Funknetzwerke Mioty – die Revolution des IoT

Revolution in den Funknetzwerken
Eine neue Generation von Niedrigenergieweitverkehrsnetzen für industrielle IoT-Anwendungen.

LPWANs im lizenzfreien Frequenzbereich kämpfen mit einem Nachteil: Sie müssen sich den Übertragungskanal mit anderen Funksystemen teilen. Um in diesem Bändern dennoch eine robuste Übertragung zu erreichen, wurde am Fraunhofer IIS ein neues Übertragungsverfahren entwickelt.

Das IoT – Internet of Things – wird immer greifbarer. Das Internet und seine Dienste erleichtern unseren Alltag enorm. Egal ob Social Media, Streaming oder einfach nur die Möglichkeit, jederzeit auf Informationen zuzugreifen, das alles ist fest in unserem Alltag integriert. Das Internet der Dinge erweitert diese Vernetzung und bezieht auch Dinge mit ein. Die Anwendungen hierfür sind breit gefächert und reichen bis zu einem komplett vernetzten, intelligenten Smart Home. Oder eben, größer gedacht, in eine Smart City. Das Prinzip ist einfach: Sensoren messen verschiedene Parameter und ihre Messdaten stehen zentral zur Verfügung. Dabei ist die Funkvernetzung, vor allem über weite Distanzen, elementar. Und mehr noch – die Batteriebetriebsdauer der einzelnen Sensoren soll mehrere Jahre betragen, damit deren Überwachung möglichst wenig Kosten verursacht. Die Low Power Wide Area Network (LPWAN) Funktechnik Mioty bietet genau das.

Wofür steht Mioty?

Der Name leitet sich ab von dem Ausdruck »My Internet of Things« und ist eine LPWAN-Technik aus dem Hause Fraunhofer. Die Einsatzgebiete solcher LPWANs sind vielfältig, Mioty wird vor allem im Industrieumfeld und in Smart-City-Szenarien eingesetzt.

Beispiele für solche Anwendungen in einer vernetzten Stadt sind vor allem die großflächige Überwachung von Umweltparametern wie Feinstaub, Temperatur oder Luftfeuchtigkeit. Auch Anwendungen wie Parkplatzmanagement sind denkbar. Für Industrie 4.0 ist Mioty ebenso eine große Hilfe: Zustandsüberwachung von Produktionsmaschinen für eine vorausschauende Instandhaltung ist hierfür nur ein Beispiel von vielen. Auch extremen Herausforderungen im Bergbau oder bei der Ölförderung kann Mioty als robustes Funknetzwerk begegnen. Dort ist eine hohe Störfestigkeit Voraussetzung.

Die Besonderheit: Telegramm-Splitting

Was macht Mioty zu einem besonders robusten Funknetzwerk? Das Einzigartige ist das sogenannte Telegramm-Splitting, mit dem Mioty arbeitet.

Technisch gesehen wird dabei das Signal, das von den Sensoren gesendet werden soll, in viele kleine Sendepakete, sogenannte Subpakete, unterteilt und auf unterschiedlichen Frequenzen und mit zeitlichen Abständen per Funk gesendet.

Die Darstellung in Bild 1 veranschaulicht dieses Verfahren. Dabei wird ein Telegramm in S Subpakete unterteilt und übertragen.

 

Die Vorteile des Splittings

Mit Hilfe des Telegramm-Splitting-Verfahrens werden wesentliche Leistungsfaktoren klassischer LPWA-Netzwerke signifikant verbessert, nämlich:

  • die effiziente Nutzung der bereitgestellten Kapazität des Energiespeichers (Batterie) und
  • die extreme Robustheit gegenüber Störern, sowie
  • die daraus resultierende hohe Netzwerkkapazität.

Batteriewechsel – nie wieder?

Mioty ermöglicht im Vergleich zu anderen auf dem Markt verfügbaren LPWAN-Techniken eine sehr viel längere Batterielebensdauer. Diese begründet sich zum einen in der kürzeren Übertragungsdauer (Sendezeit) und zum anderen in der Art wie Batterien belastet werden.

  • Kurze Sendezeit: Um eine gleich hohe Reichweite zu erzielen, brauchen andere LPWAN-Techniken eine Sendedauer von einer Sekunde und mehr. Mioty benötigt dagegen weniger als 400 ms Sendezeit. Durch die kürzere Betriebsdauer des Sendeverstärkers wird weniger Energie benötigt.
  • Geringere Belastung für die Batterie: Typische Batterien zur Realisierung einer langen Lebensdauer haben einen hohen Innenwiderstand und sind nur für eine geringe Strombelastung geeignet (Bild 2). Der Innenwiderstand der Batterie verursacht eine Spannungsdifferenz, die proportional zur Laststromstärke ist. Wenn die Spannung über dem Innenwiderstand zu hoch wird, reicht die Quellenspannung der Batterie nicht mehr aus, um den notwendigen Strom für den Sender zur Verfügung zu stellen. Die Schaltung kann ihre Funktion nicht mehr erfüllen.

Bei Funksendern findet typischerweise eine pulsartige Übertragung statt, bei der der Sender für eine bestimmte Zeit aktiv ist und danach in einen längeren Schlafmodus mit geringerer Stromaufnahme übergeht. Die während der Übertragungszeit höhere Stromaufnahme wird am Ende der Batterielebensdauer, wenn der Innenwiderstand ansteigt, entscheidend. Er führt zu einer höheren Spannungsdifferenz über dem Innenwiderstand, wodurch die Betriebsspannung der Schaltung unter den Mindestwert fällt, lange bevor die Nennkapazität der Batterie entladen wird.

Um dieses Problem des vorzeitigen Ausfalls zu verhindern, wird normalerweise ein Kondensator (CS) als Puffer verwendet. Die Größe des Kondensators hängt von der Dauer des Sendepulses ab. Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil des Telegramm-Splitting-Verfahrens. Für die kompakte, also ungeteilte, Übertragung eines Telegramms müssten große Kondensatoren eingesetzt werden. Sonst könnte die Nennkapazität der Batterie nicht vollständig ausgenutzt werden und die geplante Lebensdauer des IoT-Gerätes, z.B. ein Funksensor, würde nicht erreicht werden.

Aber dort liegt der große Vorteil bei Mioty: Das Aufteilen des Telegramms in mehrere Teilpakete reduziert die Größe des Kondensators um den Faktor 1/S. So kann die Nutzungsdauer der Batterien mit Mioty verlängert werden, um so problemloser eine Batterielebensdauer von zehn Jahren zu erreichen. Durch die oben beschriebene kürzere Sendezeit sowie wegen der geringeren Batteriebelastung können beispielsweise mit zwei Alkali-Mangan Mignonzellen (Typ: AA, ca. 2000 mAh) über elf Jahre hinweg zwei Telegramme pro Stunde mit 10 Byte Nutzdaten versendet werden. Dabei wird eine Ruhestromaufnahme von 2 μA zugrunde gelegt.

Durch eine Erweiterung um Energy Harvesting können Funksensoren mit Mioty-Sender autark und ohne Batterie betrieben werden. Auch in diesem Fall sorgt das Telegramm-Splitting für eine niedrigere Strombelastung, sodass ebenfalls auf große Kondensatoren verzichtet werden kann.

Robust gegenüber Störern trotz lizenzfreiem Frequenzband

Die meisten LPWAN-Systeme arbeiten, wie auch Mioty, im lizenzfreien Frequenzbereich, den sogenannten ISM- (Industrial, Scientific and Medical) oder SRD- (Short Range Devices) Bändern. Der Vorteil dieser Bänder ist, dass dort ohne Lizenzgebühren übertragen werden kann.

Durch den Umstand, dass diese Bänder ohne Gebühren verwendet werden können, werden diese Bänder von vielen verschiedenen Funksystemen wie Auto-Funkschlüsseln, Babyfonen oder Funkthermometern verwendet. Durch die Vielzahl an verschiedenen Anwendungen, die auf das gleiche Band zugreifen, steigt die Wahrscheinlichkeit einer gegenseitigen Störung und somit eines Paketverlustes. Genau für diesen Anwendungsfall wurde das Telegramm-Splitting in Kombination mit der hohen Kanalcodierung – Faltungscode mit Coderate 1/3 – entwickelt und erzielt damit eine unübertroffene Robustheit gegenüber Störsignalen. Damit ist es möglich, die Daten auch in stark genutzten Kanälen – bis zu 50 % des Kanals können durch Störung belegt sein – trotzdem zuverlässig ohne Verluste zu übertragen.

Die Auswirkungen von Störungen durch fremde Funksysteme sind in Bild 3 dargestellt. Dabei gilt es folgende drei Typen zu unterscheiden:

  • Breitbandige Störung, deren Signalbandbreite deutlich größer als die von Mioty ist: Durch die hohe Bandbreite – und damit auch Modulationsrate – haben diese Systeme eine im Vergleich zu Mioty kurze Übertragungsdauer. Durch die beim Telegramm-Splitting eingefügten Pausen zwischen den Subpaketen wird gewährleistet, dass maximal ein Subpaket von der Störung betroffen ist. Dieses eine gestörte Subpaket kann im Empfänger mittels der Kanalcodierung wieder hergestellt werden, sodass es trotz der Störung zu keinen Datenverlusten kommt.
  • Schmalbandige Störungen, deren Signalbandbreite, gleich oder kleiner als die von Mioty ist: Durch die geringe Bandbreite – und damit auch Modulationsrate – haben diese Systeme eine im Vergleich zu Mioty lange Übertragungsdauer. Durch das beim Telegramm-Splitting eingesetzte Frequenz-Hopping wird gewährleistet, dass maximal ein Subpaket von der Störung betroffen ist.
  • Störungen durch Systeme mit Frequenzspreizverfahren: Hierbei gilt es zwei verschiedene Arten von Verfahren zu unterscheiden. Im ersten Fall, bei dem die Frequenzänderung des Signals im Verhältnis der Bandbreite des Mioty-Signals relativ langsam ist, kann das Signal als schmalbandiger Störer angesehen werden. Falls ein Verfahren mit schnellem Frequenzwechsel eingesetzt wird, wird die Signalleistung über die gesamte Bandbreite verteilt. Somit ist der Leistungsanteil, der in das schmale Band eines Mioty-Kanals fällt, sehr gering. Weiterhin ist die Dauer eines solchen Signals typischerweise deutlich kürzer als die Dauer eines Mioty-Telegramms, sodass nur wenige Subpakete von der Störung betroffen sind, die im Empfänger wiederhergestellt werden können.