Drahtlose Kommunikation Funk-Kollisionen vermeiden

Aufgrund des Zusammenwirkens von Mobiltelefonen, Unterhaltungselektronik und tragbaren Geräten sind wir auch zu Hause von der drahtlosen Kommunikation umgeben. Zunehmend werden auch Geräte für den Consumer-Healthcare-Markt mit Funktechologien wie Wi-Fi, ZigBee, ANT und Bluetooth ausgerüstet. Dies birgt neue Herausforderungen hinsichtlich Koexistenz, Kollisionsfreiheit und Sicherheit (Security) der drahtlosen Kommunikation.

Da chronische Krankheiten weiter zunehmen werden, verfolgen Anbieter und Mitarbeiter im Gesundheitswesen neue Wege, um Verbraucher zu motivieren, ihren Gesundheitszustand komfortabel selbst zu verwalten. Mit wachsendem Bewusstsein für die steigende finanzielle Verantwortung für die Gesundheit investieren mehr und mehr Menschen in drahtlose Gesundheits- und Fitnesstechnologien für sich selbst beziehungsweise in seniorengerechte Technologien für ihre Patienten.

Die Anbindung per Funk ist ein wesentlicher Bestandteil derartiger Endgeräte, da sie Komfort, Mobilität und ständige Verbindungen zwischen Benutzern und Pflegediensten ermöglicht. So kann sich beispielsweise ein Blutdruckmessgerät zum Hochladen der erfassten Daten selbstständig mit einem drahtlosen Zugangspunkt verbinden, sodass ein Remote-Server die Messwerte protokollieren kann.

Auch ist es möglich, eine Fitnessuhr über ein Mobiltelefon mit sozialen Netzwerken zu verbinden, damit der Benutzer Familie und Freunde an seinen sportlichen Erfolgen teilhaben lassen kann. Oder der Verbraucher verbindet ein Telehealth- und Aktivitätsüberwachungsgerät mit einem drahtlosen Heimnetzwerk, das nicht im selben Haus wohnende Familienangehörige alarmiert, wenn es unerwartete Aktivitätsänderungen eines älteren Familienmitglieds feststellt.

Verschiedene Funknetzwerke

Bluetooth, das vorherrschende drahtlose Nahbereichsprotokoll, das heutzutage von Mobiltelefonen und Gesundheitsgeräten verwendet wird, war auch das erste Protokoll, das von der Continua Health Alliance verwendet wurde - einem Industriekonsortium für die Errichtung eines Systems aus interoperablen Lösungen im Gesundheitswesen.

Bluetooth Low Energy (BLE), ein neueres Protokoll, das nur einen Bruchteil der Leistung des ursprünglichen Standards verbraucht, könnte in den kommenden Jahren verstärkt in Anwendungen und Geräten für die Gesundheitsfürsorge Zuhause zum Einsatz kommen, da Profile für Gesundheitsgeräte verfügbar gemacht werden und die Verbraucher BLE-fähige Mobiltelefone kaufen. Bluetooth und BLE verwenden das Frequenzsprungverfahren, um Störungen durch andere Signale durch den Wechsel in eine neue Frequenz zu vermeiden, nachdem ein Datenpaket übertragen und empfangen wurde.

Die ursprünglich für Bluetooth Version 1 verwendete Modulationstechnik war das GFSK-Verfahren (Gaussian Frequency-Shift Keying). Mit der Forderung nach höheren Datenraten wurden mit π/4-DQPSK und 8DPSK zwei Formen der Phasenumtastung für Bluetooth 2 Enhanced Data Rate (EDR) und Bluetooth 3 High Speed (HS) eingeführt. Eine weitere drahtlose Technologie, die in den heutigen Gesundheits- und Fitnessmärkten zum Einsatz kommt, ist ANT. ANT verfügt derzeit über verschiedene Gesundheitsgeräteprofile und wird voraussichtlich auch in Mobiltelefonen verwendet werden.

Obwohl es sich bei ANT und BLE um Nahbereichsnetzwerke handelt, unterstützt ANT auch einige zusätzliche Netzwerktopologien und Betriebsarten, die gegenwärtig nicht von BLE spezifiziert werden. ANT wurde eigens dafür konzipiert, die Kommunikation zwischen netzunabhängigen Geräten in einer extensiven Netzwerkumgebung zu ermöglichen und verwendet eine adaptive isochrone Netzwerktechnologie, um die Koexistenz im Zeitbereich sicherzustellen. Ein einzelner Kanal wird in Zeitfenster aufgeteilt und jede Übertragung erfolgt im störungsfreien Zeitfenster (Bild 1).

ZigBee, ein weiteres drahtloses Protokoll, gewinnt momentan Marktanteile als Niedrigstrom-Technologie für Heimnetzwerke hinzu. Im Gegensatz zu WLAN, das heutzutage als Sterntopologie in Wohnungen implementiert wird, ermöglicht das Maschennetzwerk von ZigBee die kosten- und stromsparende Abdeckung eines weiten Bereichs und die Übertragung durch so genannte tragbare Transceiver mit niedriger Stromaufnahme und damit kleineren Batterien.

Zudem lässt sich durch die Maschentopologie von ZigBee (Bild 2) auch die Position einer Person in ihrem privaten Wohnumfeld genauer feststellen.

Dies ist wichtig für Anwendungen und Geräte zur Aktivitätsüberwachung, bei denen der Verbraucher klären muss, ob ein älterer Patient auf dem Boden oder im nahe gelegenen Bett liegt. Bei LAN-Anwendungen ist WLAN der drahtlose De-facto-Standard. WLAN wird gegenwärtig in vielen Haushalten verwendet, um Laptops, Spielkonsolen, Blu-ray-Player, Set-Top-Boxen und Fernsehgeräte an das Internet anzuschließen.

Im Gegensatz zu ZigBee, das Verbindungen mit 250 KBit/s unterstützt (die durch so genannte »Hops« in Maschennetzwerken weiter reduziert werden), unterstützen die meisten WLAN-Zugangspunkte mehrere Megabit pro Sekunde an zu übertragenden Daten. Die Kapazität für WLANs steigt, damit Verbraucher mit verbesserten privaten Anschlüssen Videos und Daten an verschiedene Geräte der Unterhaltungselektronik übertragen können. Dieser Trend erfährt noch weiteren Auftrieb durch öffentliche Hot-Spots und Mobiltelefone, die schnellere Verbindungen über den Standard IEEE 802.11n ermöglichen.

Koexistenz gewährleisten

Da mehrere Geräte aus den Bereichen Unterhaltungselektronik und Healthcare in der Wohnung angesprochen werden müssen, stellen Gerätehersteller wie auch Verbraucher Frequenzstörungen zwischen mehreren drahtlosen Technologien fest. Ein Beispiel hierfür ist der gleichzeitige Einsatz von WLAN und Bluetooth. Beide verwenden zumeist dasselbe Frequenzband bei 2,4 GHz, obwohl ihre Kommunikationsprotokolle unabhängig sind. Der störungsfreie Einsatz von Bluetooth in einem System kann die verfügbare WLAN-Bandbreite um ein Drittel verkleinern, sodass Downloads langsamer ablaufen und die Qualität von Streaming-Videos beeinträchtigt sein kann.

Wenn ein WLAN-Router aufgrund von Störungen keine Verbindung aufrechterhalten kann, könnte die Verknüpfung ihr Zeitlimit überschreiten, sodass dieser die Verbindung abbricht. Wenn ein Bluetooth-Gerät beim Einschalten nach anderen Geräten sucht, können zu viele Störungen dazu führen, dass die Verknüpfung fehlschlägt. Da die meisten Verbraucher diese Probleme nicht verstehen, sehen sich die Gerätehersteller unzufriedenen Kunden gegenüber, die in Blogs über ihre Produkte schimpfen.

Zudem schmälert ein kostspieliger technischer Support ihre Gewinnspannen. Eine Kombi-Lösung, die mehrere Funktechnologien auf einem Chip integriert, kann viele dieser Probleme lösen (Bild 3). Durch »WiLink 6.0« von Texas Instruments beispielsweise lassen sich diese auf MAC-Ebene (Media Access Control) »intelligent« und nahtlos koordinieren, wodurch WLAN, Bluetooth, BLE, ANT und FM gemeinsam dieselbe Antenne benutzen können und gleichzeitig die Komponentenkosten gesenkt und die Systemleistung maximiert werden.

Die drahtlose Koexistenz bei diesen Kombi-Produkten wird gewährleistet, indem zunächst separate Frequenzbänder für den Betrieb einiger konkurrierender Funktechnologien (z.B. ZigBee und Wi-Fi) gesucht und dann die Zeiten verhandelt und synchronisiert werden, zu denen diese anstehende Daten übertragen. Der Einsatz mindestens eines drahtlosen Geräts, das all diese Technologien enthält (und sie synchronisiert), ist entscheidend, um sicherzustellen, dass andere drahtlose Personal-Health-Geräte, die später von den Verbrauchern hinzugekauft wurden, keine neuen Probleme mit den bereits vorhandenen Gesundheitsgeräten zu Hause verursachen.

Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit

Zusätzlich zu den Problemen der Koexistenz müssen Benutzer von drahtlos verbundenen Gesundheitsgeräten potenzielle Sicherheitsprobleme (Security) berücksichtigen. Da biometrische Daten übertragen werden, könnten diese Informationen ausspioniert werden, wenn sie nicht ordnungsgemäß verschlüsselt sind. Anhand dieser Daten (wenn sie online zur Verfügung gestellt werden) könnten beispielsweise dann manche Arbeitgeber die mit einem möglichen neuen Mitarbeiter verbundenen relativen Risiken ermitteln.

Obwohl Normungsgremien wie die ANT Alliance, Bluetooth SIG, ZigBee Alliance und Wi-Fi Alliance Verschlüsselungsverfahren zum Schutz solcher Daten spezifiziert haben, sind die mit den verschiedenen Technologien verbundenen Risiken unterschiedlich. WLAN birgt möglicherweise die größten Risiken, da WLAN-Geräte für gewöhnlich mit mehr Leistung übertragen, um die mit der Sterntopologie einhergehenden größeren Distanzen zu überwinden, und die Verbraucher zu Hause oft mit einem offenen Netzwerk arbeiten.

Die Übertragungsweite von Bluetooth und ANT ist meistens geringer, zudem sind diese Technologien in der Regel nicht für längere Zeiträume sichtbar. Obwohl sich neuere LAN-Technologien wie ZigBee möglicherweise mit ähnlichen Problemen wie WLAN auseinandersetzen müssen, ist eine Implementierung mit niedriger Sicherheit weniger wahrscheinlich, da ZigBee-Installationen anwendungsspezifischer sind. Angesichts des umfangreichen Einsatzes in Unternehmenskonfigurationen verfügt WLAN jedoch über hinreichend solide Verschlüsselungsverfahren wie WPA2.

Eine der größten Herausforderungen für Hersteller und Verbraucher von drahtlosen Produkten ist die Errichtung der anfänglichen Kommunikation (Pairing). Da beim Pairing die Benutzerfreundlichkeit im Zusammenhang mit drahtloser Koexistenz und Sicherheit beachtet werden muss, ist dies der häufigste Anlass für Anrufe beim Kundendienst. Um das Pairing zu vereinfachen, gleichzeitig jedoch die Sicherheit aufrechtzuerhalten, haben Normungsgremien wie die Wi-Fi Alliance Mechanismen spezifiziert.

Ein Beispiel dafür ist das »Wireless Protected Setup« (WPS) mit einfachen Pairing-Mechanismen wie dem gleichzeitigen Drücken einer Taste auf beiden Geräten. Für Ad-hoc-Verbindungen hat die Wi-Fi Alliance einen neuen Standard namens »Wi-Fi Direct« veröffentlicht, der das Pairing zwischen Geräten vereinfachen und gleichzeitig andere Netzwerktopologien ermöglichen soll.

Andere Standards wie beispielsweise ANT verfolgen einen weitaus einfacheren Ansatz, bei dem die Nähe zwischen zwei Geräten über energiesparende Übertragungen gemessen wird, um das Pairing automatisch einzurichten. Neu entstehende Standards wie »Near Field Communication« (NFC) versprechen, dieses Problem auf ähnliche Art zu lösen - und zwar mittels Magnetfeldern mit Zentimetereinteilungen.

Über die Autoren:

Anne Huang ist Medical Business Development Manager, Leo Estevez ist Wireless Connectivity Technology Strategist, beide bei Texas Instruments.