Technologieübergreifende Kommunikation im IoT

Ob vernetzte Fahrzeuge, die in Echtzeit vor Staus warnen, Haushaltsgeräte, die sich aus der Ferne bedienen lassen, "Wearables", die die körperliche Aktivität überwachen oder Industrieanlagen, die etwaige Produktionsfehler rechtzeitig erkennen und den technischen Support verständigen: Die Zahl intelligenter Produkte, die im Zeitalter des Internets der Dinge (engl.: Internet of Things, IoT) drahtlos mit anderen Geräten kommunizieren, ist in den letzten Jahren rasant angestiegen. Allerdings sind nicht all diese Geräte untereinander kompatibel, da sie – je nach Anforderung und Anwendung – verschiedene Funktechnologien wie Wi-Fi, Bluetooth (Low Energy) oder ZigBee nutzen. Mehr noch: Viele Geräte besitzen oftmals die gleichen Funkfrequenzen und stören sich gegenseitig. Dadurch verzögert sich die Datenübertragung, Daten können verloren gehen, der Energieverbrauch steigt und die Batterielebensdauer sinkt.

Forschende am Institut für Technische Informatik der TU Graz haben nun ein System entwickelt, das den direkten Informationsaustausch zwischen handelsüblichen Geräten ermöglicht, die zwar unterschiedliche Funktechnologien, aber die gleichen Funkfrequenzen nutzen. Dabei handelt es sich um ein generisches Framework namens X-Burst, das Firmen zukünftig in die Betriebssysteme ihrer IoT-Produkte integrieren können. Die Forschenden machen sich zeitgesteuerte Energieimpulse ("Energy-Bursts") im Funkkanal zunutze, welche von jedem Smart Device erzeugt und von den meisten detektiert werden können: "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 Energiepegel im Funkkanal und können dadurch die Pakete detektieren, ihre Dauer bestimmen und schlussendlich die darin enthaltene Information extrahieren", erklären Rainer Hofmann und Hannah Brunner, die gemeinsam mit Kollegen Carlo Alberto Boano federführend im Projekt waren.

In ihrer Arbeit konzentrierten sich die Forschenden vor allem auf den Datenaustausch im lizenzfreien 2,4-GHz-Band. Dieser Frequenzbereich wird von vielen Funkstandards benutzt – so auch von den gängigsten Technologien Wi-Fi, Bluetooth (Low Energy) und ZigBee –, die im Zentrum der Untersuchungen standen. Anhand eines Prototyps konnte das Team nachweisen, dass X-Burst eine erfolgreiche Kommunikation zwischen unterschiedlichen Funktechnologien ermöglicht, ohne dass – wie derzeit bei Geräten mit unterschiedlichen Funktechnologien notwendig – teure und unflexible Gateways zwischengeschalten werden.

Die Erfindung ermöglicht zudem das Synchronisieren der Systemuhren der verschiedenen Geräte, wodurch diese, zum Beispiel, zeitgleich bestimmte Aktionen ausführen können. Außerdem bildet X-Burst den Grundstein für eine intelligente Nutzung der Funkfrequenzen, indem alle Geräte ihre verwendeten Frequenzen untereinander kommunizieren und dementsprechend anpassen können. Das minimiert technologieübergreifende Störungen und verbessert die Zuverlässigkeit und den Energieverbrauch der Geräte. Derzeit arbeitet die Gruppe an einem neuen Prototypen, der die Vorteile von X-Burst in einem tatsächlichen Smart-Home Szenario demonstrieren und verdeutlichen soll.

Das Paper X-Burst: Enabling Multi-Platform Cross-Technology Communication between Constrained IoT Devices wurde im Rahmen der Internationalen Konferenz zu Sensing, Communication and Networking 2019 (SECON'19) mit dem Best Paper Award ausgezeichnet. Die Live-Demo von X-Burst wurde auf der Internationalen Konferenz zu Embedded Wireless Systems and Networks (EWSN’20) mit dem Best Demo Award prämiert.