Funknetzwerke Mioty – die Revolution des IoT

Große IoT-Netzwerke bedeuten hohe Netzwerkkapazität – oder?

Durch die Nutzung des Telegramm-Splitting-Verfahrens kann die Netzwerkkapazität gegenüber anderen Verfahren ohne Telegramm-Splitting extrem erhöht werden. Mioty-Netzwerke können hunderttausende unabhängige Endgeräte mit nur einer Basisstation ver-binden, ohne deren Übertragungen koordinieren zu müssen. Das liegt am Telegramm-Splitting-Verfahren, das im Folgenden für diesen Aspekt genauer erklärt wird.

Zur Vereinfachung werden in Bild 4 zwei Endgeräte betrachtet. Sie senden innerhalb eines Zeitintervalls (TT) periodisch Telegramme aus. Von Zeit zu Zeit können sich die beiden Telegramme so überlappen, dass mindestens eines oder auch beide nicht korrekt empfangen werden. Dies tritt nur auf, wenn sich mindestens 50 % der beiden Telegramme überlappen. Eine solche Überlappung kann nur dann auftreten, wenn das störende Telegramm – gleiche Sendedauer – frühestens eine halbe Telegrammdauer vor der gewünschten Aussendung beginnt. Der letztmögliche Zeitpunkt, an dem sich mehr als 50 % der Telegramme überlagern, ist eine halbe Telegrammdauer nach dem Beginn der gewünschten Aussendung. Diese Zeitspanne umfasst somit eine ganze Telegrammdauer und wird in Bild 4 als Kollisionsintervall bezeichnet.

In Bild 4 wird das Kollisionsintervall am Beispiel einer klassischen Übertragung ohne Telegramm-Splitting und einer Übertragung mit Telegramm-Splitting gezeigt. Die Anzahl der Subpakete ist in Bild 4 mit dem Buchstaben S dargestellt. Die Subpakete werden mit einer bestimmten Dauer (TS) und unterschiedlichen übertragungsfreien Zeitintervallen dazwischen gesendet, wobei die Gesamtdauer aller Subpakete der gleichen Dauer wie der klassischen Übertragung entspricht, also TS= TT/S.

Beim Telegramm-Splitting verringert sich das Kollisionsintervall um den Faktor S und somit wird die Wahrscheinlichkeit eines Paketverlustes im gleichen Maß reduziert. Bei gleicher Paketverlustrate für die klassische Übertragung und die Übertragung mit Telegramm-Splitting, kann mit Mioty eine größere Netzwerkkapazität erreicht werden.

Kanalcode und Sprungmuster zur maximalen Fehlervermeidung

Eine technische Besonderheit bei Mioty ist der verwendete Kanalcode. Er kann Fehler korrigieren, indem die Daten eines oder mehrerer gestörter Teilpakete rekonstruiert werden.

Die Aufteilung der Subpakete auf die Zeit und die Frequenz wird auch als Sprungmuster bezeichnet. Dabei ist die Möglichkeit gegeben mehr als ein Sprungmuster zu definieren. Damit ist es sogar möglich zwei Teilnehmer parallel zu empfangen, wenn beide ihre Übertragung innerhalb des Kollisionsintervalls starten.

Es wird ein Satz an Sprungmustern definiert, die sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt sind. Der Sender wählt eines dieser Muster für die Übertragung aus, z.B. zufällig oder nach einer Vorschrift. Starten nun zwei Teilnehmer zum gleichen Zeitpunkt eine Übertragung, tritt nur dann ein Paketverlust auf, wenn beide Teilnehmer das gleiche Sprungmuster wählen. Im Vergleich zum vorherigen Szenario (Bild 4) mit nur einem Sprungmuster, kann somit die Wahrscheinlichkeit eines Paketverlustes weiter reduziert werden.

In einem Netzwerk mit vielen asynchronen Endgeräten, die nicht untereinander synchronisiert sind, treten dann Teilpaketkollisionen nur zufällig auf. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Kollisionen nicht aufgelöst werden können, verringert sich im Vergleich zur klassischen kompakten Telegrammübertragung drastisch.

Wie in den vorherigen Absätzen gezeigt, ergibt sich durch das Telegramm-Splitting im Vergleich zu der klassischen Übertragung am Stück eine deutlich geringere Wahrscheinlichkeit eines Paketverlustes, wodurch bei gleicher Ausfallwahrscheinlichkeit mehr Teilnehmer in einem Mioty-Netzwerk kommunizieren können.

Unabhängig vom Transceiver

Mioty wurde als reine Software konzipiert. Ein Mioty-Netzwerk besteht aus einfachen, kostengünstigen Sensorknoten und einer leistungsfähigen Basisstation. Durch die Verwendung einer MSK-Modulation (Minimum Shift Keying), können viele der auf dem Markt erhältlichen Sub-GHz-Funk-ICs für Mioty verwendet werden. Senderseitig kommen neben den Sensoren also Standard-ICs zum Einsatz. Damit haben Endgeräteentwickler und Anwender den Vorteil einer Second Source und sie können zusätzlich von den günstigen Preisen der in großen Stückzahlen gefertigten ICs profitieren.

Das Signal der Endgeräte (Sender) wird in der Basisstation von einer Software-Defined-Radio-Eingangsstufe (SDR) digitalisiert und von einem in Software realisierten Empfänger decodiert. Die Schaltung dafür basiert ebenso auf handelsüblichen Komponenten.

Konform zum ETSI-Standard

Langfristig werden sich auf dem LPWAN-Markt nur Funksysteme durchsetzen, die eine Kompatibilität zwischen Geräten erlauben. Mitte 2018 wurde der ETSI-Standard TS 103 357 für Low-Throughput-Networks veröffentlicht. Dieser LPWAN-Standard umfasst unter anderem die Protokollfamilie TS-UNB (Telegramm-Splitting – Ultra-Narrowband) die auch das Telegramm-Splitting definiert.

TS-UNB verwendet Telegramm-Splitting Multiple-Access für die Übertragung vom Endgerät zur Basisstation (Uplink) und zurück (Downlink) – ist also bidirektional. Das Telegramm besteht aus einem Kernrahmen, der bis zu 10 Byte Anwendungsdaten enthalten kann. Bei größeren Anwendungsdaten bis zu 245 Byte wird ein optionaler Erweiterungsrahmen angehängt, der die weiteren Daten enthält. Für jedes zusätzlich zu übertragende Byte Anwendungsdaten wird ein zusätzliches Subpaket angefügt.

Ein weiteres Hauptmerkmal von TS-UNB ist die MSK-Modulation mit differenzieller Vorcodierung. Die MSK-Modulation verfügt über eine konstante einhüllende Kurve, sodass Leistungsverstärker mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden können. Die differenzielle Vorcodierung ermöglicht eine kohärente Decodierung auf der Empfängerseite. Dadurch wird eine maximale Leistungsübertragungsbilanz (Link Budget) von 153 dB, ein typischer Wert für Low Power Wide Area Networks, bei höheren Datenraten erreicht.

Im Standard-Betriebsmodus beträgt die Übertragungszeit eines Subpakets circa 15 ms. Fügt man alle Subpakete ohne Pausen zusammen, dann resultiert daraus eine Sendezeit von circa 363 ms. Aufgrund der eingefügten Pausen zwischen den Subpaketen beträgt das Gesamtübertragungsintervall eines Standard-Telegramms – bis zu 10 Byte Anwendungsdaten – bei Verwendung des Standard-TSMA-Musters etwa 3,63 s. Für Anwendungen mit geringeren Latenzanforderungen ist ein spezielles TSMA-Muster vorgesehen, mit dem sich das Übertragungszeitintervall auf 0,77 s reduziert.

Für das Aussenden einer Bestätigungsnachricht (ACK) von der Basisstation (Downlink) beträgt die Übertragungszeit eines Subpakets ca. 12 ms. Durch die reduzierte Anzahl an Subpaketen kann im Downlink im Vergleich zum Uplink die Sendezeit auf 106 ms reduziert werden. Auf diese Bestätigungsnachrichten können Datenübertragungsblöcke mit jeweils 18 Subpaketen folgen. Pro Downlink-Nachricht können bis zu 245 Byte Anwendungsdaten übertragen werden.

Mehrwert und Realisierung eines Mioty-Netzwerkes

Viele Mioty-Netzwerke werden derzeit in Testinstallationen eingesetzt – beispielsweise im Industrie-4.0-Umfeld für die vorausschauende Überwachung von Produktionsanlagen.

Sogar im besonders schwierigen Bergbau-Umfeld wurde Mioty schon verwendet: Gemeinsam mit einem kanadischen Partnerunternehmen wurde Mioty unter Tage erfolgreich getestet. Die Belüftung ist im heutigen Bergbau der größte individuelle Kostenfaktor – insbesondere, da Bergwerke tiefer und komplexer werden. Die Luftqualität im gesamten Bergwerk überwachen zu können, erlaubt den gezielten Luftaustausch zwischen den einzelnen Abschnitten. Dazu erfassen Sensoren den Sauerstoff- und Kohlenmonoxidgehalt an bestimmten Messpunkten.

Das Mioty-Funknetzwerk verbindet die Sensoren zur Messung der Luftqualität kostengünstig und robust. Bislang wurde WLAN verwendet, um Funksensoren in dem Bergwerk zu verbinden. Durch die eingeschränkte Funkreichweite müssten dazu etwa alle 50 m WLAN-Zugangsknoten platziert und über Kabel verbunden werden. Da Kabel im Bergbaubetrieb leicht durchtrennt werden können, benötigen Bergbauunternehmen eine leistungsfähige Funktechnik. Mioty ersetzt mit zwei Basisstationen eine Vielzahl an WLAN-Zugangknoten – und reduziert somit auch die Installationskosten.

Das Fraunhofer IIS bietet mit Mioty eine robuste Funkübertragung. Sie wurde aufbauend auf der langjährigen Erfahrung im Bereich der Kommunikation entwickelt und ist an die Anforderungen industrieller Anwender angepasst. Das sind die Voraussetzungen für den Einzug der Funktechnik in die Zukunft, z.B. zur Umweltüberwachung in der Industrie, Zuhause und in städtischen Netzwerken. Diese futuristisch klingenden Szenerien können schon in wenigen Jahren zur Realität werden.

 

 

Die Autoren

Josef Bernhard

leitet am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) die Abteilung Energieautarke Funksysteme, die sich mit der autarken Energieversorgung wie Energy Harvesting und Low-Power-Funksystemen für die Kommunikation und Lokalisierung im Internet der Dinge beschäftigt.

Er arbeitete an der Entwicklung der LPWAN-Technik Mioty mit und war an der Standardisierung des ETSI Standards TS 103 357 für Low Throughput Networks beteiligt.

josef.bernhard@iis.fraunhofer.de

 

René Dünkler

studierte Betriebswirtschaft an der TU Ilmenau und begann anschließend seine berufliche Laufbahn im Technologie-Marketing des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen (IIS).

Er arbeitet seit 1999 am Institut und ist derzeit im Marketing und Kundenmanagement des Bereiches Lokalisierung und Vernetzung in Nürnberg tätig. Die Hauptaktivitäten sind dabei Lokalisierung, Funkkommunikation und IoT.

rene.duenkler@iis.fraunhofer.de

 

Jakob Kneißl

kam nach dem Abschluss seines Studiums als Elektroingenieur zum Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen. Dort arbeitet er seit 2013 in der Abteilung Funkkommunikationssysteme und forscht an neuartigen Kommunikationslösungen im Umfeld von IoT für Niedrigenergie-Weitverkehrnetzwerke (LPWAN).

Die Hauptaktivitäten liegen dabei in der Wellenformentwicklung sowie in der digitalen Signalverarbeitung.

jakob.kneissl@iis.fraunhofer.de

 

Lea Otte

studiert Technikjournalismus und PR an der TH Ohm in Nürnberg. Aktuell arbeitet Sie als Werkstudentin beim Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) im Marketing für die Bereiche Lokalisierung, Vernetzung und Identifikation sowie Virtual Reality.

lea.otte@iis.fraunhofer.de