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.
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)