Aktuelles

Projekt F-Tune: Digital abstimmbare HF-Filter

Die immer stärkere Nutzung des verfügbaren Frequenzspektrums stellt die Gesamtheit der Kommunikationsindustrie vor große zu meisternde Herausforderungen: Drahtlose Kommunikationssysteme müssen zunehmend in der Lage sein, auftretende Koexistenz- und Interferenzprobleme zu mitigieren. Digital abstimmbare HF-Filter bieten an dieser Stelle eine adäquate Lösung und sorgen dafür, dass Multistandard-Geräte mit den sich ständig weiterentwickelnden Kommunikationsstandards flexibel Schritt halten können.

Die am Fraunhofer IIS, Abt. RF and SatCom Systems Department entwickelten abstimmbaren Hochfrequenzfilter, erhöhen die Flexibilität von Sende- und Empfangsgeräten hinsichtlich Frequenzselektivität und -agilität. Die Filtermodule selektieren zuverlässig das benötigte Frequenzspektrum, während sie die Signale außerhalb des gewählten Bereichs unterdrücken. Somit ist es möglich „Störsignale“ aus dem Nutzbereich zu herauszufiltern.

Zusätzlich sind sie digital einstellbar, weisen eine geringe Baugröße auf, sind als lötbare SMD-Module erhältlich und können im laufenden Betrieb rekonfiguriert werden. Einsatz finden die HF-Filter in vielfältigen Anwendungen, zum Beispiel in den Bereichen Mobilfunk, Öffentliche Sicherheit, Internet of Things und Satellitenkommunikation.

Projektziele

Ziele des gemeinsamen Projektes der LZE GmbH, als Technologie Transfer Office des Fraunhofer IIS, IISB und der FAU, dem Fraunhofer IIS und der Wirtschaftsuniversität Wien waren es, geeignete Use Cases für den Einsatz der HF-Filter zu identifizieren und diese use cases im Anschluss anhand von verschiedenen Kriterien zu bewerten. Es sollte somit eine Möglichkeit geschaffen werden, um fundierte Aussagen über die entsprechenden Zielmärkte und Konkurrenzsituation ableiten zu können. Im Ergebnis sollten die Erkenntnisse in einem Businessplan zusammengetragen werden.

Methode

Anhand von zahlreichen Experteninterviews und mithilfe der TCL-Methode, hat das Projektteam über 30 konkrete Use Cases identifiziert. Entlang der gesamten Wertschöpfungsketten dieser Use-Cases wurden Interviews geführt, um die derzeitigen Herausforderungen der Nutzer und um Wünsche oder Aufgaben der Marktakteure zu verstehen. Mittels dieser Erkenntnisse konnten Marktpotentiale und die jeweiligen Zahlungsbereitschaften in der Anwendung extrapoliert werden. Im Ergebnis konnten zudem anhand der gewonnen Marktdaten die profitabelsten und am stärksten wachsenden Märkte für das Produkt identifiziert werden. Da strategische Partnerschaften ein Schlüsselelement für ein nachhaltiges Geschäftsmodell sein können, wurde außerdem eine Vielzahl potenzieller Partner identifiziert und angesprochen.

Ein Beitrag der Wirtschaftsuniversität Wien, Institut für Entrepreneurship & Innovation zur Zusammenarbeit mit Fraunhofer IIS und LZE GmbH

Für weitere Infos https://www.wu.ac.at/entrep/kooperationen/bisherige-praxisprojekte/practiceproj-detail/detail/f-tune


So könnten leistungselektronische Schaltungen entscheiden

Leistungselektronische Wandler erfassen Kenngrößen wie Strom, Spannung und deren Veränderung. Die Schaltungen könnten den Gesamtsystem-Zustand ermitteln und intelligente Entscheidungen treffen.

Fachartikel von Dr.-Ing. Martin Schellenberger, Dr.-Ing. Bernd Eckardt, Dr.-Ing. Vincent Lorentz können sie weiterlesen unter www.all-electronics.de


Kooperative Dienstleistungen

Buchbeitrag zum Engagement zwischen Organisationen am Beispiel von Fraunhofer IIS und IISB und FAU Erlangen-Nürnberg.

Wie gelingt es, dass Akteure aus mehreren Organisationen zusammen kollaborieren, um gemeinsam Innovationen hervorzubringen? Während das Verständnis von Co-Kreation und die Motivation für z. B. Open Innovation im Kontext von Kunden und Marken mittlerweile ein etabliertes Forschungs- und Handlungsfeld ist, gibt es beim Thema Zusammenarbeit zwischen mehreren Organisationen noch Forschungsbedarf. Ein Konzept, das versucht zu erklären, wie sich Akteure auf verhaltensbezogener, kognitiver und emotionaler in gemeinsame Wertschöpfungs- und Innovationsprozesse einbringen ist „Engagement“.

Um die Bedeutung und den Einfluss von individuellem Engagement auf kollaboratives Innovieren zu untersuchen, wurde am Beispiel von Leistungszentrum Elektroniksysteme LZE eine Fallstudie umgesetzt.

Im Kontext des kollaborativen Innovierens bietet LZE mit mehreren Teilprojekten einen ungewöhnlichen Forschungszugang (z. B. Siggelkow 2007) für die Analyse von Engagement, der die in-situ Erforschung sozialer Interaktionen ermöglicht, wie z. B. von Edvardsson et al. (2011) und Echeverri (2017) vorgetragen.

Kooperative Dienstleistungen. Manfred Bruhn, Karsten Hadwich. Springer Verlag. Kapitel 4. Kooperation bei Dienstleistungsinnovationen. Engagement – Voraussetzung für kollaboratives Innovieren. Julian Boha, Julian Boha, Julia M. Jonas und Kathrin M. Möslein. S. 407-429. https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-3-658-26389-8


Halbleiter aus der Fränkischen Schweiz

Die ganze Computertechnik kommt aus dem Silicon Valley? Mitnichten! Was hierzulande kaum jemand weiß – wichtige Grundlagen und Erfindungen von heute noch weltweiter Bedeutung wurden lange vor Intel und Co. in der Nachkriegszeit in einem alten Schloss in dem idyllischen kleinen Dorf Pretzfeld in der Fränkischen Schweiz gemacht. Hier wurde mit Pionierleistungen in der Halbleiterforschung Technikgeschichte geschrieben.

Nach dem zweiten Weltkrieg war die Firma Siemens war auf der Suche nach neuen Standorten statt des zerstörten Berlin. Bereits 1944 war der bekannte Physiker Walter Schottky mit seiner Familie von Berlin nach Pretzfeld umgezogen. Dies war mit einer der Gründe für die Gründung des Siemens-Labors im Schloss Pretzfeld 1946 unter der Leitung von Eberhard Spenke. Es war ein Glücksfall, dass mit Schottky und Spenke – ergänzt durch Heinrich Welker in Erlangen – gleich mehrere Physiker von Weltrang in der Region zusammen kamen. Dank ihnen erlangte die deutsche Halbleiterforschung in den 1950er Jahren Weltgeltung. Die Zeit 1946-56 war hier ein Jahrzehnt stürmischer Entwicklung.

Zentrale Entwicklungen aus Pretzfeld aus dieser Zeit umfassen das heute weltweit verwendete und als Siemens-Prozess bekannte Verfahren zur Gewinnung von Reinstsilizium oder die Präsentation des ersten Silizium-Leistungsgleichrichters. Anfang der 1950er Jahre wurden verschiedene Materialien bezüglich ihrer Eignung für Halbleiterbauelemente untersucht, darunter auch Germanium. Allerdings war Germanium nicht für höhere Temperaturen geeignet. Siemens-Pretzfeld setzte – goldrichtig – auf Silizium, das dann seinen Siegeszug antrat.

Bis in die 1980er Jahre wurde in Pretzfeld Forschung und Entwicklung für die Leistungselektronik betrieben. 1990 wurde das Siemens-Labor mit den Halbleiteraktivitäten der Firma AEG unter dem Namen eupec zusammengelegt. Erst 2002 wurde der Standort aufgegeben. Heute erinnert nur noch die Walter-Schottky-Straße in Pretzfeld an die High-Tech-Vergangenheit des im Jahr 1145 erstmals urkundlich erwähnten Schlosses. Die in Pretzfeld begründeten Technologien stecken heute in jedem Smartphone, Laptop oder Fernseher, ebenso in jeder Solaranlage und in modernen Stromnetzen. Eine Energiewende wäre ohne diese Grundlagen nicht möglich.

Dieses fast vergessene Kapitel der Technikgeschichte wurde am 29. April 2019 im Rahmen des öffentlichen Leistungselektronik-Kolloquiums von Fraunhofer IISB, Cluster Leistungselektronik und Leistungszentrum Elektroniksysteme (LZE) präsentiert. Der frühere FAU-Professor Georg Müller und der ehemalige Pretzfeld-Mitarbeiter Alfred Porst informierten in ihren Vorträgen anschaulich über die Geschichte des Pretzfelder Halbleiterlabors, die technologischen Entwicklungen zu Halbleitermaterialien und Leistungselektronik und die besondere, von Kollegialität und Aufbruchsstimmung geprägte Arbeitsatmosphäre im Schloss in dieser Zeit. Zahlreiche Zeitzeugen und ehemalige Mitarbeiter und Kooperationspartner des Pretzfelder Labors ließen es sich trotz teilweise weiter Anreise nicht nehmen, zu der Veranstaltung zu kommen und beim anschließenden Zusammensein in Erinnerungen zu schwelgen.


Mitgliederversammlung 2019 des LZE e.V.

Das Fraunhofer IIS in Erlangen war am 8. April Gastgeber der jährlichen Mitgliederversammlung des LZE e.V. Prof. Albert Heuberger, Vorsitzender der LZE e.V., eröffnete die Versammlung zusammen mit dem Vorsitzenden des Förderkreises für die Mikroelektronik e.V., Prof. Heiner Ryssel.  Die beiden gaben den offiziellen Startschuss für die künftige enge Zusammenarbeit beider Vereine

Der Förderkreis für die Mikroelektronik wurde zum 1. Januar 2019 als neues korporatives Mitglied im LZE e.V. aufgenommen, nachdem im vergangenen Jahr die rechtlichen Rahmenbedingungen für die partnerschaftliche Kooperation geschaffen wurden. Die Zusammenarbeit verstärkt die Förderung von Forschung und Wissenschaft in der Metropolregion Nürnberg, eine Aufgabe für die sich beide Vereine intensiv einsetzen.

Im Rückblick auf das erfolgreiche Jahr 2018 des LZE e.V. wurde als besonderes Highlight die vom Verein ausgerichtete Innovationskonferenz #inNUEvation im Juli 2018 im Nordostpark Nürnberg hervorgehoben. Die Veranstaltung mit hochrangigen Gästen setzte sich intensiv mit dem Thema Innovationen aus verschiedenen Perspektiven wie Forschung, Wirtschaft und Politik auseinander und war auch selbst eine Innovation.  Die beiden Erlanger Fraunhofer-Institute IIS und IISB und die FAU Erlangen-Nürnberg hatten zum ersten Mal gemeinsam auf der Plattform des LZE e.V. ein solches Format entwickelt.  Die Akzeptanz der Konferenz war hervorragend und deshalb wird die #inNUEvation 2020 in Fürth fortgesetzt #seeyouagain #LZE_ev


Schülerwettbewerb “Wer züchtet den schönsten Kristall”

Fraunhofer IISB, die Deutsche Gesellschaft für Kristallwachstum und Kristallzüchtung (DGKK) und das Leistungszentrum Elektroniksysteme (LZE) rufen zum 2. deutschlandweiten Schülerwettbewerb „Wer züchtet den schönsten Kristall?“ für Schülerinnen und Schüler der 5. – 13. Jahrgangsstufe auf. Mit einfachen Mitteln und ein wenig Geduld sollen schöne und große Kristalle aus einer wässrigen Lösung „gezüchtet“ werden. Zeit ist bis zum 15. November 2019, danach wählt eine Jury die besten Kristalle aus. Die Sieger werden bei einer feierlichen Preisverleihung im Rahmen der Deutschen Kristallzüchtungstagung im März 2020 in München prämiert. Der Wettbewerb bringt dem Nachwuchs die große technische Bedeutung von Kristallmaterialien näher.

Aufruf zum 2. deutschlandweiten Schülerwettbewerb “Wer züchtet den schönsten Kristall?” 2019

Viele uns vertraute Substanzen kommen in kristalliner Form vor. Beispiele sind Salz, Zucker, Arzneimittel, Metalle – aber auch Nierensteine. So sind über 98 % der festen Erde kristallin. Natürliche Kristalle kennen wir als Mineralien. Seit Jahrtausenden faszinieren sie die Menschen durch ihre Größe, Farbe und äußere Form – Diamanten und andere Edelsteine aber auch durch ihren Wert. Das Wort κρυσταλλοσ („Kristallos“) bedeutete ursprünglich „Eis“, da die alten Griechen dachten, Bergkristalle bestünden aus gefrorenem Wasser. Erst sehr viel später hat sich die heutige Bedeutung des Wortes etabliert.

Schon früher wurden natürliche Kristalle für technische Anwendungen genutzt. Mit dem industriellen Wandel im 20. Jahrhundert bekamen sie aber einen vollkommen neuen Stellenwert. Moderne Informations- und Kommunikationstechnik, digitale Massenmedien, LED-Beleuchtungen, Elektroautos, Industrieroboter, Computertomographen und noch vieles mehr: Erst Kristalle mit besonderen physikalischen Eigenschaften ermöglichten die revolutionären Innovationen, die heute im Alltag unverzichtbar sind. Dafür werden im industriellen Maßstab „maßgeschneiderte“ Kristalle hergestellt, die es in der Natur überhaupt nicht oder nicht in der geforderten Größe, Reinheit und Perfektion gibt.

Um jungen Menschen den Einfluss von Kristallmaterialien auf unser tägliches Leben bewusst zu machen, wurde bereits im Jahr 2014 der erste bundesweite Schülerwettbewerb „Wer züchtet den schönsten Kristall?“ ins Leben gerufen. Über 340 Schülergruppen von 140 Schulen aus ganz Deutschland und dem benachbarten Ausland, insgesamt 2.000 Schüler von der 5. bis zur 13. Jahrgangstufe, nahmen damals am Wettbewerb teil. Aufgrund der positiven Resonanz wird nun der 2. deutschlandweite Schülerwettbewerb „Wer züchtet den schönsten Kristall?“ für Schülerinnen und Schüler der 5. bis 13. Jahrgangsstufe durchgeführt.

Für die Teilnahme ist eine Anmeldung bis zum 30. April 2019 mit Angaben zur Gruppe, zur Schule und zur betreuenden Lehrkraft unter www.kristallwettbewerb.de notwendig. Am 1. Mai 2019 wird bekannt gegeben, welches wasserlösliche Salz verwendet werden soll, aus dem die Kristalle gezüchtet werden. Die ersten 250 Anmeldungen erhalten ihr Materialpaket kostenlos. Weiteren teilnehmenden Teams werden preiswerte Bezugsquellen genannt. Alle bekommen Kristallzüchtungsanleitungen zugeschickt; es gibt aber auch viele hilfreiche Hinweise im Internet. Bis Herbst 2019 ist dann Zeit, schöne und große Kristalle zu züchten.

Die Teams schicken ihre schönsten und größten Kristalle bis zum 15. November 2019 an die Organisatoren. Eine Jury wählt bis zum 15. Dezember 2019 aus den eingereichten Kristallen die besten Exemplare aus. Die ersten drei Sieger werden dann bei einer feierlichen Preisverleihung im Rahmen der Deutschen Kristallzüchtungstagung im März 2020 in München prämiert. Das Siegerteam erhält außerdem ein Preisgeld.

Der Schülerwettbewerb „Wer züchtet den schönsten Kristall?“ wird vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen, der Deutschen Gesellschaft für Kristallwachstum und Kristallzüchtung e.V., dem LZE e.V. und dem P-Seminar „Kristallwettbewerb“ des Gymnasiums Eckental gemeinsam organisiert und durchgeführt.

Anmeldung und weitere Informationen unter www.kristallwettbewerb.de
Pressemitteilung, Poster-Aushang, Flyer unter www.iisb.fraunhofer.de/



MIOTY – die Revolution des IoT

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.

Bild 1. Telegramm-Splitting: Ein Telegramm wird bei Mioty auf viele kleine Subpakete zerteilt, die in unregelmäßigen zeitlichen Abständen nacheinander auf unterschiedlichen Frequenzen gesendet werden. (Quelle: Fraunhofer IIS)

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.


Bild 2. Die typische Stromversorgung für ein Sendemodul in einem Funksensorknoten basiert auf einer Primärzelle mit hoher Kapazität. Solche Zellen können aufgrund ihres hohen Innenwider­ standes keine hohe Leistung abgeben, deshalb wird zusätzlich ein Kondensator Cs ergänzt,der kurzzeitig die zum Senden nötige Leistung bereitstellt. (Quelle:Fraunhofer IIS)

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.


Bild 3. Das Telegramm-Splitting bei Mioty wurde so gewählt, um Störungen durch andere Sender zu minimieren. Sollte ein Subpaket durch ein Störsignal nicht empfangen werden können, so kann das Telegramm im Empfänger rekonstruiert wetden. (Quelle: Fraunhofer IIS)

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.


Bild 4. Durch das Telegramm-Splitting reduziert sich das Kollisionsintervall, in dem ein anderer Sender den Empfang der Nachricht stören kann, um den Faktor 1/S-mit S = Anzahl der Subpakete. (Quelle: Fraunhofer llS)

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)









ENET LZE: Aus Seeleuten werden Forschungspartner – gemeinsames Projekt der FAU mit der Umeå Universität Schweden

Im Sommer 2017 segelte das ENET-Team des LZE auf dem Dreimaster Thor Heyerdahl im Rahmen von Science Sets Sail mit. Die Tour quer durch die Ostsee war ein Höhepunkt im begleitenden Qualifikationsprogramm von ENET.

An Bord hatten die „Seeleute auf Zeit“ die Gelegenheit, in einer nicht alltäglichen Umgebung internationale Kontakte zu knüpfen, innovative Ansätze für aktuelle Forschungsfragen zu entwickeln und die interdisziplinäre Kooperation voranzutreiben.

Zu solch einer Zusammenarbeit im Bereich der Topologieoptimierung kam es durch den Austausch zwischen Prof. Martin Berggren vom Department of Computing Science der Umeå Universität in Schweden und Fabian Lurz, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Lehrstuhls für Technische Elektronik der FAU und einer der Teilnehmer im ersten ENET-Jahrgang.

In den Gesprächen der beiden Forscher hatte sich herausgestellt, dass der Ansatz der Topologieoptimierung, den Prof. Berggren im Bereich der Mathematischen Optimierung untersucht, auch für Anwendungen in der Hochfrequenztechnik sehr interessant ist.

In den nachfolgenden Monaten wurde gemeinsam an der Topologietopimierung von Waveguide-Übergängen gearbeitet. Die ersten Ergebnisse der Arbeiten wurden jetzt auf der IEEE Radio & Wireless Week (RWW), die vom 20. – 23. Januar 2019 im Orlando, Florida, stattfand, veröffentlicht und gemeinsam vorgestellt.

Das zugehörige Paper wird im Tagungsband sowie in der Online-Bibliothek IEEEXplore veröffentlicht: Emadeldeen Hassan, Martin Berggren, Benedict Scheiner, Fabian Michler, Robert Weigel and Fabian Lurz, “Design of Planar Microstrip-to-Waveguide Transitions using Topology Optimization” in IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), Orlando, FL, 2019.


Startup Challenge 2018/19

Wie gründe ich mein eigenes Unternehmen? Insgesamt 36 Studierendenteams aus ganz Bayern konnten genau das während der Startup Challenge 2018/19 ausprobieren: In einem Online-Planspiel, das von der FAU organisiert wurde, traten sie gegeneinander an. Das Besondere an dem Wettbewerb: Studierende aller staatlichen Hochschulen in Bayern durften teilnehmen. Jetzt sind die Sieger in Nürnberg ausgezeichnet worden.

Sie haben sich Fukuro, Ryte oder Novis genannt und all das gemacht, was richtige Chefs machen. Gemeint sind die Teilnehmer der Startup Challenge 2018/19. Insgesamt 97 Teams aus 21 bayerischen Hochschulen meldeten sich im November an, 36 davon durften schließlich mitmachen. In den folgenden sechs Wochen spielten sie den gesamten Prozess einer Firmengründung durch. Auf verschiedenen virtuellen Marktplätzen traten Teams unterschiedlicher Hochschulen an: Sie präsentierten für eine vorgegebene Geschäftsidee eine Marketingstrategie, bereiteten den Markteintritt vor, stellten Mitarbeiter ein, führten Investorengespräche, trafen Entscheidungen. Dabei mussten sie natürlich die anderen Wettbewerber beobachten und auf sie reagieren. Am Ende setzten sich sechs Teams durch – ihre Unternehmen waren in der Simulation am erfolgreichsten.

Die Gewinner wurden nun im digitalen Grünungszentrum ZOLLHOF in Nürnberg von Prof. Dr. Kathrin M. Möslein, Vizepräsidentin der FAU, prämiert. „Das Thema Gründung gewinnt in Lehre und Forschung immer mehr an Bedeutung. Mit 21 teilnehmenden bayerischen Hochschulen hat erstmals ein Wettbewerb mit bayernweiter Interaktion zwischen gründungsinteressierten Studierenden unterschiedlicher Hochschulen stattgefunden – eine Wegmarke in der bayerischen Gründerhochschullandschaft“, erklärte sie anlässlich der Verleihung.

Der bayerische Wissenschaftsminister Bernd Sibler betonte: „Bei der Startup Challenge 2018/19 haben unsere Studentinnen und Studenten gezeigt, welche kreativen und ansprechenden Wege sie bei einer Unternehmensgründung gehen würden. Sie sind die Zukunftsgestalter von morgen, die den Fortschritt im Freistaat entscheidend mitgestalten. Ich gratuliere den Siegerteams herzlich zu ihrem Erfolg bei diesem Planspiel! Wettbewerbe wie dieser helfen, den Gründergeist zu fördern. Denn neben einer zündenden Idee braucht es zugleich ein schlüssiges und durchdachtes Konzept, um eine neue Technologie erfolgreich umzusetzen, sowie den Mut, ein Startup zu gründen.“

Die zwölf besten Teams bekamen Preisgelder in Höhe von insgesamt 5000 Euro. Die sechs besten Teams wurden zusätzlich zu einem Wochenende rund ums Thema Gründen nach Nürnberg eingeladen, an dem sich die Studierenden austauschen konnten und darüber hinaus von Experten des FAU-Gründerbüros und des Leistungszentrums Elektroniksysteme (LZE) Tipps fürs erfolgreiche Gründen bekamen.

Gewinnerteams (je 500 Euro Preisgeld und Einladung zum Abschlusswochenende):
Fukuro, FAU Erlangen-Nürnberg
markenlos, FAU Erlangen-Nürnberg und TH Nürnberg
East India Trading Company, Hochschule Kempten
Next D. Technologies, Hochschule München
Comp Champ, Hochschule Würzburg-Schweinfurt
Cayman Computers, Universität Regensburg, LMU München und Universität Bayreuth

Weitere Teams, die ebenfalls ausgezeichnet wurden (je 250 Euro Preisgeld):
Ryte, FAU Erlangen-Nürnberg
Phaethon, FAU Erlangen-Nürnberg und LMU München
Olymp Systems, FAU Erlangen-Nürnberg und TU München
Novis, Hochschule Augsburg
Orange Technologies, OTH Regensburg
Giga Labs, TH Nürnberg

Die Startup Challenge

Die Startup Challenge 2018/19 ist die erfolgreiche Fortsetzung eines Pilotprojekts, das die FAU vor zwei Jahren federführend für die Region Nordbayern durchführte. Unterstützt wurde das Gründerplanspiel vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst, dem Leistungszentrum Elektroniksysteme, dem Zentrum Digitalisierung Bayern und HOCHSPRUNG.

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