Protokoll für das Internet der Dinge Funkstandard „mioty“ bietet erweiterte Funktionen mit Class B

Autor / Redakteur: Josef Bernhard, Stefan Ereth, René Dünkler und Milena Seeland * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für den Funkstandard „mioty“ haben die Entwickler am Fraunhofer IIS Funktionen mit Class B hinzugefügt. Damit sind Anwendungen im Smart Building und Smart Home möglich.

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Drahtlose LPWAN-Technik: Mioty ist eine Funkkommunikationslösung für IIoT-Anwendungen basierend auf den ETSI Standard TS 103357.
Drahtlose LPWAN-Technik: Mioty ist eine Funkkommunikationslösung für IIoT-Anwendungen basierend auf den ETSI Standard TS 103357.
(Bild: Fraunhofer ISS)

Im Internet der Dinge (IoT) werden schon bald mehr als 30 Mrd. Geräte drahtlos mit dem Internet verbunden sein. Der damit einhergehende wachsende Datenverkehr führt dabei zu einer starken Belegung des Frequenzbandes. Die Folge: Interferenzprobleme zwischen verschiedenen Systemen nehmen zu und Datenpakete erreichen den Empfänger nicht mehr zuverlässig.

Wichtige Informationen gehen so verloren. Die softwarebasierte Entwicklung mit dem Namen „mioty“ ist ein Low Power Wide Area Network (LPWAN). Es bietet mittels des Telegram-Splitting-Verfahrens eine Lösung, um mit Störungen im Vergleich zu anderen IoT-Protokollen besser umzugehen. Somit werden die Daten auch in Umgebungen zuverlässig übertragen, bei denen ein hohes Funkaufkommen vorhanden ist.

Die Technik hinter „mioty“ eignet sich besonders für großflächige industrielle und kommerzielle IoT-Anwendungen, die eine hohe Datenverfügbarkeit und -qualität, sowie Skalierbarkeit erfordern. Die technologische Erweiterung von „mioty“ um Class B ermöglicht es jetzt, zusätzliche Anwendungen für Smart City, Industrial IoT (IIoT) oder Gebäudemanagement. So lassen sich Mess­aufgaben ergänzen: Temperatur messen für Steuer- und Regelfunktionen und Heizung oder Klimaanlagen.

Telegram Splitting ermöglicht massenhaftes IoT

Bild 1: Schematische Darstellung des Telegram-Splitting in Abhängigkeit von Zeit und Frequenz.
Bild 1: Schematische Darstellung des Telegram-Splitting in Abhängigkeit von Zeit und Frequenz.
(Bild: Fraunhofer IIS)

Die Zuverlässigkeit und Energieeffizienz von „mioty“ basieren auf dem Telegram-Splitting-Verfahren. Mit seiner hohen Skalierbarkeit garantiert es eine große Anzahl an Teilnehmern – das zukunftssichere massive IoT. Die Kernerfindung teilt die Telegramme, also die zu übertragenden Datenpakete, in kleine Teilpakete auf. Sie werden als Funkbursts bezeichnet. Dieses Verfahren ist gemäß der Definition des European Telecommunications Standards Institute ETSI TS 103 357 standardkonform.

Die Teilpakete werden über verschiedene Frequenzen und Zeiten übertragen. Ein Algorithmus in der Basisstation durchsucht das Spektrum permanent nach „mioty“-Teilpaketen und setzt sie zu einer vollständigen Nachricht zusammen. Aufgrund der ausgeklügelten Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC), benötigt der Empfänger nur 50 Prozent der Teilpakete, um die Informationen vollständig zu rekonstruieren.

Bild 2: Die verschiedenen Device-Klassen des Funkstandards Mioty.
Bild 2: Die verschiedenen Device-Klassen des Funkstandards Mioty.
(Bild: Fraunhofer IIS)

Die Features der „mioty“-Technologie finden sich in den drei Klassen Z, A und B wieder: Jede Klasse verfügt über spezielle Eigenschaften und Funktionen, die je nach Einsatzzweck bedarfsorientiert eingebunden werden können. Das Bild 2 verdeutlicht den Unterschied der drei Klassen. Batteriebetriebene Geräte, die nach Class Z arbeiten, verfügen über einen sehr geringen Energieverbrauch, große Reichweiten bei der Datenübertragung, sehr hohe Skalierbarkeit und gleichzeitig geringe Störanfälligkeiten.

Class Z arbeitet unidirektional: Die Daten von batteriebetriebenen Sensoren werden ausschließlich zur Basisstation ohne Rückantwort übertragen. Eine typische Anwendung von Class-Z-Devices ist beispielsweise Smart Metering. Hier werden Verbrauchsdaten von Strom, Wasser und Gas drahtlos übertragen. In Class Z fällt zudem das Messen von Umweltdaten wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und CO2, sowie um Füllstände und Leckagen zu erkennen.

Batteriebetriebene Sensoren und die Vorteile von Class Z

Aufbauend auf Class Z bietet Class A einen zusätzlichen Nutzen durch Konfiguration, indem Nachrichten im Downlink von der Basisstation an den Endpunkt gesendet werden können. Es lassen sich Einstellungen der Endpunkte vornehmen. Ebenso ein Acknowledge, also die Bestätigung von Nachrichten sind möglich. Class-A-Devices sind in der Lage, Informationen unidirektional via Uplink an eine Basisstation zu übertragen und können zudem per Downlink konfiguriert werden (Bidirektionalität). Auch hier arbeiten batteriebetriebene Sensoren mit den bestehenden Vorteilen aus Class Z, wie die erwähnte Energieeffizienz. Der Downlink ist nur nach einer Uplink-Nachricht für ein bestimmtes Zeitintervall möglich.

Class B unterstützt erweiterte Steuerfunktionen

Bild 3: Der technische Aufbau des Class B.
Bild 3: Der technische Aufbau des Class B.
(Bild: Fraunhofer IIS)

Es lassen sich außerdem Anwendungen umsetzen, die eine Bestätigung benötigen: etwa sicherheitskritische Messungen in der Energieversorgung oder allgemein zusätzliche Gerätekonfigurationen, um das Messintervall oder Grenzwerte des Messbereichs bedarfsorientiert einzustellen. Schließlich ergänzt die jüngste Class B das Spektrum um Steuerungsfunktionen. Möglich wird das durch Broadcastfeatures: Alle Aktuatoren lassen sich per Downlink oder durch Multicast in einer Gruppe von Aktuatoren steuern. Das eröffnet neue Anwendungen im Gebäudemanagement: Fenster lassen sich öffnen und schließen oder die Temperatur der Heizung, Lüftung, und Klimatechnik (HVAC) lässt sich regeln. Class B baut mit batteriebetriebenen drahtlosen Aktuatoren auf seine beiden Vorgänger auf.

Class B vereint die Vorteile herkömmlicher, drahtloser Fernwartungs- und Steuerungssysteme, wie den Broadcast Modus von ZigBee oder WiFi mit der energieeffizienz und hohen Reichweite von „mioty“. Das ist auch unter erschwerten Umgebungsbedingungen möglich. Die Funktionsweise der Class B basiert grundsätzlich auf dem Telegram Splitting. Dabei bleibt die Uplink-Funktionalität aus Class Z bleibt bestehen. Zusätzlich wird der Broadcastmodus ergänzt. Dazu sendet die Basisstation ein periodisches Signal (Beacon), das von allen Class B unterstützten Endpunkten empfangen werden kann.

Die Kommunikation mit der Basisstation

Der Beacon signalisiert, ob und wann in der Zeit bis zum nächsten Beacon eine Nachricht an einen oder mehrere Endpunkte geschickt wird. Die Aussendung einer Nachricht erfolgt zu definierten Zeitfenstern innerhalb der Datenregion. Ein Endpunkt, der auf den Beacon synchronisiert ist, aktiviert den Empfang nur zu den Zeitfenstern, an denen eine Nachricht für ihn übertragen wird; ansonsten verharrt er bis zum nächsten Beaconsignal in einem stromsparenden Ruhezustand.

Alle definierten Zeitfenster können für das Senden von Downlinks ohne Überlappung oder Kollision verwendet werden. In der Umsetzung kann der Endpunkt die Syn­chronisation zum Beacon der Basisstation verlieren. Das geschieht entweder durch Interferenzen anderer Funksignale im Band, insbesondere im lizenzfreien Spektrum, oder wenn sich die Basisstation etwa durch Bewegung des Endpunkts außerhalb der Reichweite befindet. Folglich muss sich der Endpunkt neu mit der Basisstation synchronisieren.

Zusätzliche Sendeaktivitäten für das wiederholte Synchronisieren von Basisstation und Endpunkten und die erneute Übertragung von Beacon- und Koordinationsinformationen sind dafür notwendig. Der zusätzliche Bedarf an Funkressourcen bedeutet üblicherweise eine Beeinträchtigung der eigentlichen synchronen Übertragung, welches das „mioty“-Telegram-Splitting-Verfahren minimiert. Durch die Pausen zwischen den Funkbursts einer Übertragung kann eine Basisstation zwischen den Aussendungen die Teilpakete eines anderen Endpunkts empfangen. Werden nicht alle Funkbursts einer Übertragung empfangen, lassen sich die Daten mithilfe der Kanalcodierung rekonstruieren. Die Wahrscheinlichkeit von vollständigen Kollisionen zwischen Uplink- und Downlink-Funkbursts ist sehr gering.

Anwendungsfeld Gebäude- und Heimsteuerung

Thermostate, Fenster oder Heizungen lassen sich jederzeit aus der Ferne steuern. Im privaten Umfeld der Gebäude- und Heimsteuerungen ist neben einer zuverlässigen Übertragung auch eine kosteneffiziente Realisierung von Bedeutung. Mit der erweiterten Class B können Aktoren und Sensoren über eine einzige Basisstation vom Keller bis hin zum Dach vernetzt und gesteuert werden. Tausende Teilnehmer können direkt vernetzt und über nur eine einzige Basisstation als kostengünstige Gesamtlösung aktiv angesprochen werden. Somit lassen sich mit einem Klick auf dem Smart Phone oder Tablet nicht nur die Sensordaten abfragen, sondern auch verschiedenste Aktoren gleichzeitig oder selektiv steuern.

Ändern sich die Lichtverhältnisse in einem Bürogebäude wetterbedingt schlagartig, etwa bei einem starken Gewitter, misst der Sensor die Intensität der Lichtreduktion und schaltet daraufhin zusätzliches Licht zu, bis das Gewitter vorbeigezogen ist. Außerdem schließen sich die Fenster, wenn Regen erkannt wird.

Zeitkritische Prozesse automatisieren

Erkennt ein Sensor eine aufgetretene Leckage an einem Wasserrohr, lassen sich alle Ventile aus der Ferne steuern und gleichzeitig schließen, sodass kein weiterer Schaden am Gebäude entsteht. Ein Ausblick in die nahe Zukunft zeigt, dass bald kürzere Latenzen im Downlink realisierbar werden. Somit sind Echtzeitsteuerungen von Aktuatoren möglich. Die Automatisierung zeitkritischer Prozesse durch die „mioty“-Technologie ist möglich.

Die Wissenschaftler und Entwickler des Fraunhofer IIS bringen mit Class B eine Erweiterung für „mioty“, die gerade für Anwendungen im Smart Building und Smart Home eine leistungsfähige Alternative bieten kann. Über die Anbindung an unterschiedliche Cloudanwendungen oder den Einsatz günstiger Basisstationen, ergänzt Class B neue oder erweiterte Anwendungen im Gebäudemanagement und für IoT allgemein.

* Josef Bernhard, Stefan Ereth, René Dünkler und Milena Seeland die Autoren arbeiten und forschen am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Nürnberg.

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