Grenzüberschreitende Forschung zur Interoperabilität heterogener Funksysteme –
Wie können Funksysteme wirtschaftlicher genutzt werden?

Hintergrund des Projekts

Prognosen besagen einen steten Anstieg von mobilen, drahtlosen Geräten in den kommenden Jahren. Parallel dazu gewinnen netzbasierte Technologien wie„Internet of Things“ Anwendungen und „Industry 4.0“ Applikationen zusehends an Bedeutung. Auch die Anforderungen der NutzerInnen an die Datenübertragungsrate steigen beständig. Dies bedeutet eine wachsende Zugriffsrate auf bestimmte Übertragungskanäle bzw. Luftschnittstellen.

Funkstandards sichern zwar die Interoperabilität zwischen Herstellern für ein und dasselbe System, nicht jedoch die Interoperabilität mit anderen, heterogenen Funksystemen auf der gleichen oder benachbarten Frequenz. Durch die daraus resultierende gesteigerte und unkoordinierte Auslastung der Netze nehmen Interferenzeffekte zu, das heißt es kommt zu wechselseitigen Störungen zwischen Geräten. Dies kann zu Übertragungsfehlern und Verbindungsabbrüchen führen.

Projektinhalt

Mobile Funkübertragung gehört zu den technologischen Grundlagen der Geschäftsmodelle zahlreicher Unternehmen, auch in der österreichisch-tschechischen Grenzregion. Das Projekt InterOP widmet sich daher der Interoperabiltität, sprich der besseren Nutzbarkeit heterogener Funksysteme aus betrieblicher Sicht. Im grenzüberschreitenden InterOP-Forschungsteam werden zuerst relevante Funkszenarien definiert (z.B. Lagerhalle, Bürobereich etc.). Basierend darauf werden Messungen und Analysen durchgeführt, um Interferenzeffekte im jeweiligen Setting zu erfassen.

In einem weiteren Schritt werden Modelle entwickelt, um Störszenarien zu simulieren. Darauf aufbauend werden innovative Werkzeuge für die Planung und Testung neuer Funksysteme unter Berücksichtigung typischer Störungen erarbeitet. Zwei realitätsnahe Szenarien werden zur Validierung der Werkzeuge, der Simulationen und der Messverfahren in Kooperation mit Firmen im Rahmen von Pilotstudien getestet. Schließlich werden die erarbeiteten Werkzeuge regionalen Betrieben und MultiplikatorInnen zur Verfügung gestellt. So soll es Unternehmen ermöglicht werden, Funksysteme entsprechend ihres spezifischen Bedarfs wirtschaftlicher zu nutzen.

Highlights

Da es sich um eine sehr komplexe Thematik handelt, wird hier der Projektinhalt vom Projektverantwortlichen Dr. Holger Arthaber von der TU Wien in einfachen Worten erläutert:


"Im Projekt InterOP untersucht ein Forscherteam der TU Wien gemeinsam mit der FH Hagenberg und der TU Brno die Auswirkungen einer immer stärker zunehmenden drahtlosen Kommunikation. Während Mobilfunksysteme klaren Vorgaben folgen (z.B. wann wer auf welcher Frequenz senden darf), ist die Situation für die meisten IoT-Produkte (Internet of Things ) eine andere: Diese nutzen frei verfügbare Frequenzbereiche, in denen es keine zentrale Koordinaten des Funkzugriffs gibt. Hier wird ein und derselbe Funkfrequenzbereich durch eine Vielzahl von heterogenen Funksystemen, von denen nur ein Teil (z.B. WLAN, Bluetooth) standardisiert ist genutzt. Die Folge sind Funkkollisionen, Übertragungsfehler und eine Reduktion der Datenrate. Wenngleich InterOP hier keine einfache Lösung versprechen kann, ist es gelungen Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, mit denen die Problematik besser verstanden werden kann: Anhand der durchgeführten Messkampagnen und der bereitgestellten Modelle und Tools können Interferenzsitutationen simuliert werden, anhand von einfach und kostengünstig zu realisierenden Testaufbauten kann Interferenz nachgestellt werden. Dies erlaubt vor allem reproduzierbare Tests, schafft Aussagen wie sehr ein Funksystem durch Interferenz beeinträchtigt wird und ermöglicht Firmen basierend auf diesen Ergebnissen ihre Produkte zu optimieren bzw. erst so zum gewünschten Erfolg zu bringen."


  • Projektergebnisse

Es können bereits die ersten Projektergebnisse präsentiert werden:

1) Toolkit für Bluetooth Low Energy (BLE) Systeme und Analyse der Interferenzsituation: Hier wurde eine Matlab (Industriestandard)-basierte Bibliothek an Funktionen zur Erzeugung und Demodulation von BLE-Signalen geschaffen, welche um Programmcodes zur Interferenzsimulation ergänzt wurde. Die auf der Projektwebseite frei verfügbaren Programmcodes erlauben es einem Nutzer, die Auswirkungen verschiedener Arten von Interferenzsignalen auf einzelne BLE-Pakete zu bestimmen, um so abzuschätzen, wie kritisch eine Interferenz zu bewerten ist. Diese Analysen wurden exemplarisch für verschiedene Arten von Signalen durchgeführt und in einem mehrseitigen Bericht zusammengefasst.

Zusätzlich wurden neue Konzepte zur Modellierung, insbesondere zur kostengünstigen und Aufzeichnung von Interferenzsituation geleistet. Hier stand im Vordergrund, die komplexe Natur von Störquellen durch einfache Modelle nachzubilden. Die Arbeit ist noch im Laufen, eine Veröffentlichung der Ergebnisse auf der Projektwebseite für Q1/2020 geplant.

2) Lineare Messkampagne: Um einen ersten Eindruck einer üblichen Interferenzsituation zu gewinnen, wurden in einem Hörsaal der TU Wien während einer gut besuchten Vorlesungen Messungen ausgeführt. Die Wahl auf den TU Hörsaal hat den Vorteil, dass die Messung im Jahresabstand bei ähnlicher Hörerzahl wiederholt werden kann, um die Entwicklung der Interferenzsituation über der Zeit zu beurteilen. Bei der Messung wurde sowohl die Frequenzbelegung über Zeit aufgezeichnet um Modelle für die Interferenz zu schaffen; ergänzend wurden auch die Signalformen erfasst um eine Detailanalyse zu ermöglichen.

3) Linux-basiertes WiFi Test System: Hier wurde ein System geschaffen, welches basierend auf Standard-PCs (wie sie in jedem Unternehmen vorhanden sind) und günstigen WiFi-Entwicklungskarten ein Testsystem aufbaut. Die Einrichtung des Testsystems ist auf der Projektwebseite (frei zugänglich) dokumentiert, sodass interessierte Firmen dies leicht nachstellen können. Das System erlaubt die Aussendung von WiFi-Paketen mit speziellen Eigenschaften, die Erzeugung von Nutzlast, als auch die Erfassung von Durchsatzraten. Es stellt somit eine universelle Plattform darf, um die Auswirkungen von Interferenzen auf WiFi zu erfassen, als auch WiFi-Signale als Interferenzquelle zu nutzen.

4) Kostengünstiger Interferenz Emulator: Im Zuge der Simulation mit den geschaffenen Tools zeigte sich, dass eine Vielzahl von Interferenzen durch Rauschen nachgebildet werden kann. D.h. es ist nicht die Signalform an sich entscheidend, sondern die Tatsache dass der Funkkanal belegt wird. Dazu wurde eine kostengünstige (<100EUR) Hardware geschaffen, welche zeitlich begrenzte HF-Raussignale mit variabler Leistung erzeugen kann um so die Effekte eines realen Interferenzszenarios auf einfache Art und Weise nachbilden kann. Hierbei handelt es keinesfalls um eine perfekte Nachbildung der Interferenz, sondern um eine Nachbildung, welche letztlich dieselben statistischen Eigenschaften zeigt (z.B. gleiche Paketfehlerrate in einem gestörten System). Die Fertigungsunterlagen als auch die erforderlichen Programmcodes sind frei zugänglich auf der Projektwebseite zur Verfügung gestellt.

5) Interferenz-Analyse in LoRaWAN Systemen: Hier wurde ein komplettes LoRaWAN-Testsystem aufgebaut (Network + Application Server), eine Anbindung an Matlab realisiert und der Aufbau für Messungen und Interferenztests genutzt. Insbesondere wurde das LoRaWAN-System auf Interferenz durch CW(Dauerstrich)-Signale und andere LoRaWAN-Signale untersucht und wechselseitige Störungen modelliert. Die Ergebnisse können in diesem Bericht eingesehen werden.

6) Interferenz-Analyse in RFID-System: Basierend auf einem kommerziellen Reader wurde ein Testsystem geschaffen, mit dem die Interferenzempfindlichkeit von RFID-System, aufgeschlüsselt nach Richtung der Kommunikation und den verwendeten Frequenzen und Modulationsverfahren untersucht wurde. Die Ergebnisse sind in folgendem Bericht ersichtlich.

7) LoRaWAN Demo/Development Node: Aufgrund des hohen Interesses der Industrie an LoRaWAN-Systemen wurde eine einfache und kostengünstig herzustellende Hardware entwickelt, welche mit Kosten von rund EUR 35,- einen universellen LoRaWAN-Knoten bereitstellt. Die Entwicklungsunterlagen (Leiterplattendaten, Schaltpläne) als auch die verwendete Firmware sowie Beispiele zur Ansteuerung finden sich als Downloads unter folgendem Link.


  • Artikel

Über das Projekt ist bereits auch ein Artikel in der Zeitschrift e&i Elektrotechnik & Informationstechnik erschienen.


  • Wissenschaftliche Publikation

Publikation 1

Publikation 2

Eckdaten zum Projekt

Laufzeit

01/2018-12/2020

Förderprogramm

Interreg V-A Österreich-Tschechische Republik 2014-2020

Projektbeteiligte

Technische Universität Wien (LP) (AT)

FH OÖ Forschungs- und Entwicklungs-GmbH (AT)

Technische Universität Brünn (CZ)

Projektbudget der Wiener Organisationen

€ 249.700 davon EFRE: € 212.300

Weitere Informationen zum Projekt

Projektwebsite1

Projektwebsite2