Sichere und zuverlässige Funkvernetzung Die IoT-Revolution für kommerzielle Gebäude

Pre-konform nach europäischen Normen

Das VdS-Zeichen ist ein Gütesiegel und für Sicherheitsverantwortliche der wichtigste Qualitätshinweis bei der Entscheidung, Anschaffung, Integration und Installation von Sicherheitstechnik und Sicherheitsdienstleistungen – vor allem in kommerziellen Gebäuden. Organisiert im Verbund mit anderen europäischen Ländern, ist der Verband der Sachversicherer auch weltweit in seinem Wirkungskreis anerkannt.

Durch ein VdS-Zertifikat werden sicherheitsrelevante Systeme zugelassen, nachdem sie auf Ihre Zuverlässigkeit, Ausfallsicherheit und mehr geprüft wurden. Ziel ist es durch den Einsatz der geprüften Techniken das Schadensrisiko zu mindern und letztendlich Schäden vorzeitig abzuwenden.

Die technischen Hürden sind enorm, um ein VdS-Zertifikat auf Produkt- und Systemebene zu erhalten. Ist ein Hersteller interessiert, ein Produkt mit einer Funkverbindung zertifizieren zu lassen, muss dieser Hersteller hohe Investitionen tätigen, um letztendlich seine proprietäre Funktechnik für sicherheitskritische Anwendungen zu entwickeln. Diese Funktechnik muss dann noch die Tests bestehen, was sehr langwierig sein kann. Dabei ist wichtig, dass die Rückwirkungsfreiheit auf die sicherheitstechnischen Anwendungen gegeben ist.

In jahrelanger Zusammenarbeit mit dem VdS ist es der IP500 Alliance gelungen, einen robusten und zuverlässigen Wireless-IoT-Standard in einem ersten Schritt der Pre-Konformität – nach der EN 50131-5-3 [2] – für einige wichtige Anwendungen als IoT-Plattform zu etablieren. Diese Pre-Konformität erlaubt es den Mitgliedern der IP500 Alliance, ihre Produkte, die mit einem IP500-Funkmodul (CNX200) ausgerüstet sind, ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand und sonstigen Pre-Konformitätstest zur VdS-Prüfung zu geben. Dadurch ergibt sich für den Hersteller eine erhebliche Ersparnis an Zeit und Kosten.

Funktechnik für höchste Ansprüche

Um allen Anforderungen gleichzeitig gerecht zu werden, sodass eine Konformität und Interoperabilität erreicht wird, haben die Mitglieder und Partner der IP500 Alliance das gesamte IP500-System auf allen drei Ebenen (Layer) aufeinander abgestimmt und entwickelt. Die drei Ebenen sind in dem Fall:

  • Funkübertragung (PHY/MAC).
  • Netzwerk-Stack und Applikation.
  • Protokoll, Infrastruktur, Gateway und Datenbank.

Die beiden ersten Ebenen – Funkübertragung und Netzwerk-Stack – sind eng aufeinander abgestimmt und bilden eigentlich eine Einheit, wie das Beispiel der True-Dual-Band-Technik mit Mesh-Topologie zeigt. In dem Fall stellt die PHY-Ebene beide Frequenzen gleichzeitig bereit und die Netzwerk-Stack-Ebene routet die Datenpakete abhängig von der Interferenz in einem der Bänder automatisch im Mesh-Verfahren zum Zielknoten – ein Gateway oder ein Endgerät.

Vorteile des IP500-Standards auf der Funk-Ebene

Aufgrund der Anforderungen aus der Systemebene ist die Wahl auf die Modulation (OQPSK – Offset Quadrature Phase-Shift Keying) gefallen. Die Basis hierfür ist der IEEE-Standard 802.15.4 (2006), der OQSPK für höhere Datenraten im 2,4-GHz-Band vorsieht. Durch die Systemanforderungen der Sicherheitsapplikationen wurde dann die gleichzeitige Nutzung beider Bänder – Sub-GHz und 2,4 GHz – im IP500-Standard festgelegt. Damit entstand eine sehr hohe Robustheit gegen Interferenzen.

Kombiniert mit dem asynchronen Meshing-Verfahren des Netzwerk-Stacks können der IP500-PHY und -Netzwerk-Stack unterschiedlichen Interferenzen ausweichen – sowohl bei Störungen auf der Frequenzebene als auch bei Störungen auf dem Routing-Pfad.

Die Messergebnisse in Bild 3 und 4, in realem Umfeld mit hoher Interferenz gemessen, wie sie typisch für Gebäude, Tunnel oder metallische Umgebungen (Flugzeuge und Schiffe) sind, geben einen Einblick in die Robustheit des IP500-Standards gegenüber anderen Funk-Standards die weltweit eingesetzt werden.

Kleinere Zahlen beim Signal-Rauschabstand (Position des Produkts weiter links in Bild 4) sind aus mehreren Gründen vorteilhaft:

  • Höhere Leistungsübertragungsbilanz (link budget).

  • Bei gegebenem Signal-Rauschabstand (SNR) verringert sich die Anzahl von fehlerhaft empfangenen Bits. Zum Beispiel: für SNR = 4 dB sind die empfangenen Nachrichten des IP500-Funkmoduls CNX200M in der Praxis fehlerfrei. Eine Bitfehlerrate BER = 10-6 bedeutet ein fehlerhaftes Bit pro eine Million empfangener Bits. Im Vergleich dazu, für das gleiche SNR = 4 dB, beträgt die BER für WiFi = 0,01 – ein fehlerhaftes Bit pro 100 empfangene Bits. Unter solchen Bedingungen (SNR = 4 dB) sind Funkstandards wie WiFi, Bluetooth oder LoRa nicht praktisch zu nutzen.

  • Reduzieren des Energiebedarfs – eine zuverlässige Übertragung benötigt bei kleinem SNR weniger HF-Sendeleistung.

Beim genauen Blick auf die Test-Resultate fällt auf, dass die bekannten Funk-Standards im kommerziellen oder industriellen Umfeld nicht umfänglich als Wireless-IoT-Plattform verwendbar sind, weil fehlende Leistung, Robustheit oder Sicherheit die IoT-Geschäftsprozesse empfindlich stören können.

Die Netzwerk-Ebene des IP500-Standards

Die Ebene des IP500-Netzwerk-Stacks ist verantwortlich für die Topologie des Netzwerks, die Skalierbarkeit, die Latenz und die Verschlüsselung der Daten – und somit für die Robustheit und Sicherheit im gesamten IP500-Netzwerk.

Den IP500-Aufbau nach dem bekannten OSI-Modell zeigt Bild 5. Entsprechend dem IEEE-802.15.4-Standard wurde das asynchrone Übertragungsverfahren gewählt.

In Bild 6 ist der Aufbau eines vollständigen IP500-Funk-Datenpakets dargestellt. Das MAC-Datenpaket entspricht den Vorgaben des IEEE-802.15.4-Standards (Bild 7). Bild 8 zeigt, wie sich bei IP500 der Kopf des Netzwerk-Datenpakets zusammensetzt.

 

Bilder: 5

Die Netzwerk-Ebene des IP500-Standards, Bilder 5-9

Die Netzwerk-Ebene des IP500-Standards, Bilder 5-9

 

Die Hauptfunktionen des Netzwerks sind:

  • Aufbau der Datenpakete (Frames) und Dateiköpfe (Header).
  • Weiterleitung der Pakete durch das asynchron arbeitende vermaschte Netzwerk mithilfe der Routing-Tabelle.
  • Sicherung und Verschlüsselung der Datenpakete.