Wichtige Parameter für drahtlose Kommunikationssysteme

Wireless-Sensor-Network-Evaluation-Plattform: Zum Kit gehören ein Gateway und zwei Endknoten. Jeder Endknoten enthält einen Beschleunigungssensor, kalibrierte Temperatur- (±1 ºC), Temperatur/Luftfeuchte-, Umgebungslicht- und passive Infrarotsensoren.Analog Devices

Drahtlos vernetzte Sensoren werden für immer mehr Anwendungen interessant, angefangen bei Smart Cities über das Monitoring in der Landwirtschaft bis hin zur Gesundheitsüberwachung und der Heim- oder Gebäudeautomatisierung. Manche Hersteller behaupten nun, eine bestimmte Funklösung sei die beste Wahl für alle diese Anwendungen. Entwickler sollten aber nicht auf „one size fits all“ hoffen und sich stattdessen bei der Wahl eines drahtlosen Kommunikationssystems systematisch mit den relevanten Parametern befassen.

An erster Stelle steht die Definition der Anforderungen. Für Entwickler oder Unternehmen, für die das Thema drahtlose Systeme Neuland ist, kann sich diese Aufgabe als ein iterativer Prozess darstellen. Dabei findet man heraus, was möglich ist und welche Kompromisse zu schließen sind, um bestimmte Ziele zu erreichen. Zu den wichtigsten Elementen, die zu beachten sind, gehören die physikalische Umgebung, die Produktabmessungen und -form, die Latenz, die Netzwerkgröße, die Lebensdauer, die Wartungszyklen, die Bedeutung der Verfügbarkeit, der Datendurchsatz, die Datensicherheit (Security), geografische Regionen, in denen das System arbeiten soll, die Interoperabilität sowie die Cloud/Server-Konnektivität. Auch die Kosten sind stets ein wichtiger Faktor. Somit lautet die Herausforderung, all diese Anforderungen innerhalb des Kostenrahmens zu erfüllen. In einigen Fällen kann die beste Lösung sein, die Netzwerkanforderungen in unterschiedliche Gruppen einzuteilen, jede Gruppe separat zu adressieren und das System in einem Gateway oder in der Cloud zu verteilen.

Physikalische Umgebung beachten

Die physikalische Umgebung beinhaltet mehrere Faktoren. Zum Beispiel die Entfernung zwischen den Knoten, zwischen Knoten mit und ohne verfügbarer Netzspannung sowie die gesamte Distanz vom weitesten Endknoten bis zum zentralen Sammelpunkt. Alle Objekte im Übertragungspfad müssen berücksichtigt werden, egal ob es Wände (ganz gleich aus welchem Material), Getreidefelder, Bäume, Gebäude oder Berge sind. Mögliche Quellen von Interferenzen sind ebenfalls zu beachten, zum Beispiel Mobilfunkmasten oder Wi-Fi-Router. Zwei extreme Beispiele sind die Anbindung einer kleinen Zahl am Körper getragener Sensoren an ein Smartphone gegenüber einem Netzwerk von Straßen- und Außenbeleuchtungen mit hunderttausenden Knoten, die in einer Stadt verteilt sind.

Einige Systeme müssen in einem genau definierten Zeitfenster reagieren, um behördliche Vorschriften zu erfüllen, etwa zum Brandschutz. Andere Systeme können eine niedrige Latenz erfordern, um die Erwartungen des Anwenders zu erfüllen. Man muss auch unbedingt berücksichtigen, ob die Latenzanforderungen für Daten in beide Richtungen gelten.

Aus der Netzwerkgröße ergibt sich die maximale und typische Anzahl von Knoten in einem Netzwerk. Je nach System kann es vorteilhafter sein, im gleichen oder in benachbarten Gebieten statt einem einzigen großen System mehrere kleinere Netzwerke einzusetzen. Dies wird normalerweise für große elektrische Zählersysteme verwendet, bei denen eine aus mehreren Millionen Knoten bestehende Implementierung aus vielen Unternetzwerken mit 500 bis 5000 Knoten besteht.

Ein Leben lang

Aus der erwarteten Einsatzdauer des Geräts leiten sich viele andere Anforderungen ab, zum Beispiel die Batterielebensdauer, die Wartungszyklen und die Datensicherheit. Ein System mit einer Lebensdauer von unter einem Jahr muss selten Fähigkeiten wie drahtlose Updates oder einfache Batteriewechsel beherrschen. Im Gegensatz dazu kann ein für das Monitoring wichtiger Infrastrukturen zuständiges System eine Lebensdauer von über 20 Jahren aufweisen.

Das Thema Wartungszyklen umfasst mehrere Bereiche. Dazu gehören der Austausch von Batterien, das Upgrade von Firmware und die Kalibrierung von Sensoren oder Transducern. Auf den ersten Blick könnte man meinen, ein Batteriewechsel sei preiswert und einfach, da Batterien relativ günstig sein können. In manchen Fällen entstehen hohe Kosten beim Zugang zu einem Gerät, weil es schwer zu erreichen ist. In anderen Fällen hat der Austausch von Batterien inakzeptable Auswirkungen auf das Benutzererlebnis oder die Umwelt.

Sicher und zuverlässig

Den Datendurchsatz muss der Entwickler in Bezug auf die Übertragungsfrequenz und den Gesamtdurchsatz pro Zeiteinheit untersuchen. In manchen Fällen ist es vorteilhafter, lange Nachrichten weniger häufig und in anderen Fällen sehr kurze Nachrichten häufiger zu senden.

Für manche Systeme ist die Betriebszeit entscheidend, etwa bei Brandmelde- und ähnlichen Schutzsystemen. Hier spielt die Redundanz im Netzwerk eine wichtige Rolle. Sie wird normalerweise durch Frequenz- oder Kanal-Diversität oder durch die Implementierung von Mesh-Topologien erreicht. Ein Hinweis: In einigen Fällen führt die zunehmende Komplexität solcher Systeme zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit. Deshalb sollte man hier mit Vorsicht vorgehen.

Das Thema Datensicherheit wird zunehmend wichtiger. Leider wird dies fast immer falsch verstanden oder nicht wertgeschätzt. Lediglich ein System zu haben, das vorgibt, Verschlüsselung zu unterstützen (zum Beispiel AES-128) garantiert noch keinen Schutz. Viel wichtiger ist, wie die Verschlüsselungsschlüssel geteilt und gespeichert sind und wie sich die Knoten auf dem Netzwerk authentifizieren. Außerdem ist es wichtig zu berücksichtigen, wie das Kommunikationssystem und die Applikationsebenen voneinander getrennt sind, um festzustellen, ob ein Angriff auf einer Ebene die andere Ebene (oder zwischen zwei verschiedenen Kommunikationssubsystemen) beeinträchtigen kann.

Der Physical Layer adressiert die Übertragung und den Empfang der Wireless-Signale. Zu den wichtigsten Parametern gehören Frequenzband, Datenrate, Modulation, Ausgangsleistung, Paketstruktur und Kodierungsreserve. Eng damit verbunden sind die Media-Access-Methoden wie „Clear Channel Assessment“ und jede Kanal/Frequenz-Diversity oder Hopping-Routinen.

Die richtigen Frequenzen

Viele Systeme nutzen die 2,4- und/oder die 5,8-GHz-ISM-Bänder, da sie weltweit lizenzfrei genutzt werden können – zum Beispiel Wi-Fi, Bluetooth und Zigbee. Deshalb möchte man meinen, dass man das 2,4-GHz-Band immer nutzen sollte. In der Realität sind aber Kompromisse nötig.

Sub-GHz-Systeme können wesentlich weitere Entfernungen überbrücken und aufgrund ihrer größeren Wellenlänge Objekte besser durchdringen. Zudem lassen sie sich häufig so optimieren, dass sie mit weniger Energie auskommen. Allerdings gibt es kein Sub-GHz-ISM-Band, das man weltweit lizenzfrei mit den gleichen Anforderungen nutzen darf. Das 433-MHz-Band kommt dem sehr nahe, bietet aber nur ein begrenztes Spektrum. Die primären Frequenzbänder, die in Europa verwendet werden, sind 862 bis 868 MHz. Die Anforderungen bezüglich Tastverhältnis und Leistungsaufnahme sind für jedes Land unterschiedlich. Selbst mit diesen Einschränkungen ist ein Sub-GHz-System jedoch oft die beste technische Lösung, wenn eine große Empfangsreserve (Link Margin) erforderlich ist. Die meisten Zähler- und Smart-City/Straßenbeleuchtungssysteme weltweit nutzen Frequenzen im Sub-GHz-Frequenzbereich.

Tabelle: Auswahl typischer Netzwerk-Protokolle, die im Internet der Dinge zum Einsatz kommen.Analog Devices

Architekturfragen

Für Applikationen, die zusätzliche Bereichs- oder Empfangsreserven benötigen, gibt drei Optionen: Sie können Schmalbandsignale nutzen, die Daten mit Fehlerkorrektur codieren oder die Ausgangsleistung anheben. Bei Schmalbandsignalen sind niedrigere Datenraten zu Gunsten einer größeren Reichweite in Kauf zu nehmen. Oft nutzen Schmalbandsignale auch ein lizenziertes Spektrum. Durch Fehlerkorrektur erhöhen sich die Rechenkomplexität des Systems sowie die Zahl der Bits, die physikalisch übertragen werden, was sich wiederum auf den Energieverbrauch auswirkt. Es gibt regionale Maximalwerte bezüglich der erlaubten Ausgangsleistung. Hinzu kommt, dass es bei der Übertragung über bestimmte Grenzwerte hinaus oft zusätzliche Anforderungen gibt, beispielsweise Frequency Hopping.

Meshing wird häufig zugeschrieben, dass es jegliche Probleme hinsichtlich Übertragungsbereich, Objektdurchdringung oder Interferenzen löst. Solche Optionen können in vielen Situationen helfen, sie erhöhen aber die Komplexität eines Systems. Die meisten Konzepte verbieten den Einsatz batteriegespeister Knoten als Routing-Knoten. Somit kann die Zahl von Routing-Knoten im Mesh-Netzwerk wesentlich niedriger sein als man anfangs denkt. Im Allgemeinen lassen sich mit einer Stern-Netzwerktopologie (Punkt-zu-Punkt) niedrigere Kosten und ein geringerer Energieverbrauch erzielen. Mesh-Netzwerke haben oft die meisten Vorteile, wenn sie in schwierigen Situationen eingesetzt werden, bei denen sich die zusätzliche Systemkomplexität rechtfertigen lässt.

Nutzen und Grenzen von Standards

Ein Standard ist eine Spezifikation, die erklärt, wie ein System arbeitet, das von einer Standardisierungsorganisation genehmigt wurde. Leider enthalten Standards eine Reihe von Optionen, die oft widersprüchlich sind. In manchen Fällen besteht die Standardisierungsorganisation aus einem einzigen Unternehmen, das den betreffenden „Standard“ fördert. Das resultierende System bleibt in der Praxis jedoch proprietär. In anderen Fällen ist der Standard ein Ergebnis der Zusammenarbeit vieler Unternehmen aus unterschiedlichen Bereichen der Lieferkette, wie zum Beispiel IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) oder IETF (Internet Engineering Task Force). Ein System, das auf einem Standard basiert, sagt jedoch hinsichtlich Interoperabilität oder Zertifizierung nichts aus.

Ein Zertifizierungsgremium definiert eine Lösung, die normalerweise auf einem Satz von Standards basiert. Außerdem wählt es die geeigneten Optionen für die Applikation, entwickelt einen Zertifizierungs- und Konformitätsprozess, führt ein Verfahren zum Test dieses Prozesses ein und stellt Zertifikate aus. Zum Beispiel sind IEEE 802.15.4 und IETF RFCs, häufig als 6LoWPAN bezeichnet, Standards. 15.4 definiert die physikalischen und Media-Access-Schichten. 6LoWPAN definiert die Transport- und Routing-Layer. Das Zertifizierungsgremium wählt die geeigneten Optionen für die Zielapplikation. Dies bedeutet, dass unterschiedliche Allianzen Lösungen vorschlagen können, die auf den gleichen Standards basieren, aber recht unterschiedlich sind und nicht interoperabel arbeiten. Ohne entsprechende Zertifizierungsprozesse ist ein auf Standards basierendes System praktisch ein proprietäres System, das ein veröffentlichtes Dokument als Basis nutzt. Bei der Entwicklung eines eigenen Systems können Standards eine wertvolle Methode sein, um aus den bereits gemachten Erfahrungen anderer zu lernen.

Auf die Parameter achten

Entwickler müssen wissen, welchen Parametern sie bei der Definition eines Systems besondere Beachtung schenken sollten. Es gibt eine Vielzahl an IoT-Lösungen auf dem Markt und es kann eine Herausforderung sein, die beste Option für ein System zu finden. Viele basieren zwar auf Standards, lassen sich aber noch lange nicht interoperabel verwenden.

(lei)