Für Weitverkehrsnetze mit geringer Leistung (LPWANs), die in lizenzfreien Frequenzen betrieben werden, liegt ein großer Vorteil in den niedrigen Netzkosten. Angesichts des exponentiellen Wachstums von IoT-Geräten werden die gemeinsam genutzten begrenzten Funkressourcen jedoch immer knapper. Um die Dienstgüte (QoS) und die Skalierbarkeit des Netzes zu verbessern, ist die Gewährleistung der Störfestigkeit in LPWAN eine wichtige Aufgabe.
Verständnis von Interferenzen im unlizenzierten Spektrum
Von Interferenzen spricht man, wenn zwei Funksignale unnötigerweise auf derselben Frequenz kollidieren, was zu Datenverlusten führt. Interferenzen bei lizenzfreien LPWANs lassen sich in zwei große Kategorien einteilen:
1. Systeminterne Störungen oder Selbststörungen sind Störungen, die von Geräten verursacht werden, die innerhalb desselben Netzes arbeiten, z. B. innerhalb des MIOTY-Netzes oder des LoRa-Netzes. Die Selbststörung ist hauptsächlich auf die asynchrone Kommunikation unter Verwendung des ALOHA-Schemas in vielen LPWAN-Systemen zurückzuführen. Obwohl der Stromverbrauch stark reduziert wird, erzeugen rein ALOHA-basierte Netzwerke aufgrund der unkoordinierten zufälligen Datenübertragung zwischen den Endgeräten erhebliche Selbststörungen.
2. Systemübergreifende Interferenzen sind Störungen, die durch Funksignale anderer Systeme verursacht werden. Da lizenzfreie Frequenzen für jedermann verfügbar sind, existieren mehrere Technologien nebeneinander und greifen auf dieselben Frequenzressourcen zu. Beispielsweise nutzen die meisten LPWAN-Technologien, einschließlich MIOTY, LoRa und Sigfox, typischerweise Sub-Gigahertz-Funkbänder für Industrie, Wissenschaft und Medizin (ISM). Auch Ingenu, ein weiterer LPWAN-Anbieter, teilt sich das überfüllte 2,4-GHz-Band mit Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee und anderen.
Störungen innerhalb und zwischen den Systemen können die Netzleistung beeinträchtigen und die Skalierbarkeit behindern.
Technische Methoden zur Bekämpfung von LPWAN-Störungen
Unter diesen Herausforderungen ist ein robuster Systementwurf der Schlüssel zur Gewährleistung einer hohen Störfestigkeit von LPWAN. Im Folgenden beschreiben wir vier technische Ansätze zur Kontrolle und Abschwächung von Interferenzen innerhalb und zwischen Systemen.
1. Ausnutzung der (ultra)schmalen Bandbreite
Im Vergleich zu breitbandigen Ansätzen auf der Grundlage des Spreizspektrums verringern (Ultra-)Schmalbandtechnologien die Probleme mit systeminternen Störungen. Jede Schmalbandnachricht nutzt eine sehr kleine Bandbreite, was zu einer hohen spektralen Effizienz führt. Infolgedessen können mehr Nachrichten in einem bestimmten Frequenzband untergebracht werden, ohne dass sie sich überschneiden, so dass mehr Geräte gleichzeitig effizient arbeiten können, ohne sich gegenseitig zu stören. Dies erhöht die Gesamtkapazität des Netzes und die Skalierbarkeit des Systems. Durch die minimale Bandbreitennutzung wird auch der Rauschpegel der einzelnen Signale reduziert.
Stellen Sie sich das Schmalband-Messaging wie ein Motorrad und das Breitband-Messaging wie einen Lastwagen vor. Wir können auf der Autobahn viel mehr Motorräder als Lastwagen transportieren, ohne einen Unfall zu verursachen.
2. Verkürzung der Sendezeit
In vielen LPWAN-Systemen kann die Übertragungszeit des Signals, die sogenannte Broadcast-Zeit, bis zu 2 Sekunden betragen. Dies ist problematisch, denn je länger eine Nachricht für die Übertragung benötigt, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie mit einer anderen Nachricht kollidiert, die zur gleichen Zeit gesendet wird, was zu Datenverlusten führen kann. Längere Übertragungszeiten erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit böswilliger und raffinierter Angriffe, wie z. B. selektives Stören.
3. Frequenzsprungverfahren
Frequenzsprünge erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegen Störungen zwischen Systemen, da die Nachrichten während der Übertragung schnell zwischen verschiedenen Kanälen wechseln. Die konstante Frequenzvariation hilft, eine Überlastung des Kanals zu vermeiden, und erschwert das Abfangen von Signalen. Der Nachteil ist, dass Frequenzsprünge spektral sehr ineffizient sind, da sie eine größere Bandbreite erfordern. Breitbandsignale, die mit niedrigen Raten übertragen werden, können sich leicht überschneiden, was zu Selbstinterferenzen und Datenverlusten führt.
4. Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC)
Die Anwendung von Kanalcodierung oder Vorwärtsfehlerkorrektur ermöglicht die Erkennung und Korrektur von Übertragungsfehlern aufgrund von Rauschen, Interferenzen und Fading. In unzuverlässigen oder verrauschten Kanälen trägt FEC dazu bei, die Bitfehlerrate digitaler Signale zu verringern, die Zuverlässigkeit der Signalübertragung zu verbessern und kostspielige Neuübertragungen von Daten zu vermeiden.
Bislang hat kein herkömmliches LPWAN-System alle diese Ansätze erfolgreich in seinem Systemdesign genutzt. LPWAN mit einem (ultra-)schmalbandigen Ansatz bietet eine hohe spektrale Effizienz, leidet aber unter langen Übertragungszeiten aufgrund sehr langsamer Datenraten. Spreizspektrumsysteme nutzen die Vorteile des Frequenzsprungverfahrens, leiden aber aufgrund der großen Bandbreite unter Selbststörung und Skalierbarkeitsproblemen.
Das Telegramm-Splitting nutzt die Vorteile der vier oben genannten Methoden in einem System, indem es Ultra-Schmalband-Nachrichten in mehrere kleinere Teilpakete aufteilt und diese nach einem pseudozufälligen Zeit- und Frequenzmuster verteilt. Aufgrund seiner viel geringeren Größe hat jedes Teilpaket eine extrem kurze Sendezeit von nur 15 Millisekunden. Daher ist die Wahrscheinlichkeit von Konflikten mit anderen Signalen zwischen und innerhalb des Systems sehr gering. Darüber hinaus ermöglicht die eingebaute Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) ein erfolgreiches Abrufen der Nachricht, selbst wenn bis zu 50% der Teilpakete dabei verloren gehen.
Da die Gerätedichte und der Kommunikationsverkehr in der IoT-Ära weiter zunehmen, werden Antistörungsfunktionen in Weitverkehrsnetzen mit geringem Stromverbrauch weiterhin höchste Priorität haben. Außerdem müssen robuste Technologien gewählt werden, ohne Kompromisse bei Kosten und Energieeffizienz einzugehen.
Schlüsselwörter: lora kommunikationstechnik