Quelle: Elektronik 7/2019, elektronik.de

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

Das loT – lnternet of Things – wird immer greifbarer. Das lnternet und seine Dienste erleichtern unseren Alltag enorm. Egal ob Social Media, Streaming oder einfach nur die Möglichkeit, jederzeit auf lnformationen zuzugreifen, das alles ist fest in unserem Alltag integriert. Das lnternet 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 lnternet of Things” und ist
eine LPWAN-Technik aus dem Hause Fraunhofer. Die Einsatzgebiete solcher LPWANs sind vielfältig, Mioty wird vor allem im lndustrieumfeld 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 lndustrie 4.0 ist Mioty ebenso eine große Hilfe: Zustandsüberwachung von Produktionsmaschinen für eine vorausschauende lnstandhaltung 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-Netz­ werke 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 Batte­ rielebensdauer. 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 Sende­ dauer 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 Spannungs­ differenz, die proportional zur Last­ stromstärke 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 Lebens­ dauer des loT-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 (lndustrial,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 im 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.

Große loT-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 ver­binden, ohne deren Übertragungen koordinieren zu müssen. Das liegt am Telegramm-Splitting-Verfahren, das im Folgenden für diesen Aspekt genauer erklärt wird.
Zur Vereinfachung werden im 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 darge­ stellt. 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 Teil­ nehmer zum gleichen Zeitpunkt eine Übertragung, tritt nur dann ein Paket­ verlust 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 Netzwer 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 ETSl-Standard
Langfristig werden sich auf dem LPWAN­-Markt nur Funksysteme durchsetzen, die eine Kompatibilität zwischen Ge­räten erlauben. Mitte 2018 wurde der ETSl-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 Leistungs­ übertragungsbilanz (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 Übertragungsze itintervall 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 lndustrie-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 wur­ de 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 llS 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.

Josef Bernhard, Rend Dünkler, Jakob Kneißl und Lea Otte (Fraunhofer IIS)