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Wireless IoT

Für reinen Batteriebetrieb

12. Mai 2017, 09:00 Uhr   |  Von Jürgen Hupp, Karin Loidl und Thomas Windisch


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Netzwerkweite Koordination

Eine zeitliche Koordination der Sende- und Empfangsvorgänge (Zeitmultiplexverfahren, Time Division Multiple Access – TDMA) vermeidet das permanente Idle Listening. Dies bedeutet, dass im Sender bekannt ist, wann ein Empfänger erreichbar ist. Dadurch lassen sich die Aktivitätszyklen der Transceiver reduzieren. Diese Verfahren werden bspw. bei IEEE 802.15.4 im sogenannten Slotted Mode verwendet. Der Standard unterstützt dabei allerdings nur eine einfache Stern-Topologie, die sich nicht auf größere Multi-Hop-Netze anwenden lässt. Erweiterungen für einen Multi-Hop-Betrieb, wie sie bspw. in WirelessHART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) verwendet werden, beschränken sich oft auf externe bzw. zentrale Koordination. Dies erschwert eine Selbstorganisation des Funknetzwerkes am Installationsort bei sich ändernden Funkbedingungen oder den Einsatz von mobilen Funkknoten.

Im Unterschied dazu definiert s-net eine selbstständige, zeitliche Organisation aller am Netz teilnehmenden Funkknoten in einem räumlich verteilten, vermaschten Multi-Hop-Netz. Diese Selbstorganisation erfolgt dezentral am Ort der Kommunikation und unterstützt damit auch mobile Knoten.

Energiesparenden, selbstorganisierenden Multi-Hop-Kommunikation ermöglicht s-net, Funkknoten
© Fraunhofer IIS

Bild 2. Mit der energiesparenden, selbstorganisierenden Multi-Hop-Kommunikation ermöglicht s-net, Funkknoten, auch die Vermittlungsknoten, über Batterie bzw. Energy Harvesting zu versorgen. Es schließt damit eine Lücke, die die bisher am Markt verfügbaren Standards für Funknetzwerke offen gelassen haben.

Erreichbarkeit

Bei Kommunikationsverfahren wie Bluetooth Low Energy (BLE) wird erst bei Bedarf eine bidirektionale Kommunikation zwischen Funkknoten aufgebaut. Vorher sendet ein Funkknoten zum Hinweis auf seine Existenz nichtadressierte Datenpakete aus – Advertising Mode. Knoten, die diese Hinweise empfangen, können daraufhin eine individuelle Kommunikationsverbindung aufbauen. Da zum Empfang der Hinweispakete der Empfänger aktiv sein muss, ergeben sich durch das Idle Listening wieder die oben beschriebenen Einschränkungen bei Weiterleitungsknoten. Knoten im Advertising Mode sind nicht in der Lage, andere Knoten zu entdecken. Darüber hinaus können aufgrund der Einzelverbindungen nicht viele Funkknoten gleichzeitig erreicht werden. Durch die kontinuierliche, bidirektionale Erreichbarkeit aller Knoten erfüllt s-net die Anforderungen hinsichtlich eines Batteriebetriebs aller Funkknoten im Netz (Bild 2).

Funktionsprinzip der s-net-Netzwerktechnik

Das Kommunikationsprotokoll von s-net beschreibt drei verschiedene Kommunikationsrollen: Master, Router und Endknoten (Bild 3). Der Master gibt den Takt des synchronen Protokolls für alle anderen Teilnehmer vor und definiert mit seinen zuvor konfigurierten Parametern die Eigenschaften der Kommunikation des Netzes. Gleichzeitig übernimmt der Master in der Regel die Kommunikation mit einer Datensenke oder -quelle bzw. sorgt im Zusammenspiel mit einem Gateway für einen Übergang in andere Netzwerke.

. Um den Master des s-net-Funknetzwerks werden die Teilnehmer in Schichtgruppen geordnet. Die Teilnehmer der Schichtgruppe 1
© Fraunhofer IIS

Bild 3. Um den Master des s-net-Funknetzwerks werden die Teilnehmer in Schichtgruppen geordnet. Die Teilnehmer der Schichtgruppe 1 kommunizieren direkt mit dem Master; ab der Schichtgruppe 2 erfolgt die Kommunikation mit dem Master über Router. Die Nummer einer Schichtgruppe minus eins repräsentiert dabei die Zahl der Vermittlungsstufen (Hops), die für eine Kommunikation mit dem Master passiert werden müssen.

Mit dem Master-Knoten können sich Router-Knoten und Endknoten selbstorganisierend verbinden, um mit ihm Daten auszutauschen.

Router-Knoten haben die Fähigkeit, diese Netzeigenschaften und den synchronen Takt für weitere, außerhalb der direkten Funkreichweite des Masters befindliche Teilnehmer zur Verfügung zu stellen. Aufgrund dieser Eigenschaft – auch Multi-Hop genannt – kann so die Reichweite bzw. Ausdehnung des Netzes vergrößert werden.

Die Endknoten leiten keine Daten mehr weiter und werden häufig als mobile Teilnehmer eingesetzt. Bei Bedarf können die Rollen von Funkknoten auch im Betrieb wechseln.

Netzorganisation und logische Kommunikationspfade

Die zeitliche Synchronisation aller Funkknoten im Netz erfolgt durch ein Synchronisationssignal, Beacon genannt, das vom Master generiert und über jeden Router-Knoten an den Nachfolger weitergegeben wird. Der Master bildet mit seinem Beacon die Schichtgruppe 0; alle Funkknoten, die direkt mit dem Master verbunden sind, bilden die Schichtgruppe 1. Alle Funkknoten, die mit Funkknoten der Schichtgruppe 1 verbunden sind, bilden die Schichtgruppe 2 usw. Somit wird ein Baum aufgespannt, bei dem die Endknoten das Ende der Äste darstellen.

Zusätzlich zur Kommunikation entlang der durch die Baumstruktur vorgegebenen Pfade bietet s-net auch vermaschte Kommunikationsmöglichkeiten zu benachbarten Teilnehmern ohne Umweg
© Fraunhofer IIS

Bild 4. Zusätzlich zur Kommunikation entlang der durch die Baumstruktur vorgegebenen Pfade bietet s-net auch vermaschte Kommunikationsmöglichkeiten zu benachbarten Teilnehmern ohne Umweg über den Master.

Gemeinsam mit dem Beacon können auch Daten für einen oder mehrere Nachfolger versendet werden, z.B. für Applikationsdaten, Steuerkommandos, Abfragen oder Firmware Updates.

Die Datenkommunikation (Data) in Richtung Vorgänger bzw. Master erfolgt in Gegenrichtung zum Beacon (Bild 4). Zusätzlich können Funkknoten auch außerhalb der Baumstruktur mit Nachbarknoten Daten austauschen (Meshed Data).

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1. Für reinen Batteriebetrieb
2. Netzwerkweite Koordination
3. Zeitliche Organisation
4. Mobile, smarte Kommissioniersysteme

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