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3-2014

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Sensoren jeder

Sensoren jeder beliebigen Zeit sind einige Kanäle gut, andere schlecht und wieder andere variieren stark. Kanal 17, obwohl allgemein gut, weist mindestens eine Periode auf, in der keine Datenübertragung stattfindet. Jeder Pfad im Netzwerk zeigt qualitativ ähnliches Verhalten, jedoch mit unterschiedlicher Kanalleistung und es gibt keinen Kanal irgendwo im Netzwerk der immer gut ist (1). Auf Grund von Interferenzen und Multipath-Fading, ist als Schlüssel zum Aufbau eines zuverlässigen drahtlosen Systems die Kanal-und-Pfad-Vielfalt anzuwenden. Bild 3: Multipath-Fading führt zu starken Schwankungen der Qualität einer Verbindung, selbst dann, wenn man den Empfänger nur wenige Zentimeter versetzt Interferenz kann aus demselben Netzwerk kommen, wenn ihre grundlegende Medium-Access- Technologie keine konfliktfreie Kommunikation festlegt. Dies ist besonders problematisch wenn die beiden Sender zwar den Empfänger „hören“ können, aber nicht sich gegenseitig – dies ist als „verstecktes Anschlussproblem“ bekannt und erfordert Backoff- und Acknowledgement-Mechanismen, um Datenkollisionen zu beheben. Interferenz kann auch von anderen Netzwerken kommen, die im selben Funkraum arbeitet oder mit einer anderen Funktechnik, die dasselbe Frequenzband benutzt. Letzteres, als „externe“ Interferenz bekannt, tritt besonders in lizenzfreien Bändern wie dem ISM-Band (instrumentation, scientific and medical) zwischen 2,400 bis 2,485 GHz, das mit Wi-Fi, Bluetooth und 802.15.4 überfüllt ist. Bild 2 wurde bei Einsatz von 45 802.15.4-Knoten in einer Büroumgebung erstellt, die, gleichmäßig verteilt über 16 802.15.4-Kanäle12 Millionen Datenpakete austauschten. Es zeigt das durchschnittliche Paketübertragungsverhältnis (PDR) dieser Pakete als Funktion des Kanals über den sie gesendet wurden; auf Kanälen die mit Wi-Fi-Kanälen überlappen, ist dieses Übertragungsverhältnis geringer. Ein zweites Phänomen, Multipath-Fading (siehe Bild 3) gezeigt, kann ebenfalls verhindern, dass ein gesendetes Datenpaket den Empfänger erreicht und ist sowohl zerstörender als auch schwieriger zu quantifizieren. Häufig als „Selbst-Interferenz“ beschrieben, tritt es auf, wenn der Empfänger sowohl die Signale über die Sichtlinie vom Sender empfängt, aber auch „Echos“ desselben Signals, das von Objekten in der Umgebung zurück geworfen wird (Boden, Decken, Türen, Menschen etc.). Da diese Kopien unterschiedliche Entfernungen zurücklegen, erreichen sie den Empfänger zu unterschiedlichen Zeitpunkten und stören sich destruktiv. Fades von 20 bis 30 dB sind dabei nicht ungewöhnlich. Bild 3 wurde bei einem Sender aufgezeichnet, der 1000 Datenpakete an einen 5 m entfernten Empfänger übertrug, was wiederholt wurde wobei der Empfänger an jedem Punkt in einem 35 cm x 20 cm Raster positioniert wurde. Die Z-Achse repräsentiert das Paketübertragungsverhältnis über diese Verbindung. Während diese Verbindung bei den meisten Positionen gut ist, werden wegen Multipath- Fading an einigen Positionen keine Datenpakete erfolgreich empfangen. Multipath-Fading hängt von der Position und der Art der Objekte in der Umgebung ab und ist damit für jede praktikable Einstellung unvorhersehbar. Eine gute Eigenschaft ist, dass sich die in Bild 3 dargestellte „Topografie“ mit der Frequenz ändert. Das heißt, dass wenn ein Datenpaket wegen Multipath-Fading nicht empfangen wurde, das erneute Senden auf einer anderen Frequenz eine hohe Erfolgswahrscheinlichkeit hat. Weil einige Objekte in der Umgebung nicht statisch sind, d.h. Autos, die vorbeifahren, Türen die geöffnet und geschlossen werden, ändert sich auch der Effekt des Multipath-Fading mit der Zeit. Bild 4 zeigt das Paketübertragungsverhältnis auf einem einzigen drahtlosen Pfad zwischen zwei industriellen Sensoren über einen Zeitraum von 26 Tagen, für jeden der 16 Kanäle, die im System verwendet werden. Es gibt hier wöchentliche Zyklen, in denen Arbeitstage und Wochenenden deutlich sichtbar sind. Zu Lösungen Wie bereits erwähnt, ist IEEE 802.15.4 eine gut geeignete Technik zur Lösung des WSN-Problems. Solche 802.15.4-Funkstrecken haben geringe Leistung, PHYs mit geringer Datenrate und mehrere unlizenzierte Frequenzbänder, einschließlich dem in Nordamerika verfügbaren 915-MHz- Band, und dem 2,4-GHz-ISM- Band, das weltweit verfügbar ist. Die Spreizspektrum-PHYs für das 2,4-GHz- Band bieten Immunität für Rauschen – eine ziemlich wichtige Eigenschaft für ein Gerät mit geringer Energie, das dazu entwickelt ist, in einem potenziell übervölkerten, lizenzfreien Band zu arbeiten. Der Standard definiert auch einen zuverlässigen, quittierte- Pakete (oder Frame) basierten MAC-Layer mit optionaler Verschlüsselung oder Authentifizierung. Diese flexible Lösung bildet die Basis für mehrere proprietäre und Standard-basierte Protokolle einschließlich dem ZigBee-Protokoll, das verwendet wird, um unsynchronisierte Einkanal-Netzwerke aufzubauen und das Wireless-HART-Protokoll (2), das genutzt wird, um zeitsynchronisierte Mehrkanal- Netzwerke aufzubauen. Das WirelessHART-Protokoll, das vom Dust-Networks- Geschäftsbereich von Linear Technology entwickelt wurde, hat eine 802.15.4-2,4-GHz-PHY 32 hf-praxis 3/2014

Sensoren und einen 802.15.4 basierenden Link-Layer, der Synchronisation, Kanal-Hopping, Prioritäts- und Zeit basierte Authentifizierung zum Standard-802.15.4-MAC hinzufügt. Es besitzt einen Netzwerk-Layer, der das Routing liefert, End-to-End-Security und einen dünnen unzuverlässigen/ zuverlässigen Mesh-Transport- Layer. Der WirelessHART- Standard spezifiziert das Timeslot-Timing, wie die Geräte die Synchronisation beibehalten, und wie die Geräte die Zeit-/ Kanalkommunikationsmöglichkeiten planen, indem sie die Zeit in „geschlitzte“ Kommunikationsmöglichkeiten (Zeitschlitze) auf wiederholten „Superframes“ einteilen. Das Protokoll wurde entwickelt, um die nahtlose Integration von drahtlosen Geräten in bestehende HART-Installationen zu erlauben, die in industriellen Prozessüberwachungsund –regelapplikationen weit verbreitet sind. WirelessHART erweitert den Befehlssatz des HART-Applikations-Layer, indem Befehle für das managen der drahtlosen Ressourcen und überwachen der „Gesundheit“ des Netzwerks hinzukommen. WirelessHART-Netzwerke sind sehr zuverlässige Meshes – selbst mit Geräten, die nicht im Sichtbereich liegen und die zehn oder hunderte Meter entfernt sind, hat jedes Gerät mehrere Nachbarn, an die es Daten senden kann – und bietet damit die Pfadvielfalt, die nötig ist, um die Zuverlässigkeit zu sichern. WirelessHART-Netzwerke werden zentral gemanagt wobei die meiste Netzwerk-„Intelligenz“ in einem Manager sitzt. Feldgeräte (drahtlose Sensoren) senden Zustandsinformationen, die der Manager nutzt, um das Netzwerk zu pflegen und zu optimieren sowie Sensordaten an einen Applikations-Proxy, genannt Gateway, weiter zu gegeben. Vor kurzem wurde ein neuer 802.15.4-Nachtrag veröffentlicht, der, unter anderem, zeitgeschlitzte Kanal-Hopping- Eigenschaften formalisierte, wie die, die in WirelessHART im 802.15.4-MAC-Layer gefunden werden. Der Standard definiert Bild 4: Das Paketübertragungsverhältnis einer drahtlosen Verbindung steigt mit der Zeit die Mechanismen zum ankündigen der Synchronisationsinformation, um es den Geräten zu erlauben, sich auf ein Netzwerk zu synchronisieren, bietet zeitbasierte Sicherheitsfunktionen und definiert „geschlitzte“ Kommunikations- und Hüpf- Sequenzen. Er macht extensiven Gebrauch von Datenkapselung in „Informationselementen“ – dies erlaubt kundenspezifische Erweiterungen für den MAC, ohne dass man auf eine Aktualisierung des Standards warten muss. Der Nachtrag ist dazu gedacht, die Entwicklung eines Multilayer-Protokolls zu vereinfachen und wurde speziell dazu entworfen, sich an einen 0LoWPAN-komprimierten IPv6- Netzwerk-Layer anzukoppeln, wie er in IETF-RFCs 4944 und 6282 (3) definiert ist. Anwendungen Die Produktlinie SmartMESH von Dust Networks enthält sowohl WirelessHART- und 6LoWPAN-kompatible IPv6- Produkte die 802.15.4 nutzen, um die zuverlässigste WSN- Lösung mit geringstem Leistungsverbrauch auf dem Markt zu liefern. Dust Eterna „Stäubchen“ (LTC5800-Familie) sind Einchip-Bausteine, die einen Cortex-M3-Mikroprozessor, Speicher und Peripheriefunktionen an die 802.15.4-Funkstrecke mit der geringsten Leistungsaufnahme koppeln, die heute am Markt verfügbar ist (Bild 5). Entwickler betten ein solches elektronisches „Stäubchen“ in ihr Sensorgehäuse ein und können sich auf das Netzwerk verlassen, dass es Sensordaten erfasst, optimiert und an ihre Applikation übertragen. Die Manager von Dust erlauben durch das Angebot an Daten- und Konfigurationsschnittstellen für das Netzwerk das elegante Skalieren von zehn auf tausend Geräte. Beide Produktfamilien bauen extrem zuverlässige, Multi- Hop-Mesh-Netzwerke auf, die für jeden einzelnen Sensorknoten konfigurierbare Datenraten haben können. Sie sind geeignet, eine Vielzahl von WSN-Problemen zu lösen. Einige Beispiele für Anwendungen, die Dust- „Stäubchen“ und Manager enthalten, sind folgende: Parksysteme – Streetline (4) ist ein Anbieter von smarten Parksystemen, die in Echtzeit die Verfügbarkeit von Parkplätzen in Städten überwachen und anzeigen. Fahrzeugdetektoren sind unterhalb der Parkplätze im Untergrund installiert und werden vom Straßenverkehr überrollt. Dies bringt Herausforderungen, da die Antenne für den Sensor im Untergrund angesiedelt ist und dann noch von einem metallischen Fahrzeug abgedeckt wird, wenn der Parkplatz belegt ist. Die drahtlose Pfadvielfalt ist unumgänglich, da unterschiedliche Fahrzeugpositionen die Pfadqualität zwischen Sensorpaaren ändern. Streetline installiert deshalb erhabene Repeater an nahe gelegenen Straßenlampen, um eine Sichtlinie zu den blockierten Sensoren aufrecht zu erhalten. Diese Repeater formen ein Multi-Hop-Mesh, um alle diese Besetzt-Informationen zu lokalen Netzwerk-Manager zu übermitteln, wo sie in einer stadtweiten Datenbasis gesammelt werden, die für die Anwender und Vollzugsbehörden verfügbar ist. Die drahtlose Technik ist für diese Anwendung wichtig, weil es unmöglich ist, Sensoren an jedem Parkplatz zu verdrahten und die verlustleistungsarme hf-praxis 3/2014 33

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