Netz der nächsten Generation für die Smart City der Zukunft

Treibende Kraft hinter Mioty („My IoT“: „Mein Internet der Dinge“) ist das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen. „Wir haben vor einigen Jahren die Anforderungen an diese Netze zum Beispiel auch unter dem Aspekt des Smart Metering analysiert“, erinnert sich IIS-Mitarbeiter Rene Dünkler. Dabei sei eines sehr deutlich geworden: „Wenn die Prognosen der Beratungsfirmen stimmen, werden sich IoT-Anwendungen in vielen Bereichen durchsetzen, und dann wird es in einigen Jahren eine sehr, sehr große Anzahl von Devices geben, die über solche Netze verbunden sind.“

Laut dem Marktforschungsunternehmen Transforma Insights gab es 2019 schon knapp 8 Mrd. dieser vernetzten „Cyber-physical Systems“, so der offizielle Begriff. Bis 2030 wird ein massiver Anstieg auf über 25 Mrd. Geräte erwartet − mehr als eine Verdreifachung. Andere Prognosen gehen sogar von noch deutlich höheren Zahlen aus. 

Dünkler: „Wir sprechen deswegen hier von ‚Massive Iot‘.“ Die Analyse habe auch gezeigt, dass die bislang vorhandenen Funkprotokolle in den frei verfügbaren Frequenzbändern nicht in der Lage wären, damit zurechtzukommen, weil es unweigerlich Kapazitätsengpässe gäbe. „Auf Basis dieser Prämisse haben wir uns vorgenommen, mit Mioty ein Next-Generation-IoT-Protokoll zu schaffen.“

In Deutschland steht für diese schmalbandigen und energieeffizienten LPWAN (Low Power Wide Area Network) vor allem der Bereich um 868 MHz im SRD-Band (Short Range Device) zur Verfügung, das europaweit exklusiv für die Funkkommunikation mit kurzer Reichweite reserviert worden ist. Für IoT-Anwendungen ist es von großer Bedeutung, auch in Zukunft bei solchen Frequenzbändern unterhalb von etwa einem Gigahertz zu bleiben: denn je höher die Frequenz, desto schlechter ist die Eindringtiefe in Gebäude. 

Um also aus den etablierten Frequenzspektren mehr Leistung und Zuverlässigkeit herauszukitzeln, kommt bei Mioty eine vom Fraunhofer IIS entwickelte und patentierte Implementierung einer Funktechnik namens Telegram Splitting Multiple Access (TSMA) ins Spiel. Die Technologie gliedert die zu übermittelnden Datenpakete in zahlreiche Unterpakete auf und überträgt diese über die Zeit und das Frequenzspektrum verteilt. Die gezielte Aufteilung der Informationen ermöglicht eine sehr hohe Robustheit gegen Störungen in dem stark genutzten lizenzfreien Spektrum.
 
Der Empfänger benötigt aufgrund fortschrittlicher Fehlerkorrekturalgorithmen tatsächlich nur etwa die Hälfte der übertragenen Subpakete, um die Nachricht korrekt zu rekonstruieren. „Zugleich kann man in den verfügbaren freien Frequenzbändern bleiben, die eine Deep Indoor Penetration ermöglichen, um zum Beispiel auch einen Smart Meter in einem Keller zuverlässig auslesen zu können“, erläutert Dünkler.

Auf diese Weise können bei Mioty viele Hunderttausend Sensoren oder IoT-Mobilgeräte bis zu 1,5 Mio. Datenpakete pro Tag verlustfrei an eine einzige Sammelstelle senden und das über 15 Kilometer Entfernung. Trotz der großen Redundanz bei der Datenübertragung arbeitet das softwarebasierte und dadurch von spezieller Hardware unabhängige Mioty-Protokoll dabei überaus energieeffizient: „Das liegt daran, dass durch die Aufteilung der Pakete der Sendevorgang insgesamt sehr kurz gestaltet ist und sich als wesentlich effizienter erwiesen hat“, so Dünkler.

Mit einem Energiebedarf von weniger als 20 μWh pro Message sind Batterielaufzeiten der Devices von 20 Jahren oder mehr zu realisieren. Tatsächlich können die Mioty-Geräte vor Ort aber auch noch viel länger ohne Eingriff von außen funktionieren. Denn für solche Einsatzzwecke haben die Forscher des IIS das Konzept einer autarken Energieversorgung konzipiert. Dabei werden etwa Vibrationen oder leichte Temperaturschwankungen zur Stromerzeugung genutzt und über hocheffiziente Spannungsregler und Energiemanagementsysteme den Sendern zur Verfügung gestellt. In einem Beispielprojekt hat das IIS sein Energy Harvesting direkt in einen Sensor integriert, der sich an einem Heizungsrohr anbringen lässt und aus der Temperaturdifferenz zwischen dem warmen Rohr und der kälteren Umgebungsluft seinen Betriebsstrom erzeugt.

Zum Tragen kommen könnten diese Eigenschaften von Mioty − Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz − vor allem in urbanen Gegenden in den Quartieren der smarten City von morgen, wo in großen Wohnkomplexen eben nicht ein oder zwei Verbrauchszähler fernausgelesen werden müssen, sondern vielleicht 500. Ganz zu schweigen von einer Vielzahl anderer Devices, die Informationen melden vom Zustand der Fenster (offen/geschlossen) über den Füllgrad der Mülltonnen bis zur Verfügbarkeit von Parkplätzen. 

Die Kombination der besonderen Eigenschaften sorgt dafür, dass es künftig für Mioty eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Energiebranche geben kann. Manche offensichtlich wie die Zählerfernauslesung, andere eher sehr speziell. So hat zum Beispiel das Fraunhofer-Forschungszentrum IoT-COMMs eine intelligente Schraubverbindung entwickelt, die sich drahtlos und energieautark via Mioty überwachen lässt. Dabei misst ein Dünnschichtsensor Krafteinwirkungen auf die Schraubverbindung und Veränderungen der Umgebungstemperatur am Montageort − ideal für schwer erreichbare und zugleich sicherheitskritische Verschraubungen wie bei Windkraftanlagen.

Als einer der ersten Anwender im Energiesektor testen die Stadtwerke Garbsen (Niedersachsen) Mioty. Um künftig in Echtzeit Zustandsdaten aus den Verteilnetzen zu erhalten und frühzeitig Steuerungsbedarfe zu erkennen, sollen dort im Rahmen eines Pilotprojekts Funksensoren innerhalb der Netze verbaut werden. Konkret zeichnen die Stadtwerke aktuell die Stromstärke an Ortsnetzstationen auf. So lassen sich Anschlüsse in Echtzeit überwachen, Ausbaupotenziale erkennen und Engpässe vermeiden. „Als lokaler und verlässlicher Infrastrukturbetreiber wollen wir unsere Anlagen auf die Anforderungen der kommenden Jahre ausrichten. Mit Mioty erhalten wir die derzeit leistungsstärkste Funktechnologie am Markt“, erklärt Daniel Wolter, Geschäftsführer der Stadtwerke Garbsen. Der Versorger ist dazu der Mioty-Allianz beigetreten, er ist bundesweit der erste, der die Technologie für eine Smart City nutzen will.