Lichtmaste als Netzwerkknoten

Um Städte sicherer, sauberer und attraktiver zu machen, müssen vielfältige Informationen erfasst, übertragen und verarbeitet werden. Dazu ist eine flächendeckende, engmaschige Netzwerkinfrastruktur erforderlich, die auf Glasfasern basiert und Gigabit-Geschwindigkeit unterstützt. Mit moderner Datenkommunikationstechnik lassen sich die überall bereits vorhandenen Lichtmaste in Städten so aufrüsten, dass sie als Knotenpunkte dieser Infrastruktur dienen können (Bild 1).

Das Konzept der Smart City umfasst das Verkehrswesen und die Energieversorgung wie auch die Bereiche Gesundheit, Bildung und öffentliche 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 effizientere staatliche Dienstleistungen für Bürger und Unternehmen.

Weil in der intelligenten Stadt alles mit allem vernetzt ist, müssen große Datenmengen in Echtzeit über weite Entfernungen übertragen werden. Dazu braucht es eine leistungsfähige, auf Single- oder Multimode-Glasfasern basierende Netzwerkinfrastruktur. Denn diese Fasern ermöglichen Datenraten von über 40 Gbit/s und Distanzen von rund 100 km und mehr.

Anbindung von Endgeräten via Ethernet

Da Licht weder durch elektrische noch magnetische Felder beeinflusst wird, können Glasfasern auch in unmittelbarer Nähe von Stromleitungen oder anderen elektromagnetischen Störquellen verlegt werden. Außerdem sind sie aus elektrisch nicht leitfähigem Material, das heißt, die Daten werden immer über einen elektrischen Isolator übertragen, sodass keine Potentialausgleichsströme auftreten können. Auch bei einem Blitzeinschlag in die Verkabelung besteht kein Zerstörungsrisiko für die angeschlossenen Geräte.

Die passive Netzwerkinfrastruktur ist aber nur eine Seite der Medaille. Denn für die Übertragung der Daten von A nach B sind aktive Netzwerkkomponenten erforderlich. Weil Ethernet für die Datenkommunikation der Smart City eine ebenso wichtige Rolle spielen wird wie bei Industrie 4.0, sind Switches ein zentraler Baustein. Sie stellen ein Budget (Differenz aus Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit) zur Verfügung, mit dem die auf der jeweiligen Strecke vorhandene Dämpfung überbrückt werden kann. Außerdem wandeln sie die optischen Signale in elektrische Signale um und leiten diese an IP-fähige (Internet Protocol) Endgeräte weiter. Das können beispielsweise Überwachungskameras, Umweltsensoren oder Access Points für WLAN-Hotspots sein.

Technische Voraussetzungen für Smart Cities

Seit mehreren Jahren beschäftigen sich internationale Standardisierungsorganisationen mit den technischen Voraussetzungen für die intelligente Stadt. Mit der Deutschen Kommission Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (DKE) und dem Deutschen Institut für Normung (DIN) gehört Deutschland zu den Gründungsmitgliedern der Systems Evaluation Group (SEG) Smart Cities innerhalb der Internationalen Elek­trotechnischen Kommission (IEC). Nationale Orientierungshilfen sind etwa die DIN SPEC 91340:2016-10 und die DIN SPEC 91347:2018-03. 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.

Die DIN SPEC 91340:2016-10 definiert Begriffe für eine intelligente urbane Mobilität und dient als Leitfaden für die nächsten Planungsschritte, technischen Entwicklungen und Dienstleistungsangebote. Beschrieben werden u. a. innovative Mobilitätsformen wie das automatisierte Fahren, die Kommunikation von Fahrzeugen untereinander und intelligente Parkmanagementsysteme, aber auch Infrastrukturmaßnahmen.

Straßenbeleuchtung als Trägerinfrastruktur

Zu diesen Maßnahmen gehören integrierte multifunktionale Lichtmaste (so genannte »Humble Lampposts«), auf die in der DIN SPEC 91347:2018-03 eingegangen wird. Integrierte multifunktionale Lichtmaste sind modular konstruiert und können mit Funktionselementen für Konnektivität wie auch für Sensorik und Aktorik ausgestattet sein. Weil es in Deutschland rund neun Millionen Lichtmaste gibt, die aufgerüstet werden können, lassen sie sich als Knotenpunkte für eine flächendeckende, engmaschige Netzwerkinfrastruktur, sogenannte Kleinzellen-Netze (»Small Cells«), nutzen.

Lichtmaste sind zwar an Stromleitungen angeschlossen, aber normalerweise liegen dort keine 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 Glasfasern 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.

Doch wie lassen sich Lichtmaste an die Netzwerkinfrastruktur der Smart City anbinden? Eine Möglichkeit, die beispielsweise bei der Vernetzung von Überwachungskameras üblich ist, besteht darin, die Verbindungstechnik in einem oben am Mast befestigten Wetterschutzgehäuse unterzubringen. Dadurch sind jedoch die Installation wie auch die Wartung sehr aufwändig, weil jedes Mal eine Hubarbeitsbühne herbeigeschafft werden muss. Außerdem ist die Technik nicht vor mutwilliger Beschädigung sicher, etwa durch Vandalismus.

Nachrüstung von Konnektivität

Mittlerweile gibt es jedoch robuste Glasfaserverkabelungssysteme, die in Lichtmaste wie auch in andere Maste aus Metall integriert werden können. Voraussetzung ist, dass diese vorhandenen Masten einen entsprechenden Innendurchmesser und Türausschnitt haben (Bild 2). So ist für die Installation keine Hebevorrichtung erforderlich, und im Servicefall können elektronische Komponenten oder Kabel leicht ausgetauscht werden. Darüber hinaus ist die Technik rundum geschützt.

Diese mit aktiven und passiven Komponenten vorkonfektionierten Systeme, die auf Technik für die Industrieautomatisierung beruhen, sind sozusagen smarte Kabelübergangskästen (KüK). Sie haben einen Gigabit-Ethernet-Switch mit elektrischen Ports und optischen Uplinks sowie eine Spleißkassette, ein Netzteil, Sicherungen und Klemmen für den Anschluss der Versorgungsleitung. Je nach Anzahl der Uplinks lassen sich Netz­topologien in Sternverkabelung oder Linien- und Ringstruktur umsetzen.

Wenn die Switches Power over Ethernet (PoE) unterstützen, können PoE-fähige Endgeräte über das Datenkabel mit einer Leistung von bis zu 60 W pro Port versorgt werden. Managebare Versionen ermöglichen dabei eine einfache Konfiguration und Überwachung via Webinterface und SNMP (Simple Network Management Protocol) (Bild 3).

Außerdem lassen sich manche Switches nicht nur über einen PC konfigurieren und überwachen, sondern auch mobil via Smartphone und Tablet. Der Funktionsumfang reicht von Quality of Service (QoS) über zuverlässige Ringredundanzmechanismen wie MRP (Media Redundancy Protocol) und RSTP (Rapid Spanning Tree) für eine hohe Netzverfügbarkeit bis hin zu umfangreichen Diagnosemöglichkeiten.

Fazit

Lichtmaste sind im öffentlichen Raum allgegenwärtig. Mit glasfaserbasierter Datenkommunikationstechnik können sie zu einem wichtigen Baustein für die flächendeckende, engmaschige Netzwerkinfrastruktur der Smart City werden.

Von den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten profitieren nicht nur die Bürger, sondern auch Kommunen und Unternehmen, beispielsweise durch neue Dienstleitungen und Geschäftsmodelle. Zugleich wird der Breitbandausbau dazu beitragen, dass der Standort Deutschland seine wirtschaftliche Spitzenstellung auch künftig behaupten kann.

Autor

Thorsten Ebach, Market Evalua­tion Manager, EKS Engel FOS GmbH & Co. KG, Wenden

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net