Wi-SUN Alliance Robustes IoT-Mesh-Funknetzwerk für die Smart City

Von Asem Elshimi*

Eine Smart City kann ohne robuste Datenanbindung nicht funktionieren. Dabei müssen die Netzwerke flexibel sein und jederzeit eine zuverlässige Bandbreite bieten. Auf Grundlage des Standards IEEE 802.15.4g wurde bereits 2011 die Wi SUN Alliance ins Leben gerufen. Für smartere Städte.

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Smart City: Metropolen wie London sind auf eine robuste Datenanbindung angewiesen. En Teil der Straßenbeleuchtung der britischen Hauptstadt wurde mit Wi SUN umgesetzt.
Smart City: Metropolen wie London sind auf eine robuste Datenanbindung angewiesen. En Teil der Straßenbeleuchtung der britischen Hauptstadt wurde mit Wi SUN umgesetzt.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Laut den Vereinten Nationen leben 4,2 Mrd. Menschen in Städten – das sind 55 Prozent der Weltbevölkerung. Der Zuzug der Menschen aus den ländlichen Räumen in die Stadt geht schnell: 1950 lebten nur 30 Prozent der Menschen in städtischen Gebieten. Das rasante Wachstum ist darauf zurückzuführen, dass jede Woche ungefähr 1,3 Mio. Menschen vom Land in die Stadt ziehen.

Zu den aktuell größten Städten gehört Tokio mit über 35 Mio. Einwohnern. Ein Blick auf deutsche Städte zeigt, dass sich das Wachstum hier eher moderat verhält: In der größten Stadtregion, dem Ruhrgebiet, leben 5,3 Mio. Menschen und in Berlin sind es 3,4 Mio. Menschen.

Smart City als eine Antwort auf wachsende Metropolen

Durch diesen Zuzug von immer mehr Menschen sehen sich die Städte einem zunehmenden Druck ausgesetzt. Die Verantwortlichen der Städte müssen die Infrastruktur bereitstellen wie Wasserver- und Abfallentsorgung. Aber auch der zunehmende Verkehr in den großen Metropolen muss gesteuert werden. Dazu gehören auch öffentliche Verkehrsmittel.

Um die vielen Facetten des städtischen Lebens zu bewältigen, setzen die Kommunen auf Technik. Smart Citys nutzen IoT-basierte (Internet der Dinge) Systeme und Einrichtungen, die mit Funksystemen miteinander verbunden sind. Die riesigen Datenmengen von verschiedenen Sensoren und anderen Quellen sind die Grundlage für Stadtplaner und Verwaltungen, bessere Entscheidungen zu treffen und knappe Ressourcen effektiv zu nutzen.

Man sollte nicht vergessen, dass die treibende Kraft hinter der Technik die Lebensqualität der Stadtbewohner ist. Die Probleme einer Stadt sind komplex. Im Mittelpunkt aller technischen Entwicklungen muss allerdings der Mensch stehen. Dazu gehören sowohl die Menschen, die in einem Gebiet leben, als auch andere, die dorthin zur Arbeit pendeln. In größeren Städten wie London oder New York kann die Zahl der ankommenden Arbeitskräfte die Zahl der Einwohner massiv übersteigen. Touristen oder Besucher von Veranstaltungen profitieren ebenfalls von Smart-City-Funktionen. Die Reise ist sicherer und angenehmer.

Die Smart City und der Standard IEEE 802.15.4g

Für Smart Citys ist die Datenanbindung von entscheidender Bedeutung. Die installierten Netzwerke müssen flexibel sein und jederzeit eine zuverlässige Bandbreite bieten. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, hat eine Gruppe von Unternehmen im Jahr 2011 das Konzept interoperabler Smart-City-Netzwerke auf der Grundlage des Standards IEEE 802.15.4g ins Leben gerufen, um die Wi-SUN Alliance (Wireless Smart Ubiquitous Network) zu gründen.

Der Allianz gehören mittlerweile mehr als 300 Unternehmen an, die bewährte Industriestandards verwenden, um ein offenes und interoperables Ökosystem zu ermöglichen. Mehr als 100 Mio. Wi-SUN-Systeme sind aktuell weltweit im Einsatz. Bei einem Wi-SUN Field Area Network (FAN) handelt es sich um ein robustes IoT-Mesh-Funknetzwerk mit geringem Stromverbrauch. Es ist skalierbar, sicher und interoperabel. Außerdem unterstützt es eine Reihe von Smart-City-Anwendungen. Mithilfe von Wi-SUN lässt sich eine funkbasierte Infrastruktur installieren, die mit netz- als auch batteriebetriebenen Geräten verwendet werden kann.

Stern-Architektur mit Nachteilen, Mesh-Netzwerk ist robuster

Die Wi-SUN-Netzwerkarchitektur: Wi-SUN ist ein sich selbst bildendes, selbstheilendes Mesh-Netzwerk mit Tausenden von Knoten, das nicht von einer Basisstation abhängig ist.
Die Wi-SUN-Netzwerkarchitektur: Wi-SUN ist ein sich selbst bildendes, selbstheilendes Mesh-Netzwerk mit Tausenden von Knoten, das nicht von einer Basisstation abhängig ist.
(Bild: Silicon Labs)

Die meisten Smart-City-Anwendungen haben bisher proprietäre Netzwerke verwendet, die in der Regel für bestimmte Anwendungen konzipiert sind und nur begrenzte Sicherheit und Flexibilität beim Aufrüsten bieten. Sie greifen oft auf eine Stern-Architektur zurück, bei der die Geräte mit einem einzigen Basisstationsempfänger kommunizieren. Das macht das Netzwerk sehr anfällig, wenn die Basisstation ausfällt oder beschädigt wird.

Wi-SUN hingegen ist ein sich selbst bildendes, selbstheilendes Mesh-Netzwerk mit Tausenden von Knoten, das nicht von einer Basisstation abhängig ist. Damit verbessert sich die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit. Die Wi-SUN-FAN-Architektur kann Daten kontinuierlich über diese Tausenden von Knoten umleiten, sodass Geräte auch bei extremen Unwettern, Cyberangriffen oder Stromausfällen volle Netzwerkanbindung und kontinuierliche Unterstützung von Diensten erhalten.

Smart-City-Anwendungen stellen hohe Anforderungen an die zugrunde liegende Netzwerkinfrastruktur, die ein hohes Maß an Sicherheit, zuverlässige Verbindungen, Ausfallsicherheit bei Störungen oder sich ändernden Bedingungen erfordert. Wi-SUN FAN bietet eine sichere, kostengünstige und belastbare Datenanbindung mit minimaler zusätzlicher Infrastruktur – von ländlichen Gebieten bis hin zu dicht besiedelten Stadtvierteln.

Funknetze sind besser entstört

Tabelle: Wi-SUN nutzt höhere Datenraten bis zu 2,4 MBit/s bei einer geringeren Latenz.
Tabelle: Wi-SUN nutzt höhere Datenraten bis zu 2,4 MBit/s bei einer geringeren Latenz.
(Bild: Silicon Labs)

Im Vergleich zu herkömmlichen LPWANs (Low Power Wide Area Networks) bietet Wi-SUN höhere Datenraten bis zu 2,4 MBit/s und eine geringere Latenz (siehe Tabelle) bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch, hoher Sicherheit und Interoperabilität. Die Technik basiert auf dem IPv6-Protokoll und nutzt Sub-GHz-Frequenzen sowie das 2,4-GHz-Band – allesamt nicht lizenziert. Wi-SUN ermöglicht auch Mode-Switching-Techniken, um die Datenraten entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung anzupassen.

Weitere technische Vorteile von Wi-SUN sind eine bessere Entstörung durch Frequenzsprünge und sie überbrückt große Entfernungen. Da mehrere Anbieter an der Entwicklung von Wi-SUN-Produkten beteiligt sind, können Smart Citys sicherstellen, dass sie nicht an einen bestimmten Anbieter gebunden sind und sich ihre Optionen für zukünftige Entwicklungen offenhalten. Der offene Wi-SUN-Standard fördert den Wettbewerb, hält die Preise wettbewerbsfähig und stellt sicher, dass sich Städte auf eine langfristige Kontinuität der Versorgung verlassen können.

Für den Einstieg in Wi-SUN bietet der Hersteller Silicon Labs ein Wi-SUN-Wireless-Starterkit (SLWSTK6007A) für die Frquenzen von 868 bis 915 MHz mit entsprechenden Funkplatinen (BRD4170A) an. Es enthält alle Tools, die für die Entwicklung von Wi-SUN-Funk-Anwendungen erforderlich sind, einschließlich Sensoren und Peripherie sowie einen J-Link-Debugger.

Damit die Smart City sicher vor Cyberangriffen ist

Die Sicherheitsvorteile von Wi-SUN sind ein weiteres Unterscheidungsmerkmal. Da Krankenhäuser, Behörden, öffentliche Verkehrsmittel, Unternehmen und Stromnetze immer anfälliger für Cyberangriffe werden, müssen ihre Netzwerke sicher sein. Mehrere Städte sind heute miteinander vernetzt – daher müssen wir sicherstellen, dass sie alle den Sicherheitsstandards entsprechen.

Wi-SUN verfügt über wichtige integrierte Sicherheitsfunktionen. Eine der wichtigsten ist, dass die Sicherheitsauthentifizierung bis zum Cloud-Anbieter zurückreicht, was bei den meisten anderen Protokollen nicht der Fall ist. Wi-SUN beachtet auch die Regeln der Cybersicherheit beim Entwurf eines Netzwerks, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, einschließlich End-to-End-Sicherheit, Verschlüsselung, Schlüsselverwaltung und Netzwerkisolierung im Falle einer Sicherheitsverletzung.

Ein wichtiges Leistungsmerkmal von Wi-SUN sind die native Integration der Public-Key-Infrastruktur (PKI), die zertifikatbasierte gegenseitige Authentifizierung und die bewährten Algorithmen für die Datenverschlüsselung und den Schlüsselaustausch. Die Wi-SUN-FAN-Zugriffskontrolle basiert auf PKI und ist dem Wi-Fi-Sicherheits-Framework nachempfunden. Jedes Wi-SUN-Gerät verfügt außerdem über ein einzigartiges Zertifikat, das von einer Zertifizierungsstelle am Herstellungsort unterzeichnet wurde.

Die Straßenbeleuchtung von London mit Wi-SUN

In einer Smart City finden sich heute intelligente Zähler (Smart Meter), intelligente Straßenbeleuchtung, öffentliche Sicherheit, Verkehrsüberwachung, Lärmerkennung und Überwachung der Umweltverschmutzung. Wi-SUN FAN bietet Flexibilität in Bezug auf Datenraten und Energieverbrauch, sodass alle Anwendungen effizient unterstützt werden können. Die Technik eignet sich auch für die Integration von Smart-City-Sensoren und dezentralen Energieressourcen (DERs) in das Stromnetz.

Ein aktuelles Beispiel für eine Wi-SUN-Anwendung ist ein Straßenbeleuchtungsnetzwerk in der Londoner City [1]. Es verbindet 12.000 Beleuchtungseinheiten, die den bestehenden Bestand ersetzten, der das Ende seiner Nutzungsdauer erreicht hat. Die neue Beleuchtung reduziert den Energieverbrauch und hilft, die Wartungskosten zu senken. In den nächsten Jahren plant die Stadt London, weitere Geräte und Sensoren in das Wi-SUN-Netz einzubinden, einschließlich der Umgebungsüberwachung. Die engen Straßen und hohen Gebäude im Zentrum Londons stellen Herausforderungen für Funknetze dar, die Wi-SUN erfolgreich gemeistert hat. Das Wi-SUN-FAN-Netzwerk verwendet mehrere Gateways für redundante, zuverlässige Datenanbindung und erhöht die Ausfallsicherheit aufgrund seiner Self-Forming- und Self-Healing-Funktion.

IoT Analytics schätzt [2], dass der Markt für vernetzte Straßenbeleuchtung im Jahr 2023 an die 3,6 Mrd. US-Dollar übersteigen und jährlich durchschnittlich (CAGR) um 21 Prozent wachsen wird. Die weltweit größte Installation vernetzter Straßenlaternen findet sich in Miami mit fast 500.000 Einheiten, gefolgt von Paris mit 280.000. Beide Großprojekte basieren auf einem Wi-SUN-Netzwerk, um die erforderliche Datenanbindung zu gewährleisten.

Auf den Menschen zentrierte Philosophie

Bei der Entwicklung von Wi-SUN stand und steht der Mensch im Mittelpunkt. Die Leistungsmerkmale dieser Technik ermöglichen es Stadtplanern und Entwicklern, die städtische Infrastruktur zu vernetzen und zukunftssicher zu machen. Wi-SUN ermöglicht es Versorgungsunternehmen, Kommunen und Unternehmen, Funk-Mesh-Netzwerke mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch bereitzustellen, die viele tausend IoT-Knoten vernetzen können.

Im Zuge der Entwicklung intelligenter Städte in den kommenden Jahren wird Wi-SUN die zuverlässige Datenanbindung bereitstellen, die erforderlich ist, um Nachhaltigkeit und Lebensqualität in Einklang zu bringen und neue Anwendungen zu ermöglichen, an die bisher noch nicht einmal gedacht wurde.

Referenzen

[1] Wi-SUN-Alliance: Wi-SUN technology provides the platform for City of London Smart City Initiative (abgerufen am 5. Dezember 2021).

[2] How Wi‑SUN is Making Cities Smarter (abgerufen am 5. Dezember 2022).

* arbeitet als Produkt Marketing Manager bei Silicon Labs.

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