SmartMesh-IP-Netzwerke von Dust Networks, basierend auf dem Time-Synchronized-Channel-Hopping (TSCH), bieten routinemäßig eine hohe Sicherheit der Datenverteilung (> 99,999 %) bei gleichzeitig sehr geringem Energieverbrauch. Insbesondere letzteres führt dazu, dass sich mit angemessen kleinen Lithium-Ionen-Batterien drahtlose Sensoren praktisch überall platzieren lassen, auch wenn Betriebszeiten von 10 bis 15 Jahren gefordert sind. Auf diese Weise werden echte IoT-Applikationen (Internet of Things) auch bei großflächigem Einsatz möglich.
Die Autoren: Lance Doherty, Systems Engineer, Jonathan Simon, Systems Engineer Director, Thomas Watteyne, Systems Engineer und Ross Yu, Product Marketing Manager, alle Dust Networks Product Group, Linear Technology Corporation
Eine der Visionen des Internet of Things (IoT) ist es, Anwendungen der Messtechnik deutlich ausweiten zu können – bis hinein in Bereiche, in denen das bislang nicht möglich war. Das gilt etwa für das Überwachen der Alterung von Infrastruktur wie Brücken, Tunneln oder Überlandleitungen bis hin zu Produktionsanlagen, die sich über eine große Fläche erstrecken. All diese Applikationen benötigen drahtlose Sensornetzwerke (Wireless Sensor Networks, WSNs), um eine den drahtgebundenen Netzwerken vergleichbare Leistung zu bieten. Diese WSNs müssen in der Lage sein, eine große Anzahl von drahtlosen Sensorknoten zu skalieren und in vielen Fällen große Distanzen überbrücken.
Um WSNs auf einer breiten Basis einsetzen zu können, müssen sie sich einfach nutzen lassen und zuverlässig über viele Jahre hinweg – häufig eine Dekade – problemlos funktionieren. Schlüsselanforderungen an WSNs sind deshalb:
- Freie Platzierung der Sensoren an beliebiger Stelle: Messpunkte sollen sich dort installieren lassen, an denen sie optimal für die Messwerterfassung sind, aber nicht zwangsläufig auch für die Kommunikation. Deshalb sind Sensorknoten häufig an Stellen platziert, die nicht notwendigerweise einen guten Zugang zur Kommunikations- oder Stromversorgungsinfrastruktur haben. Zudem befinden sie sich oft zusätzlich noch in schwieriger HF-Umgebung (etwa nahe am Boden, in Tunneln, unter Fahrzeugen oder tief eingebettet in Maschinen).
- Geringer Wartungsaufwand: Das Netzwerk muss sich größtenteils selbst warten und jede physikalische Wartung (beispielsweise der Batteriewechsel) darf keine zusätzlichen ‚Lastwagenladungen‘ und Besuche von Technikern nach sich ziehen. Häufig sind WSNs für weit mehr als eine Dekade im Einsatz!
- Zuverlässige Kommunikation: Das WSN muss in der Lage sein, zuverlässig mit den Sensoren zu kommunizieren – gerade auch angesichts der Tatsache, dass sie sich in einer gestörten HF-Umgebung befinden.
- Skalierbarkeit: Ein Netzwerk muss sich für eine Vielzahl von ähnlichen, gleichwohl einzigartigen Einsätzen eignen, und dabei einen weiten Bereich an Netzwerkgrößen (sowohl bezüglich der Anzahl der Sensoren als auch der Bereichsabdeckung), Tiefe (beispielsweise bezüglich der Anzahl von Frequenzsprüngen – radio hops –, die ein Knoten von einem Datenausstiegspunkt entfernt sein kann) oder Volumen des Datenverkehrs abdecken.
Vorhersagbares Netzwerk mit nicht vorhersagbarem Medium
Es gibt viele Methoden in drahtlosen Sensornetzwerken, die auf einen verlustleistungsarmen Betrieb abzielen. Das Problem dabei: Es ist sehr schwierig, einen geringen Leistungsbedarf zu erreichen, ohne dabei Kompromisse einzugehen zu müssen. Einige drahtlose Netzwerke, wie etwa ZigBee, erreichen einen geringen Leistungsbedarf nur bei den Messkomponenten an der Flanke des Netzwerks – benötigen aber Netzleistung für jeden Routing-Knoten. Andere Netzwerke haben die grundlegende Form des Duty-Cycling, genannt ‚beaconing‘, bei dem das gesamte Netzwerk für eine erweiterte Zeitspanne in einen sparsamen Schlafmodus umschaltet – dafür werden aber die Verfügbarkeit des Netzwerks und die gesamte Netzwerkkapazität ‚geopfert‘. Für Internet-of-Things-Anwendungen sind allerdings wesentlich größere Netzwerke gefragt, die zudem eine Kommunikation in regelmäßigen Intervallen erlauben. Die Herausforderung ist also, einen geringen Leistungsbedarf zu erzielen, ohne dafür Zuverlässigkeit oder Netzwerkverfügbarkeit zu opfern.
Erschwerend kommt hinzu, dass Hochfrequenz-Funkverbindungen (HF) ein nicht vorhersagbares Kommunikationsmedium sind. Anders als die drahtgebundene Kommunikation, bei der die Kommunikationssignale von der Außenwelt durch Kabel abgeschirmt sind, breitet sich HF über die Luft aus und interagiert mit der Umgebung. Dabei gibt es die Möglichkeit, dass andere HF-Sendequellen aktive Interferenzen verursachen. Noch wesentlich verbreiteter ist der Effekt des Multi-Path-Fading, bei dem die HF-Botschaft durch das eigene Signal abgeschwächt werden kann, das von verschiedenen Oberflächen in der Umgebung reflektiert wird und phasenverschoben empfangen wird. Die Benutzer mobiler Telefone erleben das Multi-Path-Fading jeden Tag, wenn ihr Telefon einen schwachen Empfang an einer Stelle hat, man diesen aber verbessern kann, indem man sich nur wenige Zentimeter davon weg bewegt. Außerdem ändert sich der Effekt des Multi-Path-Fading mit der Zeit, da sich reflektierende Oberflächen in der Nähe (etwa an Personen, Fahrzeugen oder Türen) üblicherweise auch bewegen. Das Ergebnis ist, dass ein HF-Kanal mit der Zeit signifikante Änderungen in der Signalqualität zeigt. Da das Multi-Path-Fading die einzelnen HF-Kanäle jedoch unterschiedlich beeinflusst, lassen sich mittels Kanal-Hopping – um eine Frequenzvielfalt zu erreichen – die negativen Auswirkungen des Multi-Path-Fadings reduzieren. Die Herausforderung für WSNs ist dann, das Frequenz-Hopping über große Netzwerke mit vielen Sprüngen auszuführen.
Zeitsynchronisierte Netzwerke mit Frequenz-Hopping
Zuverlässige drahtlose Sensornetzwerke mit geringem Leistungsbedarf sind mit den TSCH-Mesh-Netzwerken (Time Synchronized Channel Hopping) Realität geworden, die der Geschäftsbereich Dust Networks von Linear Technology entwickelt hat und die sich beim Einsatz in einigen der rauesten Umgebungen bewährt haben. TSCH ist bereits ein grundlegender Funktionsblock von bestehenden drahtlosen Industriestandards wie WirelessHART (IEC 62591) und ein wichtiger Teil von neu aufkommenden, auf dem Internet-Protokoll basierenden drahtlosen Sensornetzwerk-Standards.
In einem TSCH-Netzwerk arbeiten die Knoten im ganzen Netzwerk synchronisiert (exakt innerhalb einiger weniger Mikrosekunden). Die Netzwerkkommunikation ist in Zeitschlitzen organisiert und erlaubt die Übertragung der Datenpakete mit geringem Leistungsbedarf, paarweisem Kanal-Hopping und voller Pfad-Diversität.
- Austausch der Datenpakete mit geringem Leistungsbedarf: Die Nutzung von TSCH erlaubt es den Sensoren, zwischen den Kommunikationszeitspannen mit extrem geringem Leistungsbedarf zu ‚schlafen‘. Jedes Gerät ist nur aktiv, wenn es ein Datenpaket sendet oder ein potenzielles Datenpaket von einem Nachbargerät ‚hört‘. Noch wichtiger ist, dass jeder Knoten weiß, wann er aufwachen muss, um Daten zu vermitteln. Deshalb erreichen TSCH-Netzwerke häufig Einschaltdauern von unter 1 % – wobei aber das Netzwerk komplett verfügbar bleibt. Und da jede Übertragung von Datenpaketen geplant ist, gibt es in TSCH-Netzwerken keine Paketkollisionen innerhalb des Netzwerks. Die Netzwerke können damit dicht und skalierbar sein, ohne schwächende HF-Selbst-Interferenzen zu erzeugen.
- Paarweises Kanal-Hopping: Die Zeitsynchronisation erlaubt das Kanalsprungverfahren an jedem Sender-/Empfänger-Paar, um die Frequenzdiversität zu erhalten. Bei einem TSCH-Netzwerk springt jeder Kanal, der Datenpakete vermittelt, um die unvermeidlichen HF-Interferenzen und das Fading zu verhindern. Zusätzlich können mehrfache Übermittlungen zwischen unterschiedlichen Geräte-Paaren auf verschiedenen Kanälen gleichzeitig auftreten, was die Bandbreite des Netzwerks steigert.
- Volle Pfad- und Frequenzdiversität: Jedes Gerät hat redundante Pfade, um Kommunikationsunterbrechungen auf Grund von Interferenz, physikalischer Blockierung oder Multi-Path-Fading zu verhindern. Wenn eine Übertragung eines Datenpakets nicht gelingt, wird es ein Sensor automatisch auf dem nächsten verfügbaren Pfad und einem anderen HF-Kanal versuchen. Anders als andere vermaschte Netzwerktechnologien, benötigt ein TSCH-Netzwerk keine mit Strom versorgten Router und zeitaufwendige Wiedererkennung von Pfaden (siehe Abb. 1).
TSCH-basierte Netzwerke werden heute bereits erfolgreich in Anwendungen eingesetzt (siehe Kasten). Viele Applikationen, wie das Überwachen von Pipelines, Baustrukturen von Brücken, Tunneln oder großen Überlandleitungen, fordern insbesondere die Überbrückung großer Entfernungen durch das WSN – und damit eben ein zuverlässiges drahtloses Netzwerk mit geringem Leistungsbedarf auch über große Entfernungen, eine der herausfordernsten Netzwerktopologien.
Fallbeispiel – ein Deep-Hop-Mesh-Netzwerk
Definitionsgemäß führen in einem solchen ‚Deep-Hop-Netzwerk‘ Nachrichten von den am weitesten entfernten Knoten viele Sprünge aus, bevor sie ihr Ziel erreichen. Das erlaubt einerseits, einen großen geografischen Bereich mit relativ geringem Energieverbrauch abzudecken, wirft aber andererseits die Frage auf, ob ein großes Netzwerk den regulären Datenverkehr all seiner Sensoren aufrecht erhalten kann – bei akzeptabler Latenz und geringem Stromverbrauch.
Um ein solches Netzwerk zu modellieren, wurde ein Netzwerk mit 100 Sensoren und 32 Sprüngen unter Einsatz des SmartMesh-IP-Netzwerks von Dust Networks konstruiert und vermessen. Jeder der 100 Sensoren generierte und sendete alle 30 s ein Datenpaket mit der Erwartung, dass jedes Paket innerhalb von 30 s Latenz empfangen wird (bevor das nächste Datenpaket vom gleichen Knoten generiert wird). Dieses Netzwerk (Abbildung 2) arbeitet mit realen drahtlosen Geräten. Sieben Teilnehmer (mit den ID-Nummern 1 bis 7) kommunizieren dabei direkt mit dem Manager. Die Teilnehmer 8 bis 10 kommunizieren durch die ersten sieben Sensoren und die verbleibenden Teilnehmer (11 bis 101) liegen innerhalb des Bereichs von den drei IDs niedriger und höher. Teilnehmer 50 liegt etwa im Bereich der Teilnehmer 47, 48 und 49 sowie 51, 52 und 53. In dieser Topologie ist die minimale Anzahl von Sendungen (hops), die nötig sind, um Teilnehmer 101 zu erreichen, 32 – obwohl konkret die meisten Datenpakete mehr ‚hops‘ machen.
Jedes Datenpaket erhält einen Zeitstempel, wenn es am Sensorknoten generiert wird und erneut, wenn es vom Manager empfangen wird, so dass die Latenz jedes Datenpakets überwacht werden kann. Über eine Zeitspanne von 90 min ist die Datenverteilung in Abbildung 3 zu sehen. Wie erwartet, haben die Sensoren mit einer höheren ID, die ‚tiefer‘ im Netzwerk angeordnet sind, eine größere Latenz und variieren stärker pro Datenpaket, da die Routenmöglichkeiten exponentiell mit der Tiefe ansteigen. Trotz alledem erreichten auch die Datenpakete von dem am weitesten entfernten Sensor (ID 101) alle ihr Ziel in weniger als den gewünschten 30 s Latenz.
Alle Sensoren erfassen jeweils die verbrauchte Batterieenergie und geben diese Information in periodischen Berichten an den Manager weiter. Aus dieser Information lässt sich der benötigte Durchschnittsstrom im gesamten Netzwerk ermitteln (Abbildung 4). Die Sensoren mit kleinen ID-Nummern zeigen den höchsten Stromverbrauch, weil sie auch den Datenverkehr der weiter entfernten Sensoren mit tragen. Wie man aber erkennen kann, liegt selbst bei den am höchsten belasteten Sensoren der durchschnittliche Stromverbrauch bei nur einigen wenigen hundert Mikroampere. Bei einem derart kleinen Stromverbrauch können die Routing-Knoten mit einem Paar Lithium-D-Batterien versorgt werden und über 15 Jahre Einsatzdauer erzielt werden.
Übrigens: Zum Zeitpunkt, als dieser Artikel geschrieben wurde, lief das Netzwerk kontinuierlich für 52 Tage. Insgesamt wurden bis dahin 17 Millionen Datenpakete gesammelt, wozu insgesamt über 400 Millionen einzelne Sendungen wegen der Sprungtiefe und erneuten Versuche erforderlich waren. Von den 17 Millionen gesendeten Datenpaketen ging keines verloren, was einer Zuverlässigkeit der Datenübertragung von 100 % entspricht. Über 25.000 dieser Datenpakete waren so genannte ‚Gesundheitsberichte‘ – Diagnosedaten, die periodisch von den Knoten gesendet wurden. co
INFO & KONTAKT
Linear Technology GmbH
Ismaning
Tel. +49 89/962455-0
Details zu Dust Networks:
Anwendungen:
- Smarte Parkplatzsysteme: Streetline www.linear.com/docs/41387
- Computer-Datenzentren, um den Energieverbrauch zu überwachen: Vigilent www.linear.com/docs/41384
- Einsatz in Industriebetrieben: Emerson Process www.linear.com/docs/41383
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