Das Framework X-Burst ermöglicht einen direkten Informationsaustausch zwischen IoT-Geräten, die unterschiedliche Funktechnologien nutzen.

Bild: Helmut Lunghammer, TU Graz
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Kommunikation trotz unterschiedlicher Funktechnologien Ein Übersetzer für das IoT

19.03.2020

Die Anzahl der Geräte im Internet der Dinge ist in den letzten Jahren rasant angestiegen. Allerdings sind nicht alle miteinander kompatibel, da sie oft verschiedene Funktechnologien nutzen. Forschende der TU Graz haben jetzt ein Framework entwickelt, mit dem drahtlose Geräte technologieübergreifend miteinander kommunizieren können.

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 frühzeitig erkennen: Die Zahl intelligenter Produkte, die drahtlos mit anderen Geräten kommunizieren, ist in den letzten Jahren rasant angestiegen.

Doch sind nicht all diese Geräte untereinander kompatibel. Je nach Anforderung und Anwendung nutzen sie verschiedene Funktechnologien, zum Beispiel WiFi, Bluetooth (Low Energy) oder ZigBee. 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.

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.

Dafür machen sich die Wissenschaftler zeitgesteuerte Energieimpulse oder „Energy-Bursts“ im Funkkanal zunutze. Sie werden von jedem Smart Device erzeugt und können von den meisten auch detektiert werden.

Rainer Hofmann und Hannah Brunner waren gemeinsam mit Carlo Alberto Boano federführend im Projekt beteiligt. „Wir senden standardkonforme Datenpakete unterschiedlicher Länge. Diese Pakete sind in ihrer Länge encodiert, das heißt, die Information ist in der Dauer der Pakete gespeichert“, erklären sie. Die Empfangsgeräte überwachen den Energiepegel im Funkkanal und können dadurch die Pakete detektieren, ihre Dauer bestimmen und schlussendlich die darin enthaltene Information extrahieren.

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 WiFi, 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. Und zwar, ohne dass – wie derzeit bei Geräten mit unterschiedlichen Funktechnologien notwendig – teure und unflexible Gateways dazwischen geschaltet werden.

Vielversprechender Nutzen

X-Burst ermöglicht es zudem, die Systemuhren der verschiedenen Geräte zu synchronisieren. Diese können dadurch beispielsweise zeitgleich bestimmte Aktionen ausführen. Außerdem bildet die Erfindung 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 soll die Zuverlässigkeit und den Energieverbrauch der Geräte verbessern.

Derzeit arbeitet die Gruppe an einem neuen Prototypen, der die Vorteile von X-Burst in einem tatsächlichen Smart-Home-Szenario demonstrieren und verdeutlichen soll.

Weitere Informationen zu X-Burst

Das Paper X-Burst: Enabling Multi-Platform Cross-Technology Communication between Constrained IoT Devices wurde im Rahmen der internationalen Konferenz Secon 2019 mit dem Best Paper Award ausgezeichnet. Die Live-Demo von X-Burst wurde auf der internationalen Konferenz EWSN 2020 mit dem Best Demo Award prämiert.

Die Forschung an X-Burst erfolgte in Zusammenarbeit mit der TU Darmstadt und wurde teilweise im Rahmen des Comet-Zentrums Pro2Future und im Rahmen des EU-Projekts Scott durchgeführt. Gefördert wurde sie auch durch die Austria Wirtschaftsservice Gesellschaft, aus Mitteln der Nationalstiftung für Forschung, Technologie und Entwicklung.

Bildergalerie

  • Entwickelt wurde X-Burst von Carlo Alberto Boano, Hannah Brunner und Rainer Hofmann vom Institut für Technische Informatik der TU Graz.

    Bild: Helmut Lunghammer, TU Graz

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