In einem Smart Space wird eine Vielzahl von Geräten in einem großen Bereich eingesetzt, die untereinander Daten übertragen müssen. Dabei spielt natürlich die Übertragungstechnik eine wichtige Rolle. Aufgrund der Menge an verfügbaren Kommunikationstechniken, die es am Markt gibt, fällt es nicht leicht, die passende Technik auszuwählen, zumal jede davon ihre Vor- und Nachteile aufweist.
Manchmal wird sogar eine für den Einsatzzweck nicht geeignete Technik ausgewählt. Das kann Teile eines Konzepts oder gar das gesamte Konzept gefährden und im schlimmsten Fall eine komplette Neukonzeptionierung erfordern, da die zugrunde liegende Hardware nur mit dieser einen Kommunikationstechnologie kompatibel ist.
Deshalb ist es für Entwicklungsabteilungen so wichtig, sich die Zeit zu nehmen und festzulegen, wie die Projektanforderungen aussehen und zu ermitteln, was die einzelnen Kommunikationstechnologien bieten und welche davon am besten zum Projekt passt.
Welche Faktoren spielen bei der Wahl der Vernetzungstechnik für Smart Spaces eine Rolle?
Die Wahl der Vernetzungstechnologie (auch Verbindungs- oder Konnektivitätstechnologie genannt) ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Sie kann sogar über das Wohl und Wehe des Projekts entscheiden. Im Smart Space zählen insbesondere Reichweite, Stromverbrauch, Bandbreite, Zuverlässigkeit, Funktionen und Sicherheit.
Wenn die Wahl der Konnektivitätsoption sich vornehmlich nach der Reichweite richtet, können Geräte über größere Strecken kommunizieren. Doch häufig geht dies zulasten eines geringen Stromverbrauchs. Die Reichweite ist direkt vom Stromverbrauch abhängig, sodass die Technologien mit der größten Reichweite auch am meisten Strom verbrauchen. Ausnahmen gelten nur, wenn die Bandbreite entsprechend beschränkt wird.
Der Stromverbrauch ist der zweitwichtigste Faktor bei der Umsetzung von Drahtloslösungen. In diesem Punkt gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen Technologien. Je geringer die Bandbreite und Reichweite, desto weniger Energie wird im Normalfall benötigt. Bei hoher Übertragungsleistung über weite Strecken kann der Energiebedarf um ein Vielfaches höher ausfallen. Dieser Faktor kann entscheidend sein, wenn die Geräte mit Batterien betrieben werden, die nur eine begrenzte Kapazität aufweisen.
Auch die Bandbreite muss beachtet werden. Es gibt Geräte wie Kameras, bei denen große Datenmengen übertragen werden müssen, und andere, die in einer Stunde nur wenige Byte an Informationen bereitstellen. Grundsätzlich sollte stets die niedrigstmögliche Bandbreite gewählt werden, da in diesem Fall häufig größere Reichweiten bei deutlich geringerem Stromverbrauch erzielt werden können.
Wo immer Echtzeitdaten benötigt werden, ist Zuverlässigkeit ein wichtiger Faktor. Echtzeit bedeutet nicht, dass Daten ohne Unterbrechung übertragen werden, sondern, dass sie dann, wenn ein bestimmtes Ereignis auftritt, das Gerät oder der Dienst, mit dem es verbunden ist, unverzüglich antworten kann. Bei einer drahtlosen Kommunikationstechnologie, die unzuverlässig ist, gehen möglicherweise Ereignisdaten verloren, was das gesamte System unzuverlässig macht.
Selbstverständlich ist jede drahtlose Kommunikationstechnologie für die Datenübertragung geeignet, doch bei einigen gibt es zusätzliche Funktionen, beispielsweise eine Positionsbestimmung. Mit diesen Technologien kann das Produktdesign eventuell ohne Zusatzkosten um Mehrwertfunktionen erweitert werden.
Doch es gibt einen noch nicht genannten Faktor, der am wichtigsten überhaupt ist: Sicherheit. Datenschutz und Datensicherheit sind im Bereich der modernen Elektronik Kernanliegen. Künftige Smart Spaces werden auf internetfähigen Geräten aufbauen. Da diese Geräte private, personenbezogene Daten (Gesichter, biometrische Merkmale usw.) erfassen könnten, ist es enorm wichtig, dass im Smart Space eingesetzte Produkte abgesichert werden. Auch die für die drahtlose Kommunikation verwendete Technologie muss gegen Angriffe gehärtet sein.
Was sind die wichtigsten Technologien für Smart Spaces?
Unter der Vielzahl von Drahtlostechnologien gehören Wi-Fi (WLAN), Bluetooth, Mobilfunk und Ultrabreitband (Ultra-Wideband, UWB) zu den bekanntesten. Dagegen sind Technologien wie LoRaWAN und Satellitenübertragungen vor allem in Spezialanwendungen zu finden, in denen die Sensoren in extrem abgelegenen Gebieten arbeiten.
WLAN ist hervorragend geeignet, wenn es auf Reichweite und hohe Übertragungsraten ankommt. Die Technik wurde für Verbraucherelektronik entwickelt und ist für Gaming, Videostreaming und Filesharing geeignet. All diesen Anwendungen sind hohe Anforderungen gemein. Allerdings werden die geringe Latenz, die hohe Bandbreite und die hohe Reichweite mit einer hohen Stromaufnahme erkauft. Das macht WLAN zur schlechten Wahl für batteriebetriebene Geräte.
Bluetooth ist eine Drahtlostechnologie, die im selben Frequenzspektrum wie WLAN arbeitet, nämlich auf 2,4 GHz. Anders als bei WLAN beträgt die Reichweite jedoch nur wenige Meter und auch die Übertragungsraten sind deutlich geringer. Dafür punktet Bluetooth mit einem im Vergleich zu WLAN extrem niedrigen Stromverbrauch. Bluetooth Low Energy ist die perfekte Wahl für Anwendungen, die möglichst lange ohne Batteriewechsel auskommen müssen. Allerdings ist die Bandbreite reduziert, sodass Bluetooth für Sensoren, die große Datenpakete übertragen, weniger gut geeignet ist.
Mobilfunktechniken wie 4G und 5G benötigen weniger Energie als WLAN bei hervorragender Reichweite und Bandbreite. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass in Gebieten mit Mobilfunkabdeckung keine Zugangspunkte installiert werden müssen, über die die Sensoren eine Verbindung zum Datennetz herstellen. Es gibt jedoch auch Gegenden mit schlechter oder ohne Netzabdeckung, insbesondere in abgelegenen Regionen.
UWB ist eine Technologie zur Vernetzung, die seit einiger Zeit Fahrt aufnimmt, denn damit sind hohe Übertragungsreichweiten bei einer gegenüber WLAN und Mobilfunk deutlich geringeren Stromaufnahme möglich. Da ein breites Spektrum und kurze Energiestöße genutzt werden, ist auch eine überaus exakte Positionsbestimmung der Geräte möglich. UWB ist damit vor allem für Anwendungen, in denen bewegliche Güter oder Maschinen verfolgt werden sollen, prädestiniert.
Welche Konnektivitätslösung ist für Smart Spaces optimal?
Bei der Vielzahl der Optionen stellt sich unweigerlich die Frage, welche davon die beste ist. Die Antwort: keine, denn die Wahl der passenden Konnektivitätstechnologie ist von den konzeptuellen Anforderungen abhängig.
Für städtische Smart Spaces im Freien ist vermutlich Mobilfunk die richtige Wahl, denn üblicherweise ist bereits eine umfassende Netzabdeckung vorhanden und die Geräte können praktisch überall ein zuverlässiges Signal empfangen. Auch die Stromversorgung über Batterien stellt dort kein Problem dar. Zudem entfallen bei Nutzung der Mobilfunktechnik Investitionen in zusätzliche Router, Bridges oder Modems als Vermittler zwischen Endgeräten und Internetzugangsanbieter. Das reduziert die Hardwarekomplexität des Systems.
In Innenräumen, zum Beispiel Wohnungen, eignet sich WLAN aufgrund der hohen Reichweite, guten Verfügbarkeit für Privatpersonen, geringen Latenz der Übertragungen und Verbreitung in vorhandenen IoT-Geräten. Zwar ist WLAN energiehungrig, aber im Normalfall können die Geräte direkt mit einer Wandsteckdose verbunden werden.
Smart Spaces ohne Anschluss an das Stromnetz werden meist mit Akkus oder Batterien betrieben, sodass Bluetooth oder UWB Vorteile bieten. Einige Bluetooth-Low-Energy-Geräte generieren die zum Betrieb benötigte Energie sogar aus mechanischen Kräften, zum Beispiel dem Drücken eines Klingelknopfes. Daran sieht man, wie wenig Energie diese Geräte benötigen!
Wenn die Sensoren in Bewegung sind (auf Gabelstaplern, Schlüsselanhängern oder Paketen), mag UWB die richtige Wahl sein, denn diese Technologie kombiniert hohe Reichweiten mit geringer Energieaufnahme und exakter Positionsbestimmung. Ein Beispiel für die UWB-Technik sind Apple AirTags. Auch in vielen Smartphone-Konzepten wird UWB verwendet.
Quo vaditis, Smart Spaces?
Betrachtet man sämtliche derzeit genutzten Kommunikationstechnologien, scheint Mobilfunk die ultimative Lösung für Smart Spaces zu sein. Wieso? Erstens dürften Smart Spaces primär in Städten, Gewerbe- und Wohnbauten zu finden sein, wo die Netzabdeckung gegeben ist. Es müssen also keine zusätzlichen Netzwerkgeräte beim Einbinden von Endgeräten in den Smart Space installiert werden. Zur Einrichtung muss lediglich der korrekte Cloud-Dienst ausgewählt oder eingestellt werden.
Noch steht 5G nicht überall zur Verfügung, doch an 6G wird bereits gearbeitet. Laut den Entwicklern wird es sich um das erste vereinheitlichte Netz handeln. Wenn das stimmt, wäre 6G das Drahtlosnetz für wirklich jedes Gerät. Natürlich würden auch Bluetooth und WLAN noch eine Rolle spielen, aber ein zentralisiertes Netz brächte viele Vorteile mit sich, darunter eine bessere Abdeckung und einfachere Installationen. Außerdem können die Smart Spaces der Zukunft schnell mehrere Hundert Sensoren umfassen. Die bisherige WLAN-Technik ist im Gegensatz zu Mobilfunk dafür nicht bereit.
Es gibt viele Vernetzungstechnologien. Umso wichtiger ist es, von Anfang an die zur Anwendung passende Technik zu wählen, denn spätere Designänderungen können extrem kostspielig sein. Notieren Sie für die Abwägung, welche Hauptanforderung Ihr Konzept aufweist, und überlegen Sie dann, welche künftigen Merkmale oder Funktionen noch von Vorteil wären. Denken Sie auch an die weitere Entwicklung der Branche, denn wenn Ihre Geräte bereits fit für künftige Lösungen sind, ist das ein echter Wettbewerbsvorteil gegenüber Lösungen, die einen Hardwaretausch erfordern.