Kosten für die Lizenzen selbst. Auktionen für 24-GHz- und 28-GHz-Frequenzen in den USA erzielten Einnahmen in Höhe von 2,7 Milliarden US-Dollar, die vorwiegend von Tier-1-Mobilfunkbetreibern stammten (Perrin, 2020).

Die Kostenstruktur im Zusammenhang mit dem Aufbau eines drahtlosen Breitband-Mesh-Netzwerks ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Kostenstruktur für den Aufbau eines B-WMN (BABLE, 2022)

Betriebsmodelle

Betriebsmodelle für B-WMNs (Egners, 2014).

Rechtliche Anforderungen

• Richtlinie 2013/752/EU: Das Hauptziel des Strategiepapiers besteht darin, die Sendeleistungen so zu begrenzen, dass keine Störungen bei anderen drahtlosen Geräten auftreten. Für Kurzstreckengeräte, die im Frequenzband von 57 GHz bis 66 GHz betrieben werden, gelten Beschränkungen auf eine äquivalente isotrop ausgestrahlte Leistung (EIRP) von 40 dBm und eine EIRP-Dichte von 13 dBm/MHz. Feste Außenanlagen sind von der Einhaltung dieser Beschränkungen ausgenommen. Darüber hinaus soll sichergestellt werden, dass diese Kurzstreckengeräte keine ernsthafte Störquelle für Backhaul-Verbindungen im Frequenzband von 57 GHz bis 64 GHz darstellen.
• ECC/REC/(09)01: Der Ausschuss für elektronische Kommunikation (ECC) innerhalb der Europäischen Konferenz der Post- und Telekommunikationsverwaltungen (CEPT) gibt einige Empfehlungen zur Nutzung des Frequenzbands von 57–64 GHz für feste Punkt-zu-Punkt-Funkverbindungen. Außerdem legt es Anforderungen an die äquivalente isotrop ausgestrahlte Leistung (EIRP) für feste Punkt-zu-Punkt-Systeme fest, die in diesem Frequenzbereich betrieben werden.
• ETSI EN 302 217-2: Harmonisierte europäische Norm für ortsfeste Funksysteme; Eigenschaften und Anforderungen an Punkt-zu-Punkt-Geräte und -Antennen; digitale Systeme, die in den Frequenzbändern von 1,3 GHz bis 86 GHz betrieben werden; sowie harmonisierte Normen, die die grundlegenden Anforderungen von Artikel 3.2 der Richtlinie 2014/53/EU abdecken.
• Vereinigtes Königreich: Im Jahr 2010 genehmigte die britische Kommunikationsbehörde (OFCOM) die lizenzfreie Nutzung des Frequenzbereichs von 57–64 GHz. Obwohl die Frequenzzuweisung dem Standard der Federal Communications Commission (maximale EIRP von +55 dBm) folgt, orientieren sich die maximale leitungsgebundene Leistung von +10 dBm und der Mindestantennengewinn von +30 dBi am europäischen ETSI-Standard.

Daten und Standards

• WiGig-Standard: Er ist auch als 60-GHz-WLAN bekannt und bezeichnet eine Reihe von Protokollen für drahtlose Netzwerke im 60-GHz-Bereich. Dazu gehören der Standard IEEE 802.11ad und der Standard IEEE 802.11ay. Die WiGig-Spezifikation ermöglicht es Geräten, drahtlos mit Geschwindigkeiten im Multi-Gigabit-Bereich zu kommunizieren. Sie ermöglicht leistungsstarke drahtlose Daten-, Bildschirmin- und Audioanwendungen, die die Funktionen früherer WLAN-Geräte ergänzen.
• WirelessHD-Standard: Er ist auch als UltraGig bekannt und stellt einen proprietären Standard von Silicon Image (ursprünglich SiBeam) für die drahtlose Übertragung von hochauflösenden Videoinhalten für Unterhaltungselektronikprodukte dar. Er basiert auf einem 7-GHz-Kanal im 60-GHz-Extremhochfrequenzband. Er ermöglicht entweder eine leicht komprimierte (proprietärer, link-aware Codec) oder eine unkomprimierte digitale Übertragung von hochauflösenden Video-, Audio- und Datensignalen, wodurch er im Wesentlichen einem drahtlosen HDMI entspricht.
• IEEE 802.15.3c: Der erste drahtlose Standard des IEEE im 60-GHz-Band (Millimeterwellen). Er bietet drei Modi der physikalischen Schicht (PHY) für spezifische Marktsegmente, wobei die vorgeschriebenen Datenraten 1 Gb/s übersteigen. Im Verlauf der Standardentwicklung wurden zudem neue Beiträge zur drahtlosen Kommunikationstechnologie geleistet, darunter ein neues Kanalmodell, ein auf Codebüchern basierendes Beamforming-Verfahren sowie eine Aggregationsmethode mit geringer Latenz.
• ETSI-ISG-Spezifikationen für die Millimeterwellenübertragung (MWT): Das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI) hat mehrere Whitepaper und Gruppenspezifikationen veröffentlicht und die weltweiten Vorschriften für das V-Band (57 bis 66 GHz) und das E-Band (71 bis 86 GHz) sowie den Reifegrad der Technologie, Anwendungen und Anwendungsfälle der Millimeterwellenübertragung untersucht.