Verwendete Technologien

Die Grundlage aller Systeme zur Optimierung der Prozesse rund um das Fahrzeug, das Transportgut oder sonstiger Assets sind Konnektivitätslösungen, die eine Informationsübertragung zwischen dem mobilen Objekt einerseits und ortsfesten Komponenten andererseits ermöglichen.

Neben den Beschaffungs- und Betriebskosten dieser Kommunikationssubsysteme sind die Reichweite und die erzielbare Datenrate die bestimmenden Parameter bei der Auswahl der Technologie. Die Anforderungen an Reichweite und Datenrate hängen stark vom jeweiligen Anwendungsfall ab.

In nachfolgendem Diagramm sind die heute im Bereich des Verkehrs- und Transportwesens eingesetzten Konnektivitätstechnologien dargestellt und hinsichtlich Datenrate und Reichweite grob klassifiziert. Daneben sind gerade im Bereich der Objektidentifikation auch optische Systeme stark verbreitet, wie etwa Barcode-Scanner. Diese Technologien werden hier jedoch nicht weiter betrachtet.

Übersicht der relevanten Konnektivitätstechnologien

Hinsichtlich Datenrate und Reichweite sind die auf dem GSM-Standard aufbauenden zellularen Mobilfunksysteme die Spitzenreiter. Mittlerweile steht die Einführung der 5. Generation dieser Technologie bevor („5G“). Obwohl die Reichweiten der ortsfesten Basisstationen nur bis ca. 35 km Radius abdecken können, wird aufgrund der zellularen Netzstruktur und dem praktizierten „Handover“ von einer Zelle zur nächsten für den Nutzer eine scheinbar unbegrenzte Reichweite erreicht (zumindest solange man sich in einer gut mit Basisstationen versorgten Region aufhält).
Die zellulare Mobilfunkkommunikation ist daher typischerweise bei Anwendungen zu finden, bei denen das mobile Objekt, z.B. ein Fahrzeug, große Strecken zurücklegt.

Bei Anwendungen in Regionen, in denen keine oder nur eine geringe Mobilfunkabdeckung gewährleistet ist (z.B. bei Schiffen auf den Ozeanen), kommt auch Satellitenkommunikation zum Einsatz. Typische, heute im Einsatz befindliche Systeme sind beispielsweise Orbcomm, Thuraya und Iridium. Die erzielbaren Datenraten sind deutlich kleiner als beim terrestrischen Mobilfunk. Es ist jedoch durch die angekündigten Satellitensysteme für weltweite Internetversorgung mittels Hunderter erdnaher Satelliten (z.B. Starlink von SpaceX) zu erwarten, dass hier künftig ähnliche Datenraten wie bei den terrestrischen Mobilfunksystemen angeboten werden.

Für Anwendungen, in denen der Bewegungsradius des mobilen Objekts auf wenige Dutzend Meter beschränkt ist, andererseits aber eine hohe Datenrate notwendig ist, hat sich das „Wireless Local Area Network“ (kurz WLAN) nach dem IEEE-Standard 802.11 etabliert (außerhalb Deutschlands wird diese Kommunikation Wi-Fi genannt). Ein typischer Anwendungsfall sind beispielweise Fahrzeuge innerhalb eines Betriebsgeländes, die Daten mit einer Managementzentrale austauschen.

Mit der Verbreitung der so genannten Laptops, Tablets und Smartphones wurde auch Bluetooth, ein funkbasierter Industriestandard für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, bekannt. Die maximale Reichweite ist mit WLAN vergleichbar, die Datenrate jedoch deutlich geringer. Bluetooth wird bei Consumer-Elektronik gern zur Anbindung von Peripheriegeräten verwendet, z.B. bei kabelloser Anbindung einer Freisprechanlage an ein Smartphone. Interessant im Bereich des mobilen „Internet der Dinge“ ist bei kleinen Entfernungen (ca. 10 m) der Bluetooth-Ableger „Bluetooth Low Energy“ (kurz BLE), der eine Erweiterung des Bluetooth-Standards darstellt. Die BLE-Endgeräte sollen einen deutlich geringeren Energieverbrauch aufweisen und damit einen monatelangen autarken Betrieb ermöglichen, beispielsweise um Sensordaten von einem mobilen Objekt periodisch an einen Empfänger zu übertragen.

Eine seit langem verbreitete Konnektivitätstechnologie ist die „Radio Frequency Identification“ (kurz RFID) zum automatischen und berührungslosen Identifizieren von Objekten (und auch Lebewesen) mittels Funkwellen. Ein so genannter Transponder am Objekt reagiert auf Funkwellen im HF-, UHF- und Mikrowellenbereich, die ein RFID-Lesegerät aussendet, und antwortet mit seinem Identifikationscode. „Passive“ Transponder nutzen zur Energieversorgung die einstrahlenden Abfragefunkwellen, „aktive“ Transponder verfügen über eine eigene Energieversorgung und können damit größere Reichweiten realisieren. Im Bereich von Transport und Logistik werden RFID-Transponder verbreitet als Alternative zu optischen Systemen (Barcode-Scanner) eingesetzt, um Güter und/oder Ladungsträger (z.B. Paletten oder Gitterboxen) automatisch zu identifizieren. Die auf RFID aufbauende „Near Field Communication“ (kurz NFC) ist ein internationaler Übertragungsstandard zum kontaktlosen Austausch von Daten per elektromagnetischer Induktion über kurze Strecken (wenige Zentimeter!). Die Hauptanwendung ist das kontaktlose Bezahlen. Aufgrund der geringen Reichweite spielt NFC im Verkehrs- und Transportwesen sonst keine Rolle.

Für das seit einigen Jahren diskutierte „Internet der Dinge“ (Internet of Things, kurz IoT) werden, sofern das „Ding“ mobil ist, für viele Anwendungen Konnektivitätstechnologien benötigt, die zwar keine allzu großen Datenraten aufweisen müssen, aber deutlich größere Reichweiten im Vergleich zu WLAN oder BLE. Eine weitere Anforderung für IoT-Kommunikationslösungen ist ein möglichst geringer Energieverbrauch, damit die das „Ding“ überwachenden Geräte möglichst lange autark über Batterien, Akkus und/oder Solarzellen versorgt werden können. Dafür bieten sich NB-IoT, LoRa sowie Sigfox an. Diese Technologien werden auch mit dem Oberbegriff „Low Power Wide Area Network“ (kurz LPWAN) bezeichnet.

NB-IoT basiert auf den bestehenden zellularen Mobilfunknetzen, speziell dem LTE-Standard, bietet aber nur eine schmalbandige Datenübertragung. Die Endgeräte benötigen daher wesentlich weniger Energie als normale Mobilfunkmodule und verfügen über eine hohe Gebäudedurchdringung, ideal also auch zur Kommunikation mit Objekten innerhalb von Gebäuden. Allerdings handelt es sich um eine „lizenzierte“ LPWAN-Lösung, so dass im Betrieb entsprechende Kosten entstehen.

LoRa (z.T. auch als LoRaWAN bezeichnet: Long Range Wide Area Network) basiert auf einer Stern-Topologie. Die Endgeräte am mobilen Objekt (oft als LoRa-Nodes bezeichnet) kommunizieren primär im Uplink mit einem zentralen Gateway, das die empfangenen Daten dann via Internet an die Applikationsserver sendet. Die LoRaWAN-Spezifikation ist frei verfügbar, nutzt jedoch ein proprietäres und patentiertes Übertragungsverfahren. Gateway und Nodes sind relativ preisgünstig, so dass sich mit LoRa z.B. eigene Firmennetze an unterschiedlichen Betriebsstätten aufbauen lassen.

Sigfox ist ein weltweites Funknetzwerk eines gleichnamigen französischen Unternehmens. Sigfox ist mit LoRa vergleichbar, bietet eine etwas geringere Datenrate und eine etwas höhere Reichweite.

Eine Übersicht zu diesen Konnektivitätstechnologien und deren Anwendungen findet sich auch in einer umfangreichen Publikation der DHBW Ravensburg: https://www.ravensburg.dhbw.de/fileadmin/Ravensburg/Bilder/News/DHBW_RVFN_Konnektivitaetstechnologien_V1.0.pdf