Die Revolution des Internet der Dinge ist in vollem Gange und bis zum Jahr 2020 werden auf der Welt mehr als 30 Milliarden „Dinge“ vernetzt sein. Gleichzeitig nimmt die Weltbevölkerung zu und macht Ressourcen immer wertvoller. Hier verspricht diese Vernetzung, Daten der realen Welt bereitzustellen, für mehr Leistungsfähigkeit zu sorgen und Geschäftspraktiken zu optimieren.
Durch die große Akzeptanz des Internetprotokolls (IP) wird es immer einfacher, Daten zu verarbeiten und Informationen sinnvoll zu nutzen. Fortune-500-Unternehmen bieten Unternehmen Lösungen für die Datenspeicherung und Softwaretools an, um Geschäftsprozesse zu optimieren. Dazu gehören z. B. Gütertracking-, Prozesssteuerungs- und Gebäudemanagementsysteme (siehe Abb. 1). Smartphones und Tablets bieten hilfreiche und relevante Informationen, wie Livedaten über Parkmöglichkeiten oder Echtzeitüberwachung von Maschinenzuständen zur Verwaltung von Wartungsplänen. Obwohl heute schon drahtlose Sensoren installiert sind, gibt es Bedarf nach mehr Sensordaten, um bislang unvermessene Prozesse zu messen und zu optimieren.
Um die weitere Verbreitung von Sensoren im großen Maßstab zu beschleunigen, werden die IP-Standards verbessert. Das dient dem Ziel, kleine drahtlose Sensoren so einfach zugänglich zu machen wie Webserver. Die Bestrebungen dazu basieren auf dem Zusammenwirken von zwei treibenden Kräften: der besonders zuverlässigen Leistung des zeitsynchronen Maschennetzwerks mit nachgewiesen geringem Energieverbrauch und den laufenden Verbesserungen der IP-Standards für die nahtlose Integration in das Internet. Diese Bestrebungen führen zu relativ kleinen Low-Power-Sensoren, die zuverlässig kommunizieren und IP-fähig sind.
Herausforderungen bei drahtlosen Sensornetzwerken
Drahtlose Netzwerke sind von Natur aus unzuverlässig. Deswegen ist es wichtig, die Gründe dafür zu kennen und ihnen in Kommunikationssystemen Rechnung zu tragen. Externe Interferenzen und Mehrwege-Fading sind die Hauptgründe für die Unzuverlässigkeit in drahtlosen Low-Power-Netzwerken. Interferenz tritt auf, wenn ein externes Signal (z. B. Wi-Fi) die Kommunikation von zwei Funkgeräten unterbricht. Das erfordert eine Wiederholung der Aussendung, was zu höherem Leistungsbedarf führt. Mehrwege-Fading tritt auf, wenn ein Funksignal in der Nähe eines Senders auf ein Hindernis trifft und daraus eine Mehrwegausbreitung entsteht, die an der Empfangsantenne zu störenden Interferenzen führt. Dieses Phänomen ist abhängig von der Position der Geräte, der verwendeten Frequenz und der Umgebung. Da sich die Umgebung von Drahtlossystemen im Laufe der Zeit ändern kann, wird es bei jedem beliebigen HF-Frequenzkanal über die Lebensdauer des Systems Probleme geben.1 Mehrwege-Fading ist jedoch von der Frequenz abhängig. Deshalb kann eine bestimmte Frequenz ein Problem darstellen, wogegen viele andere HF-Frequenzen bestens arbeiten. Aufgrund von Interferenzen und Mehrwege-Fading ist es für den Aufbau eines zuverlässigen Drahtlossystems entscheidend, Kanal- und Pfadvielfalt ohne Beeinträchtigung des geringen Stromverbrauchs bereitzustellen. Solch ein System wurde von Dust Networks (heute Teil von Linear Technology) mit seinem zeitsynchronen Channel-Hopping-Maschennetzwerk erstmals realisiert.
Zeitsynchrone Channel-Hopping-Maschennetzwerke
In einem zeitsynchronen Channel-Hopping-Maschennetzwerk werden alle drahtlosen Knoten im Multihop-Netzwerk mit einer Genauigkeit von einigen zehn Mikrosekunden synchronisiert, wobei die Übertragungszeit in Zeitschlitze eingeteilt ist. Die Kommunikation wird über einen Ablaufplan gesteuert, der jedem Knoten anzeigt, was er in jedem Zeitschlitz zu tun hat (Senden, Empfangen, Ruhezustand). Durch die Synchronisation schaltet jeder Knoten das Funkgerät nur dann an, wenn Kommunikation anliegt, was das Tastverhältnis (Duty Cycle) stark reduziert (gewöhnlich auf <1 %) und so die Lebensdauer der Akkus erhöht. Wegen des flexiblen Ablaufplans ist das Netzwerk in der Anwendung immer verfügbar, im Gegensatz zu anderen Netzwerkarchitekturen mit Ruhezustandfunktion, die das Netz für längere Zeiträume komplett abschalten. Jede Paketübertragung zwischen zwei Knoten erfolgt auf einer Frequenz, die mittels Pseudo-Zufalls-Hopping-Muster berechnet wird. Die daraus resultierende Frequenzvielfalt ist ein effektiver Weg, Interferenzen und Mehrwege-Fading zu bekämpfen. Zeitsynchrone Maschennetzwerke ermöglichen jahrzehntelange Akkulebenszeiten und eine End-to-End-Zuverlässigkeit von >99,999 %.
Um die weitere Verbreitung von Sensoren im großen Maßstab zu beschleunigen, werden die IP-Standards verbessert. Das dient dem Ziel, kleine drahtlose Sensoren so einfach zugänglich zu machen wie Webserver. Die Bestrebungen dazu basieren auf dem Zusammenwirken von zwei treibenden Kräften: der besonders zuverlässigen Leistung des zeitsynchronen Maschennetzwerks mit nachgewiesen geringem Energieverbrauch und den laufenden Verbesserungen der IP-Standards für die nahtlose Integration in das Internet. Diese Bestrebungen führen zu relativ kleinen Low-Power-Sensoren, die zuverlässig kommunizieren und IP-fähig sind.
Eine auf Standards basierende Welt
Standards spielen eine wichtige Rolle in der Netzwerktechnologie und Anwender fordern Entwicklungen, die auf Standards basieren. Das Wissen, dass eine Technologie von Normierungsorganisationen und Standardisierungsbehörden genehmigt wurde, schafft Vertrauen. WirelessHART/IEC62591 ist ein Standard für Industrieprozesse, eingebettet in das Internetprotokoll (IP) als Kommunikationsstandard.
Alle mit dem Internet verbundenen Geräte nutzen IP für die gegenseitige Kommunikation. Jedes Gerät erhält eine IP-Adresse zur eindeutigen Identifikation im Internet. Die ausgetauschten Datenpakete enthalten einen IP-Header, eine Reihe von Bytes mit der Adresse des Geräts, welches das Paket erzeugt hat, und die Empfängeradresse. Um einen Protokollstapel (TCP, HTTP usw.) zu bilden, sind viele andere Protokolle erforderlich, aber das IP-Protokoll ist der gemeinsame Nenner. Die Tatsache, dass stromsparende Geräte in Maschennetzwerken über dieses Protokoll eine Verbindung zum Internet herstellen, ebnet den Weg zum Internet der Dinge.
Viele Standardisierungsbehörden bieten Standards für das Internet der Dinge (siehe Abb. 3). Die Herausforderung dabei ist die komplette Internetintegration unter Beibehaltung der erprobten Prinzipien der zeitsynchronen Channel-Hopping-Maschennetzwerke. Innerhalb der Internet Engineering Task Force (IETF), der Behörde hinter den meisten modernen Internetprotokollen, hat die CoRE-Arbeitsgruppe das Constrained Application Protocol(CoAP)-Application-Layer-Protokoll definiert. CoAP läuft oberhalb des UDP (User Datagram Protocol) und lässt sich einfach in HTTP übersetzen für eine netzartige Interaktion mit drahtlosen Sensorknoten. Die 6LoWPAN-Arbeitsgruppe hat eine IP-Adaptationsschicht definiert, die den großen IP-Paketheader in kleine drahtlose Frames oder Datenpakete komprimiert, was die individuelle Adressierung eines Sensors durch IP-Adressen ermöglicht. Während diese oberen Schichten die netzartige Interaktion und die Internetintegration ermöglichen, bestimmen die Protokollschichten darunter die Qualität der drahtlosen Sensor-Netzwerkkommunikation.
Die von der IETF entwickelten Standards gelten typischerweise für Funkchips nach dem Standard IEEE802.15.4. Dieser bietet einen gesunden Kompromiss zwischen Datenrate (250 KBit/s), Reichweite (10 bis mehrere 100 m), Stromaufnahme (5 mA bis 20 mA beim Senden oder Empfangen) und Paketgröße (bis zu 127 Byte). Aufgrund dieses Kompromisses ist IEEE802.15.4 gut für Low-Power-Maschentechnologie geeignet und wurde somit die De-facto-Linktechnologie für diese Netzwerke.
Im Jahr 2012 veröffentlichte die IEEE einen neuen Medium-Access-Standard für IEEE802.15.4-konforme Funkgeräte (bekannt als IEEE802.15.4e). Seine TSCH-Betriebsart (Time Slotted Channel Hopping) enthält Grundsätze des zeitsynchronen Maschenprotokolls von Dust Networks und ermöglicht so eine präzise Synchronisation auf Zeitschlitzebene und HF-Channel-Hopping.
Im Standard IEEE802.15.4e ist der Mechanismus für die synchronisierte Übertragung der Datenpakete zwischen zwei Knoten definiert, wobei nicht festgelegt ist, wie den einzelnen Knoten ein Ablaufplan zugewiesen wird. Ein Kommunikationsablaufplan gibt einem TSCH-Netzwerk die Flexibilität, die Kommunikationsanforderungen aller Knoten im Netzwerk zu erfüllen (siehe Abb. 4). Beispielsweise kann ein Netzwerk als kleines Netz mit geringen Datenraten für minimalen Stromverbrauch konfiguriert werden – wie es für Remote-Umweltmonitoring erforderlich ist. Dasselbe Netzwerk kann auch als großes Netzwerk konfiguriert und für schnellen Datendurchsatz optimiert werden. Zusätzlich kann ein automatisch zugewiesener und gleichzeitig flexibler Ablaufplan ein TSCH-Netzwerk in die Lage versetzen, sich an andere Umgebungsbedingungen anzupassen. Spezielle Netzwerkfunktionen wie Selbstheilung, Routing-Optimierung und Lastausgleich werden durch den Ablaufplan möglich. Dies sind kritische Parameter, die eine hohe Leistung über die Lebensdauer des Netzwerks sicherstellen. Lösungen für den Aufbau und die Zuweisung eines TSCH-Ablaufplans können entwickelt werden, aber solange keine Standards etabliert sind, eignen sie sich nicht für die Funkübertragung.
Das ändert sich jedoch nun mit einer neuen Standardisierungsaktivität innerhalb der IETF, die als deterministisches IPv6-over-IEEE802.15.4e Time Slotted Channel Hopping 5 (6TiSCH) bezeichnet wird. Unter der gemeinsamen Leitung von Linear Technology und Cisco Systems definiert diese Aktivität die fehlenden Kommunikationsprotokolle zur Verwaltung des TSCH-Ablaufplans.
Indem 6TiSCH diese Lücke im IP-Protokollstapel schließt, werden komplett standardisierte und interoperable drahtlose Sensornetzwerke auf IP-Basis ermöglicht, die die gleiche Zuverlässigkeit zeigen wie Kabelnetzwerke. Webentwickler werden in die Lage versetzt, durch einen Aufruf der IP-Adresse des Sensors Echtzeitsensordaten anzufordern. Das zugrunde liegende drahtlose Sensornetzwerk unterstützt dabei die Kommunikation mit einer Datenzuverlässigkeit von >99,999 %. Da Sensoren dadurch so leicht zugänglich sind wie Webserver, liefern drahtlose Sensornetzwerke jetzt die notwendigen Echtzeitinformationen für das Internet der Dinge.