Internet der Dinge 19.03.2020, 07:01 Uhr

Smarte Geräte auf einer Wellenlänge

Drahtlose Geräte können auf verschiedenen Funkfrequenzen miteinander kommunizieren. Damit dies künftig noch direkter und deutlich einfacher funktioniert, haben Forschende der Technischen Universität (TU) Graz ein neues Framework entwickelt.

Framework X-Burst

Forschende an der TU Graz entwickelten gemeinsam das Framework X-Burst. Das kann in Betriebssysteme bestehender Geräte eingebaut werden.

Foto: Lunghammer, TU Graz

Intelligente Produkte, die drahtlos mit anderen Geräten kommunizieren, gehören selbstverständlich zu unserem Alltag: Das sind zum Beispiel sogenannte „Wearables“, die körperliche Aktivität aufzeichnen, Haushaltsgeräte, die sich aus der Ferne bedienen lassen, vernetzte Fahrzeuge, die in Echtzeit vor Staus warnen oder Industrieanlagen, die Produktionsfehler rechtzeitig erkennen und den technischen Dienst informieren. All diese Geräte sind jedoch nicht unbedingt untereinander kompatibel. Der Grund: Sie nutzen verschiedene Funktechnologien. Die einen kommunizieren per Wi-Fi, andere via Bluetooth oder ZigBee. Hinzu kommt, dass viele Geräte auf den gleichen Funkfrequenzen kommunizieren. Das sorgt nicht selten für eine gegenseitige Störung. Die Folgen: Datenübertragungen verzögern sich, Daten können sogar verloren gehen, zudem steigt der Energieverbrauch, während sich zugleich die Lebensdauer der Batterie reduziert.

Wissenschaftler des Instituts für Technische Informatik der TU Graz haben für dieses Problem ein neues System entwickelt. Es ermöglicht den direkten Austausch von Informationen zwischen handelsüblichen Geräten, die unterschiedliche Funktechnologien, aber die gleichen Funkfrequenzen nutzen. „X-Burst“ heißt das generische Framework. Es kann nach Angaben der Forscher problemlos in die Betriebssysteme der Produkte des Internets der Dinge (Internet of Things – IoT) eingebaut werden.

X-Burst statt teurer und unflexibler Gateways

Die Forschenden setzen dabei auf zeitgesteuerte Energieimpulse, sogenannte „Energy-Bursts“. Diese erzeugt jedes smarte Gerät selbst, und sie können von den meisten anderen Geräten erkannt werden. „Wir senden standardkonforme Datenpakete unterschiedlicher Länge. Diese Pakete sind in ihrer Länge encodiert, das heißt, die Information ist in der Dauer der Pakete gespeichert. Die Empfangsgeräte überwachen den Energiespiegel im Funkkanal und können dadurch die Pakete detektieren, ihre Dauer bestimmen und schlussendlich die darin enthaltenen Informationen extrahieren“, erklären Rainer Hofmann und Hannah Brunner von der TU Graz. Gemeinsam mit Carlo Alberto Boano haben sie federführend an dem Projekt gearbeitet.

Sie fokussierten sich dabei hauptsächlich auf den Datenaustausch im lizenzfreien 2,4-GHz-Band. Viele Geräte nutzen diesen Frequenzbereich als Funkstandard – dazu zählen auch die gängigen Technologien Wi-Fi, Bluetooth und ZigBee. Diese standen für die Forscher im Mittelpunkt ihrer Untersuchungen. Dafür haben sie zuerst einen Prototypen – X-Burst – entwickelt. Mit dem konnten sie nachweisen, dass eine erfolgreiche Kommunikation zwischen verschiedenen Funktechnologien möglich ist. Die Tests haben auch ergeben, dass keine teuren und unflexiblen Gateways zwischengeschaltet werden müssen. Das gehört bei Geräten mit unterschiedlichen Funktechnologien teilweise zum Standard bei den Herstellern, könnte aber nun künftig der Vergangenheit angehören.

Basis für intelligente Nutzung der Funkfrequenzen

Die neue Entwicklung der Forschergruppe bietet einen weiteren Vorteil: Die Systemuhren der verschiedenen Geräte können sich miteinander synchronisieren. Dadurch können zeitgleich bestimmte Aktionen ausgeführt werden. Ferner legt X-Burst die Basis für eine intelligente Nutzung der Funkfrequenzen. Das funktioniert, indem sich alle Geräte über die genutzten Frequenzen austauschen und entsprechend anpassen können. Dadurch reduzieren sich technologieübergreifende Störungen. Gleichzeitig erhöht sich die Zuverlässigkeit, der Energieverbrauch der Geräte verbessert sich. Aktuell arbeiten die Forschenden an einem neuen Protoytpen. Dieses Mal liegt der Schwerpunkt auf Smart-Home-Szenarien.

Der Begriff Wi-Fi wird im Sprachgebrauch übrigens häufig auch als WLAN bezeichnet. Das ist allerdings nicht ganz korrekt. Mit WLAN ist die kabellose Technologie gemeint und damit ein Überbegriff. Wi-Fi bezeichnet eine Art von WLAN und zwar ein besonderes. Mit dem Zertifikat nach dem IEEE-802.11-Standard ist Wi-Fi (Wireless-Fidelity) eine der gebräuchlichsten WLAN-Technologien, aber durchaus nicht die einzige, die genutzt wird. Ursprünglich entwickelte eine Organisation mit Namen Wi-Fi Alliance den Begriff. Sie überwachte Tests, die den nahtlosen Austausch zwischen Produkten zertifizieren. Bei Bestehen bekommt das Produkt das Siegel „Wi-Fi-certified“ nach dem entsprechenden Standard.

Das gemeinschaftliche Forschungsprojekt der TU Darmstadt, dem COMET-Zentrum Pro2Future und dem EU-Projekt SCOTT (Secure Connected Trustable Things) wird von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG) und der Europäischen Kommission gefördert. Zudem unterstützte es auch die Austria Wirtschaftsservice Gesellschaft mbH (aws) mit Mitteln der Nationalstiftung für Forschung, Technologie und Entwicklung.

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