Technologieübergreifende Kommunikation im Internet der Dinge deutlich vereinfacht

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.

Neuer Baustein für eine direkte Kommunikation zwischen IoT-Geräten

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, d.h., 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.

System unterstützt die gängigsten Technologien

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.

Vielversprechender Nutzen

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.

Großer Erfolg auf internationalen Konferenzen

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.

Diese Forschung erfolgte in Zusammenarbeit mit der TU Darmstadt und wurde teilweise im Rahmen des COMET-Zentrums Pro2Future und im Rahmen des EU-Projekts SCOTT (Secure Connected Trustable Things) durchgeführt, das von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG) und der Europäischen Kommission gefördert wird. Diese Forschung wurde auch durch die Austria Wirtschaftsservice Gesellschaft mbH (aws), aus Mitteln der Nationalstiftung für Forschung, Technologie und Entwicklung gefördert. Sie ist im „Field of Expertise“ Information, Communication & Computing verankert, einem von fünf wissenschaftlichen Stärkefeldern der TU Graz.

Carlo Alberto BOANO
Ass.Prof. Dott. Dott. mag. Dr.techn. MSc
TU Graz | Institut für Technische Informatik
Tel.: +43 316 873 6413
cboano@tugraz.at

Rainer HOFMANN
Dipl.-Ing. BSc
TU Graz | Institut für Technische Informatik
Tel.: +43 316 873 6411
rainer.hofmann@tugraz.at

Hannah BRUNNER
TU Graz | Institut für Technische Informatik
hannah.brunner@tugraz.at

X-Burst: Enabling Multi-Platform Cross-TechnologyCommunication between Constrained IoT Devices (http://www.carloalbertoboano.com/documents/hofmann19xburst.pdf)
Demo: Cross-Technology Broadcast Communication betweenOff-The-Shelf Wi-Fi, BLE, and IEEE 802.15.4 Devices (http://www.carloalbertoboano.com/documents/brunner20ctc.pdf)

https://www.tugraz.at/institute/iti/home (Institut für Technische Informatik der TU Graz)
https://www.tugraz.at/forschung/forschungsschwerpunkte-5-fields-of-expertise/inf… (Field of Expertise Information, Communication & Computing)