Die Funkkommunikation ist noch ein gutes Stück von der übergreifenden Lösung entfernt, so wie es beispielsweise das Ethernet für drahtgebundene Lösungen darstellt. Ursache sind zahlreiche Zielkonflikte: in Bezug auf Leistungsfähigkeit, Energiebedarf, Reichweite und Kosten der Funkkommunikation. Konflikte, die sich wohl in absehbarer Zeit kaum lösen lassen. So wird der Markt mittelfristig heterogen und vielfältig bleiben. Dennoch ist bereits heute ein Zusammenwachsen verschiedener Richtungen zu beobachten.

Hardware - Standard oder Flexibel?

Basis der drahtlosen Kommunikation in den letzten Jahren rasant entwickelt hat. Dies gilt nicht nur im Bereich der herkömmlichen Mobilkommunikation (GSM/GRPS/ UMTS) und der Datenübertragung (WMAN, IEEE802.16 und WLAN, IEEE802.11), sondern insbesondere auch in Bezug auf die Kosten- und Verlustleistungsreduzierung bei kleinen Funksystemen, die landläufig als Wireless Sensor Networks (WSN), Short Range Wireless Networks (SRWN) oder Wireless Personal Area Network (WPAN) bezeichnet werden. Gleichzeitig wurde die Integration von Hochfrequenzschaltkreisen in Single-Chip-Transceiver im 868-MHz- und 2,4-GHz-Bereich möglich.

In einigen Fällen werden die Transceiver gemeinsam mit einem Mikrocontroller zu einem Bauteil zusammengefasst. Im Bezug auf die Funktransceiver lassen sich zwei klassische Gruppen unterscheiden: Zum einen gibt es Geräte, die standardisierte Protokolle unterstützen, wie etwa WLAN (IEEE802.11), Bluetooth oder Zigbee (IEEE802.15.4). Diese Standards erlauben eine gewisse Herstellerunabhängigkeit nicht nur für die Hardware- Beschaffung, sondern in einem erheblichen Maße auch für die Software- Nutzung.

Zum anderen werden proprietäre Funktransceiver angeboten, die mittlerweile in Bezug auf die Trägerfrequenzen, die Modulationsarten und die möglichen Rahmen- und Filterformate erfreulich flexibel sind. Bei geschickter Auswahl der Geräte und Funkparameter lässt sich damit auch hier eine gewisse Unabhängigkeit vom Lieferanten erreichen.

Dabei muss jedoch ein besonderes Augenmerk nicht nur auf die verfügbaren Modulationsverfahren, sondern auch auf die Eigenschaften der Frequenzmasken gelegt werden. Die Software bleibt nur dann portierbar, wenn eine saubere Hardware-Abstraktion realisiert wurde.

Heterogene Protokollschichten

Die Hardwarebausteine realisieren jedoch in der Regel nur einen Teil der untersten Kommunikationsschicht, des sogenannten „Physical Layers". Darauf aufbauend werden noch die höheren Schichten benötigt: Kanalzugriffsprotokolle (Medium Access Control - MAC), wenn nötig ein Netzwerkprotokoll, um Daten über Zwischenknoten zu übermitteln und ein Anwendungsprotokoll. Im Bereich der höheren Schichten lassen sich drei zum Teil gegenläufige Trends beobachten: Durch viele Sonderlösungen im Industriebereich, nimmt die Zahl der Anwendungsprotokolle zu.

Zusätzlich lässt sich feststellen, dass eigentlich alle ernst zu nehmenden Protokolle nach einem Schichtenmodell implementiert sind. Allerdings sind die Schnittstellen der Teilschichten selten offengelegt und laden kaum zur Interoperabilität ein. Diese fehlende Offenheit ist zum Teil durch die produkt- oder herstellerspezifische Historie verursacht, aber auch das Ergebnis einer sehr engen Kopplung der Teilschichten untereinander (Cross-Layer Design).

Das gilt leider nicht nur für die Produkt- sondern auch für die Forschungsansätze. Ein erfreulicher Trend, der sich seit kürzerer Zeit beobachten lässt ist der, dass bestehende Anwendungsprofile auf Funkprotokolle umgesetzt werden, um der Entwicklung immer neuer Anwendungsprofile mit oftmals überlappender Funktionalität entgegenzuwirken.

Damit steigt die Modularität. Allerdings geschieht dies nicht immer nur zur Freude der Hersteller von Funksystemen, weil diese sich dann umso schwerer tun, die gesamte Installation abzudecken. Drahtlose Kommunikation wird dann oft „nur" zur Überwindung der letzten Teilstrecke eingesetzt. Auch in der Netzwerkschicht nimmt die Modularität zu: Nach vielem Hin und Her scheint das Internetprotokoll (IPv4, IPv6) als übergreifender Standard nun endlich eine Chance zu bekommen, die Gateway-freie M2M-Kommunikation zwischen Maschinen und Anlagen zu übernehmen.

Je nach Anwendung

Eine Antwort auf die komplexe Protokoll-Thematik können flexible und offene Werkzeuge sein. Am Institut des Autors entstand das Web-2.0-basierte Gateway capt2web, das für Inbetriebnahme, Monitoring und Fernsteuerung vorbereitet ist. Es unterstützt mit einer generischen Umsetzung verschiedene Funkprotokolle wie Wireless M-Bus, das „EnOcean Radio Protokoll“ oder auch herstellerspezifische Protokolle. Die Plattform erlaubt die unmittelbare Kopplung von webbasierter Anwendung und Darstellung mit den eingebetteten Funksystemen. Eine erste Anwendung ist ein webbasierter Sniffer, der für die Anforderungen der Überwachung räumlich verteilter Funknetze geeignet ist.

In konkreten Anwendungen ergeben sich Randbedingungen, die je nach Fall eine besondere Aufmerksamkeit erfordern: Gerade Echtzeit-Applikationen stellen hohe Anforderungen an die maximale Paketfehlerrate. Im Vergleich zu drahtgebundener Kommunikation sind die Wireless-Systeme hier noch deutlich im Nachteil. Gegenwärtig sind Standard- Systeme verfügbar, die in der so genannten 10-ms-Klasse arbeiten. Jedoch sind spezielle proprietäre Lösungen auch wesentlich schneller.

Die Paketfehlerrate wird zusätzlich durch Koexistenzprobleme verschlechtert; Systeme beeinflussen sich gegenseitig, wenn sie im gleichen Frequenzband funken. Ergo heißt die Forderung: Das Frequenzband muss sich möglichst flexibel anpassen lassen. Ein Ausweg könnten hier die UWB-Technologien (Ultra- Wideband) sein, die sich aber in Bezug auf Standardisierung und Marktdurchdringung schwer tun.

Die Kommunikation über Funkwellen kennt keine klare physikalische Abgrenzung. Bei Safety-Anwendungen muss daher die Funkstrecke besonders in die Risikobetrachtung mit einbezogen werden. Je nach Anwendung ist auch die Sicherheit im Sinne der Security besonders zu berücksichtigen. Sicherheitsziele, wie Vertraulichkeit, Integrität und Authentifizierung erfordern in der Regel verschlüsselnde Verfahren.

Drahtlose Systeme können neben der Kommunikation die Identifizierung und Lokalisierung von Objekten ermöglichen und auf diese Weise die Grundlage für ortsbasierte Dienste, so genannte Location Based Services (LBS) sein, die unter Zuhilfenahme von positions-, zeit- und personenabhängigen Daten dem Endbenutzer bestimmte Informationen bereitstellen. Routing, im Sinne des Weiterleitens von Datenpaketen, spielt bei der Funkkommunikation eine besondere Rolle.

Die Reichweite einer einzelnen Punkt-zu-Punkt- Verbindung ist begrenzt und stark leistungsabhängig. Sprich: Es kann energetisch günstiger sein, eine Funkverbindung über mehrere Zwischenknoten zu führen, anstatt eine leistungsstarke Direktverbindung aufzubauen.

Gängige Protokolle

Für die je nach Fall sehr unterschiedlichen Anforderungsprofile existieren eine Vielzahl standardisierter und herstellerspezifischer Protokolle. Hier eine kleine Übersicht der gängigsten.

Bluetooth

Bluetooth wird als Kabelersatz meist bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen eingesetzt. Das zugrundeliegende Frequenzsprungverfahren erlaubt eine in den meisten Fällen ausreichend gute Koexistenzstabilität. Allerdings bietet Bluetooth weder Lösungen für komplexe Netzwerktopologien, wie vermaschte Netze, noch für batteriebetriebene Systeme.

Inwieweit die jüngsten Erweiterungen dieses Standards zum einen in Richtung energieoptimierter Lösungen (Bluetooth Ultra Low Energy) und zum anderen in Richtung höherer Datenraten (High Speed Bluetooth 3.0) im industriellen Umfeld Einsatz finden werden, ist gegenwärtig noch nicht abzuschätzen.

WLAN

Das Wireless-LAN (IEEE802.11) hat sich sowohl in der Grundversion als auch in den für industrielle Anwendungen optimierten Versionen eine feste Position erarbeitet und das vor allem auf der Steuerungsebene.

Besondere Bedeutung für die Entwicklung von drahtlosen Sensorknoten hat der IEEE-802.15.4-Standard. Funktransceiver vieler Halbleiterhersteller unterstützen diesen Standard in der physikalischen Schicht. Zahlreiche andere Standards bauen auf der IEEE802.15.4-Technologie auf. Hierbei dominiert weiterhin das weltweit verfügbare 2,4-GHz-ISM-Band. Eine deutlich geringere Verbreitung besitzen die Transceiver im Sub-GHz-Bereich bei 868/915 MHz.

Diese seit dem Jahr 2006 verankerte Erweiterung des IEEE 802.15.4 wird bisher nur vom Chiphersteller Atmel unterstützt. Allerdings steigt die Komplexität des IEEE 802.15.4: Es gibt immer mehr Erweiterungen sowohl auf der physikalischen als auch auf der MAC-Ebene.

Diese Erweiterungen betreffen Maßnahmen, um die gesetzlichen Vorgaben in verschiedenen Weltregionen zu erfüllen, sowie die Ultra-Wide-Band-Optionen und die Unterstützung höherer Protokolle für verteilte Netzwerktopologien.

ZigBee

Das ZigBee-Protokoll wurde seit etwa 2002 von der ZigBee-Alliance entwickelt. Dieses Protokoll basiert in der physikalischen Schicht auf den verbreiteten IEEE802.15.4-MAC- und -PHY-Protokollen. Es deckt die Netzwerk- sowie die Anwendungsschicht ab und erlaubt damit die Interoperabilität zwischen Anwendungsknoten.

Die ZigBee-Alliance ist im vergangenen Jahr neue Kooperationen eingegangen: Zunächst - mit Blick auf die Konsumer-Elektronik - mit dem RF4CEKonsortium (Funkfernsteuerungen für Konsumer-Elektronik) und zur Integration des Internetprotokolls IPv6 mit der „Internet Engineering Task Force" (http://www.ietf.org). Auch mit der HomePlug- Powerline-Alliance und der European- Smart-Metering-Industry-Group (ESMIG) kamen Abkommen zustande.

Mit diesen Kooperationen verschiebt sich der Fokus der ZigBee-Aktivisten von der industriellen Automation hin zur Konsum- und Medizinelektronik sowie zur automatischen Zählerfernauslesung (Metering). Nichtsdestoweniger ist der ZigBee- Standard in seinem fortgeschrittenen Stadium ein sehr gutes Beispiel für die zahlreichen wirtschaftlichen und technischen Abhängigkeiten, der eine Standardisierung folgen muss.

Von Dust Networks bis ISA

Die Wurzeln von Dust Networks liegen in dem so genannten „Smart Dust"-Projekt der University of Berkeley, das seit 1997 bearbeitet wurde. Dessen Ergebnisse mündeten im „Time Synchronized Mesh Protocol" (TSMP), das Netzwerk- und Sicherungsschicht beschreibt und auch auf dem IEEE802.15.4-PHY-Protokoll aufbaut. TSMP erlaubt eine zwischen jeweils zwei Knoten zeitsynchronisierte Kommunikation.

Jedes Paar unterstützt dabei auch eine spezifische Frequenzsprungfolge. Routing und Security werden ebenfalls unterstützt. Die Anwendungsschicht ist zunächst offen gehalten. Die Hart-Foundation hat TSMP als Grundlage für ihre Wireless-Spezifikation ausgewählt. Bei Wireless-Hart setzen damit die Hart-Anwendungs-Protokolle auf dem TSMP-Protokoll auf.

Die SP100a-Spezifikation der ISA wiederum sieht Wireless-Hart als einen Bestandteil ihres übergreifenden Regelwerks, das jedoch auch andere Funkprotokolle erlaubt.

IP über IEEE802.15.4

Ein Ansatz, der sich einer steigenden Verbreitung erfreut, ist das Internet-Protokoll (IP) direkt über IEEE802.15.4 zu betreiben, um auf diese Weise das Sensornetzwerk ohne Anwendungs- Gateways in die normale Netzinfrastruktur zu integrieren. Dieser Ansatz wird mittlerweile nicht mehr nur von der IETF erarbeitet, sondern auch die ZigBee-Alliance hat diesen Ansatz aufgegriffen und arbeitet seit Mai 2009 daran, die offenen IP-Standards in ihren Protokoll- Stack zu integrieren.

Autor: Prof. Dr. Axel Sikora leitet den Studiengang Informationstechnik der DHBWLörrach sowie das Steinbeis- Transferzentrum Embedded Design & Networking.

Checkliste zur Protokollauswahl

Die Auswahl des passenden Wireless- Protokolls steht trotz aller Standardisierungs- Bemühungen weiterhin auf der To-do-Liste vieler Anwender. Folgende Übersicht zeigt beispielhafte Entscheidungskriterien, die in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung gewichtet werden sollten.

Physische Schicht (Physical Layer)

Datenübertragungsrate

• Datenübertragungsrate brutto
• Maximale Datenübertragungsrate netto bei einem Funkknoten
• Maximale Datenübertragungsrate netto bei maximaler Anzahl aktiver Knoten

Frequenz 

• Weltweite Verfügbarkeit
• Ausgangsleistungen
• Modulationsverfahren
• Bandbreiten
• Anzahl der Kanäle

Energieverbrauch

• Stromverbrauch im aktiven Betrieb
• Unterstützung von Power-Down-Modi

Erreichbare Reichweite (Link Budget)

Unempfindlichkeit gegen Störer

• Stabilität gegen extrinsische Störer
• Stabilität gegen intrinsische Störer
• Stabilität gegen Mehrwege-Ausbreitung
• Stabilität gegen Dynamik der Funkknoten

Sicherungsschicht /Data Link Layer)

Topologien

• Notwendigkeit zentraler Funkknoten (Koordinatoren)
• Maximale Anzahl anschließbarer aktiver Funkknoten an einen zentralen Knoten

Echtzeit-Eigenschaften

• Anmeldezeiten
• Latenzzeit
• Jitter unter Störeinflüssen Safety
• Möglichkeit der Safety-Unterstützung
• Möglichkeit der Safety-Integration

Netzwerkschicht

Unterstützung verteilter Topologien (Multi-Hop)

Unterstützung dynamischer Topologien

Anwendungsschicht

Übergreifende Beschreibung der Profile

Erweiterbarkeit der Profile

Integrationsmöglichkeit der Profile in Backend-Systeme

Trennung von Anwendungs- und Netzwerkverwaltung

Netzwerkverwaltung

Ad-Hoc-Protokolle

• Unterstützung einer automatisierten Netzwerkverwaltung (ad-hoc)
• Integrationsmöglichkeit in übergreifende Managementprotokolle und -werkzeuge

Sicherheit

• Möglichkeit der Verschlüsselung (welcher Algorithmus?)
• Möglichkeit der Schlüsselverteilung im Rahmen der Verwaltungsprotokolle
• Möglichkeit der Schlüsselverteilung durch asymmetrische Kryptographie

Entwicklungsstand/Reifegrad

Standardisierung (offen/öffentlich)

Stabilität der Technologie

Langlebigkeit der Technologie

Unterstützung durch Entwicklungs- und Inbetriebnahmewerkzeuge

Multi-Vendor-Technologie

• Funktransceiver
• Module
• Firmware
• Software-/Hardware-Werkzeuge

Entwicklungsmöglichkeiten

Benutzerfreundlichkeit/Dokumentation

Möglichkeiten der Geräte-Anbindung

Schnittstellen-Programmierbarkeit

Eingriffsmöglichkeiten in den Protokollablauf

Aufbaumöglichkeit von Prototypen

Kosten

Entwicklungskosten

Serienkosten

Wenn auf dieser Grundlage die Entscheidung für eine Funktechnologie gefallen ist, kann auf der nächsten Stufe ein ähnlicher Kriterienkatalog bei der Auswahl der Produkte helfen. Hierbei kann sich ein mehrstufiger Prozess ergeben, wenn verschiedene Glieder der Wertschöpfungskette betrachtet werden müssen.