Schwerpunkte

Funkprotokoll für Massive IoT

Standard für skalierbare Netzwerke

17. September 2020, 08:00 Uhr   |  Von Prof. Dr. Axel Sikora

Standard für skalierbare Netzwerke
© sdecoret | Shutterstock

Das Funkprotokoll Mioty erlaubt eine zuverlässige Datenübertragung auch in stark genutzten oder gestörten Umgebungen. Es wurde als ETSI-Standard spezifiziert, um sehr große Funknetzwerke mit vielen Knoten zu realisieren. Nun hat sich die Mioty Alliance gegründet.

Mit den Niedrigenergie-Weitverkehrsnetzen (LPWAN, Low-Power Wide Area Network) ist in den vergangenen Jahren eine komplett neue Kategorie von Funknetzen entstanden, die mit geringen Sendeleistungen im Milliwattbereich Reichweiten von vielen Kilometern erreichen können. Dabei kann diese Leistungsfähigkeit mit monolithisch integrierten ICs zu Kosten von einigen wenigen Euros erreicht werden. LPWA-Netzwerke sind somit eine »Enabling Technology« im besten Sinne, weil sie zahlreiche komplett neue Anwendungen, die vorher undenkbar waren, überhaupt erst technisch und kommerziell ermöglichen. Beispiele sind die vielen vernetzten Anwendungen des Internets der Dinge (IoT, Internet of Things) für die Smart City, für das Smart Metering, für das Infrastruktur- und für Umweltmonitoring usw.

Allerdings arbeiten praktisch alle LPWA-Funktechniken im lizenzfreien 868-MHz-Band – in Europa, für den Geltungsbereich der FCC (Federal Communications Commission) wird das »benachbarte« 915-MHz-Band verwendet. Die Nutzung dieses Bandes kann zu Koexistenzproblemen führen, wenn sich zu viele aktive Stationen in räumlicher Nähe befinden. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, dass aufgrund der meist nur recht niedrigen Datenraten die Übertragungsdauer »on-air« für einen Datenrahmen recht lang sein kann, womit die Kollisionswahrscheinlichkeit steigt. Außerdem ist zu erwarten, dass sich diese Koexistenzprobleme mit weiterem Markterfolg von LPWANs noch verschärfen werden, dass also der Erfolg eines »Massive IoT« zum Problem werden kann.

In diesem dynamischen Umfeld hat sich auf der »Embedded World« im Februar 2020 in Nürnberg die Mioty Alliance gegründet, die mit einem neuen Konzept die Koexistenzproblematik deutlichen entschärfen möchte. Zu den Gründungsmitgliedern der Mioty Alliance gehören Diehl Metering, Diehl Connectivity Solutions, das Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (FhG-IIS), IFM, Ragsol, Stackforce, Texas Instruments und WIKA Alexander Wiegand.

Mioty adressiert private LPWANs mit einem offenen Standard
© Stackforce

Bild 1. Mioty adressiert private LPWANs mit einem offenen Standard.

Ziel der Mioty Alliance ist die Standardisierung und Zertifizierung der kompletten Protokollfamilie, sowie die Bereitstellung kostengünstiger Lösungen für die gesamte Wertschöpfungskette vom IC- und Systementwickler bis hin zum Anwender.

Dabei positioniert sich Mioty (Bild 1) im bislang noch unbesetzten Feld der Funktechniken, die einerseits den Aufbau eigener Netze mit eigenen Basisstationen ermöglichen – also vergleichbar mit LoRa/LoRaWAN – die aber andererseits die Nutzung verfügbarer Transceiver-ICs für die Endgeräte erlauben – also vergleichbar mit Sigfox.

Funktechnik für eine robuste Kommunikation

Die zugrunde liegende Technik wurde als Telegram Splitting Ultra-Narrowband (TS-UNB) bereits im Frühjahr 2018 vom Europäischen Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI, European Telecommunications Standards Institute) standardisiert [1]. Bei diesem Ansatz wird ein Datenpaket einschließlich einer Pilotsequenz in mehrere kleine Sub-Pakete aufgeteilt (Bild 2), dann übergreifend mit einer Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC, Forward Error Correction) codiert und um weitere Pilotsequenzen erweitert.

Dank Telegram-Splitting mit Frequenzsprungverfahren ermöglicht Mioty eine störfeste und robuste Kommunikation auch in Netzen mit sehr vielen Endgeräten
© Mioty Alliance

Bild 2. Dank Telegram-Splitting mit Frequenzsprungverfahren ermöglicht Mioty eine störfeste und robuste Kommunikation auch in Netzen mit sehr vielen Endgeräten.

Die Pilotsequenzen dienen dabei sowohl der Unterscheidung der Sub-Pakettypen als auch der Phasenschätzung, die für die kohärente Demodulation (Synchron-demodulation) benötigt wird. Diese Sub-Pakete werden dann in den »Radio-Bursts« als modulierte Hochfrequenzsignale in unregelmäßigen Zeitschlitzen auf unterschiedlichen Frequenzen übertragen. Als Modulationsarten kommen entweder ein Minimum Shift Keying (MSK) oder ein Gaussian Filtered MSK (GMSK) mit dem Bandbreite-Zeit-Produkt BT = 1 und einem Differential Precoding zum Einsatz. Der Modulationsindex (η) beträgt in beiden Fällen 0,5.

Mit den Maßnahmen des sogenannten »Telegram Splitting Multiple Access« (TSMA) wird die Unempfindlichkeit gegen Störer (Koexistenzfestigkeit) und gegen typische Schmalbandeffekte gesteigert. Vor diesem Hintergrund tritt Mioty vor allem mit dem Anspruch einer besonders hohen resultieren Kanalkapazität und damit einer besonders guten Skalierbarkeit an.

  • Durch die stochastische Aufteilung auf unterschiedliche 15 ms kurze Zeitschlitze mit jeweils 36 bit – 24 Datenbits plus 12 Pilotbits – und schmale Frequenzschlitze reduziert sich die mittlere Kollisionswahrscheinlichkeit sowohl gegenüber anderen Mioty-Sendern als auch gegenüber andern Funksendern im gleichen Frequenzband.
  • Durch das Frequenzsprungverfahren werden typische Schmalbandeffekte, insbesondere das Deep Fading durch Interferenz von Mehrwegesignalen, im Mittel ausgeglichen.
  • Durch die übergreifende Vorwärtsfehlerkorrektur ist es auch bis zu einem gewissen Maße möglich, teilweise gestörte Sub-Pakete zu rekonstruieren. Dabei können bis zur Hälfte der Subpakete verloren gehen, bevor die Übertragung zusammenbricht.

Es wurden unterschiedliche TSMA-Profile (Pattern) definiert, die in drei Gruppen zusammengefasst sind.

In der einfachsten Fassung arbeitet Mioty unidirektional, wobei Endgeräte ihre Daten an eine Basisstation, z.B. Gateway, übertragen. Hierbei werden an den Empfänger im Gateway besondere Anforderungen gestellt, um – wie bereits oben erwähnt – die Endgeräte mit kostengünstigen Standard-Transceivern ausstatten zu können.

Insbesondere werden keine hohen Synchronitätsanforderungen gestellt, sodass kostengünstige Quarz-Oszillatoren mit einer relativen Genauigkeit von ± 20 ppm genutzt werden können. Bei einer Trägerfrequenz von etwa 900 MHz entspricht dies einer absoluten Abweichung von ungefähr ± 18 kHz, also mehr als dem Siebenfachen der Symbolrate. Da diese Abweichung jedoch für eine gesamte (kurzzeitige) Übertragung konstant ist, macht sie sich vorwiegend als Offset in Zeit und Frequenz bemerkbar. Die Abweichung kann aus der Schätzung aus den Pilotsequenzen aller Radio Bursts gemittelt werden.

Während der Übertragung zum Gateway (Uplink) müssen alle TSMA-Profile einer Gruppe gleichzeitig durchsucht werden, was einen breitbandigen Empfänger voraussetzt. Typischerweise kommen hierbei per Software gesteuerte Empfänger im Sinne von Software Defined Radio (SDR) zum Einsatz.

Im Fall von bidirektional arbeitenden Mioty-Netzwerken werden die Nachrichten von der Basisstation (Downlink), z.B. einem Gateway, in einem vordefinierten Intervall unmittelbar nach einer empfangenen Nachricht (Uplink) übertragen. Diese Nachrichten bestehen dann aus einem Core-Rahmen für die authentisierte Aktivierung des Empfängers (Wake-up) und als Empfangsbestätigung der vorangegangenen Uplink-Nachricht. Ihm folgt der Extension-Rahmen aus einem bis maximal elf Blöcken mit jeweils 18 Radio-Bursts für die Übertragung von 1 bis 250 Byte.

In Summe kann mit dem beschriebenen Aufbau eine Datenrate von 500 bit/s in einem Kanal von 200 kHz Bandbreite erreicht werden, wobei die Basisstation etwa 65.000 Nachrichten pro Stunde aggregieren kann. Als Empfängerempfindlichkeit werden mit heutigen Transceiver-ICs etwa –140 dBm bei einem Rauschfaktor von 5 dB erreicht.

Wireless Congress 2020
© Elektronik

11.–12. November 2020 in München.

Mioty beim Wireless Congress

Die Mioty Alliance wird auf dem Wireless Congress am 11. und 12. November 2020 in München die Technik in einer Mioty-Session ausführlich vorstellen und über erste Applikationen berichten.

www.wireless-congress.com.

Standardisierung

Neben den Marketingaktivitäten, um die Technik in den Markt zu bringen, hat sich die Mioty Alliance e.V. die Aufgabe gestellt, den Standard ETSI TS 103 357 [1] technisch weiter zu entwickeln, um Mioty z.B. für neue Anwendungen und Regionen nutzbar zu machen. Hierfür wurde ein Technical Committee (TC) initiiert. Das TC hat hierbei die wesentliche Aufgabe, die technische Ebene des gesamten Wirtschaftsökosystems auf Basis des Standards ETSI TS 103 357 [1] zu spezifizieren. Dazu zählt auch die Zertifizierung von Komponenten. Sie garantiert die Interoperabilität der Mioty-Komponenten von unterschiedlichen Herstellern untereinander.

Das TC erarbeitet auch Erweiterungen und Änderungen, die dann in den ETSI-Standard einfließen sollen. Aktuell werden im TC insbesondere zwei Fragestellungen betrachtet:

Derzeit haben alle LPWAN-Techniken das Problem, dass sie zwar verschiedene neue Anwendungen in unterschiedlichen vertikalen Industrien ermöglichen, der Integrationsaufwand jedoch noch vergleichsweise hoch ist und daher von vielen Firmen aus Gründen von fehlenden Mittel oder Kompetenzen nicht geleistet werden kann. Um diese Einstiegshürde zu reduzieren, arbeitet das TC intensiv daran, eine Applikationsschicht zu spezifizieren, die den Integrationsaufwand reduziert und die Interoperabilität fördert.

Eine weitere Aktivität bezieht sich auf die Nutzbarkeit von Mioty in verschiedenen Regionen. Aktuell spezifiziert der Standard ETSI TS 103 357 [1] nur die Nutzung in den Frequenzbändern 868 MHz für den europäischen Markt, sowie 915 MHz für den US-amerikanischen und ähnliche Märkte. Um die Nutzung auch in anderen Ländern und Märkten zu ermöglichen, insbesondere in den asiatischen, sollen neue Frequenzbänder und deren Nutzung erarbeitet und spezifiziert werden.

Hardware Plattformen

Mit dem Entwicklungsmodul zum Transceiver-IC CC1310 [2] von Texas Instruments lassen sich Mioty-Endgeräte als Sender realisieren
© Texas Instruments

Bild 3. Mit dem Entwicklungsmodul zum Transceiver-IC CC1310 [2] von Texas Instruments lassen sich Mioty-Endgeräte als Sender realisieren.

Die Bridge von Stackforce ermöglicht die Verbindung eines Mioty-Netzwerks mit einem anderen Netzwerk
© Stackforce

Bild 4. Die Bridge von Stackforce ermöglicht die Verbindung eines Mioty-Netzwerks mit einem anderen Netzwerk. 

Für Geräteentwickler sind insbesondere die Endgeräte interessant. Wie bereits beschrieben, ist die Gesamtarchitektur des Mioty-Netzwerkes so aufgebaut, dass viele moderne Funk-Transceiver die Anforderungen erfüllen. Das heißt, für das Versenden von Daten durch den Endknoten (Uplink) ist es ausreichend, wenn der Funk-Transceiver-IC die (G)MSK-Modulation unterstützt, was FSK-Funk-Transceiver-ICs typischerweise immer können.

Zudem sollte es möglich sein, Präambel und Sync-Word zu deaktivieren. Beispiele für geeignete Funk-Transceiver-ICs sind der CC1310 von Texas Instruments [2] (Bild 3) und der Si4463 von Silicon Labs [3] , sowie der SX1276 von Semtech [4]. Für das Empfangen von Daten durch den Endknoten (Downlink) ist allerdings der Zugang zu einer IQ-Schnittstelle notwendig, um im Bitstrom nach den Pilotbits suchen zu können. Für die Basisstation, z.B. ein Gateway, gibt es bislang eine sehr flexible und leistungsfähige Plattform basierend auf einem i3-Mikroprozessor von Intel. Weitere, kostengünstigere Plattformen für Basisstationen sind in Vorbereitung.

Software-Implementierungen

Der Software-Stack für Mioty-Endgeräte wurde mit einer separaten Hardware-Abstraktionsschicht (HAL, Hardware Abstraction Layer) ausgeführt, um Anpassungen an neue Transceiver-ICs schnell und effizient realisieren zu können
© Stackforce

Bild 5. Der Software-Stack für Mioty-Endgeräte wurde mit einer separaten Hardware-Abstraktionsschicht (HAL, Hardware Abstraction Layer) ausgeführt, um Anpassungen an neue Transceiver-ICs schnell und effizient realisieren zu können.

Für Transceiver-ICs können Entwickler seit Neuestem vorgefertigte Software nutzen, angeboten in verschiedenen Lizenzmodellen. Diese reichen von kostenlosen Evaluierungsversionen für Testzwecke über Standardinstallationen mit Einzellizenzgebühren bis hin zu maßgeschneiderten Paketen für große Stückzahlen.

Die Architektur der Software für das Mioty-Protokoll (Bild 5) ist sehr modular aufgebaut und wird kontinuierlich an weitere Hardwareplattformen angepasst. Hervorzuheben ist, dass hier die gesamte Hardwareabstraktion herausgelöst wurde, sodass Anpassungen an neue Transceiver-ICs sehr zügig und effizient durchgeführt werden können.


Literatur

[1] ETSI TS 103 357. Short Range Devices; Low Throughput Networks (LTN); Protocols for radio interface A. Technical Specification, V1.1.1, 2018, www.etsi.org/deliver/etsi_ts/103300_103399/103357/01.01.01_60/ts_103357v010101p.pdf.

[2] CC1310 SimpleLink Ultra-Low-Power Sub-1 GHz Wireless MCU. Texas Instruments, Datenblatt, Juli 2018, www.ti.com/lit/ds/symlink/cc1310.pdf?ts=1590482726745.

[3] Si4464/63/61/60 High-Performance, Low-Current Transceiver. Silicon Labs, Datenblatt, 2016, www.silabs.com/documents/public/data-sheets/Si4464-63-61-60.pdf.

[4] SX1276/77/78/79 137 MHz to 1020 MHz Low Power Long Range Transceiver. Semtech, Datenblatt, Januar 2019, https://semtech.my.salesforce.com/sfc/p/#E0000000JelG/a/2R0000001OKs/Bs97dmPXeatnbdoJNVMIDaKDlQz8q1N_gxDcgqi7g2o

[5] Bernhard, J.; Dünkler, R.; Kneißl J. und Otte, L.: Funknetzwerke – Mioty – die Revolution des IoT. Elektronik, 2019, H. 7, S. 26–30.

Der Autor

Prof. Dr. Axel Sikora
© Sikora

Prof. Dr.-Ing. Axel Sikora, Hochschule Offenburg/Hahn-Schickard.

Prof. Dr. Axel Sikora

ist wissenschaftlicher Direktor des Instituts für verlässliche Embedded Systems und Kommunikationselektronik (ivESK) an der Hochschule Offenburg, sowie Bereichsleiter »Software Solutions« und stellvertretender Institutsleiter bei der Hahn-Schickard Gesellschaft für Angewandte Forschung e.V. in Villingen-Schwenningen. Darüber hinaus ist er auch Gründer und Gesellschafter des UnternehmensStackforce, einem der Gründungsmitglieder der Mioty Alliance, das als Stack-Provider und Ingenieur- dienstleister aktiv ist.

axel.sikora@hs-offenburg.de

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