Ein tiefes Verständnis dieses Einflusses ist notwendig, um Lösungen zu erarbeiten, die die Zuverlässigkeit der Kommunikation zwischen drahtlosen Geräten im Internet der Dinge erhöhen können.
Netzwerke von batteriebetriebenen Funksensoren in intelligenten Objekten sind ein integraler Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden und werden in der Zukunft in Anwendungsbereichen mit strengen Anforderungen an die Zuverlässigkeit, wie der intelligenten Produktion (Industrie 4.0), den Smart Cities oder vernetzten Autos, eingesetzt werden. Um diese attraktiven Anwendungen zu ermöglichen, muss die Störanfälligkeit von eingebetteten Funkgeräten beseitigt werden.
Tatsächlich spielt häufig die Umgebung, in die drahtlose Sensornetze eingebettet werden, eine entscheidende Rolle, insbesondere hinsichtlich der Zuverlässigkeit ihrer Kommunikation. Ein Beispiel für solche Umgebungseinflüsse sind Temperaturschwankungen. Neben dem Einfluss auf die Taktzeiten und die Kapazität der Batterien (die zu einem Verlust der zeitlichen Synchronisation und zu Stromausfällen führen können) können Temperaturschwankungen insbesondere die Effizienz von batteriebetriebenen Funkmodulen drastisch reduzieren und eine Verringerung der Qualität der drahtlosen Verbindung verursachen. Dies kann die drahtlose Verbindung zwischen Geräten stark beeinträchtigen.
Fallstudie
In unserer Arbeit haben wir gezeigt, dass schon die täglichen Temperaturschwankungen, die häufig im Freien auftreten, die Konnektivität in einem drahtlosen Netzwerk beeinträchtigen können. Im Rahmen des EU-Projekts RELYonIT haben wir einen Feldversuch in der Nähe von Madrid, Spanien, durchgeführt, um mit einem drahtlosen Sensornetz zu überwachen, wie gut die Baumaterialien die Wärmeübertragung reduzieren. Wie Abbildung 1 zeigt, wurden drahtlose Sensorknoten an den Gebäudefassaden installiert und damit dem direkten Sonnenlicht ausgesetzt. Trotz der Einhaltung des letzten Stands der Technik erwies sich die gesamte Kommunikationsleistung als sehr unzureichend, mit dem Empfang von nur 61 Prozent der gesendeten Nachrichten. Das Netzwerk arbeitete während der Nacht allerdings problemlos. Lediglich tagsüber, genauer gesagt, wenn die Temperatur der Sensorknoten Werte über 60 °C als Folge der Sonneneinstrahlung erreichte, wurden die meisten Nachrichten nicht mehr empfangen.
Testgebäude in Madrid. Verwendet drahtlose Sensorknoten.
Abbildung 2 zeigt die Beziehung zwischen der gemessenen Temperatur der Sensorknoten und der Paketempfangsrate: Während des Tages, durch die Erhöhung der Temperatur der Knoten aufgrund der normalen Sonneneinstrahlung, bricht die Verbindung (die während der Nacht perfekt funktioniert) völlig zusammen. Diese Anfälligkeit auf Temperaturschwankungen kann wesentlich die Entwicklung von Internet-of-Things-Systemen beeinflussen: Wie sollen Entwickler/innen mit dem Internet der Dinge intelligente Städte realisieren, wenn Parkplatzbelegungs- und Schadstoffkonzentrationssensoren nicht in der Lage sind, während der heißesten Zeit des Tages zu kommunizieren?
Unsere Strategie zur Lösung dieses Problems ist die Analyse der Temperaturauswirkungen auf der Hardware-Plattform, um dann genaue Modelle zu entwickeln, die vorhersagen, wie das verwendete Kommunikationsprotokoll betroffen ist.
Hohe Temperaturen haben einen negativen Einfluss auf die Paketempfangsrate von batterie-betriebenen Funkgeräten.
Neue Testumgebungen
Um systematisch die Leistung von drahtlos vernetzten, eingebetteten Geräten in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen zu untersuchen, haben wir eine neue Testumgebung entwickelt, die den Temperaturverlauf drahtloser Geräte in der realen Welt im Labor exakt reproduzieren kann. Eine solche Testumgebung, die mithilfe von ferngesteuerten Infrarotwärmelampen am Institut für Technische Informatik aufgebaut wurde (wie in der Abb. 3 gezeigt), erlaubt das wiederholte Durchführen von Experimenten unter identischen Umgebungseinflüssen, um die Schwächen von etablierten Kommunikationsprotokollen aufzuzeigen und zu beheben.
Heizlampe in unserer Testumgebung, um drahtlose Sensorknoten zu erhitzen.
Kompensation der Temperatur-Auswirkungen
Wir nutzen die Testumgebung, um verschiedene drahtlose Funkmodule zu bewerten und um genaue Modelle über die Auswirkungen der Temperatur auf eine spezifische Hardwareplattform zu entwickeln. Für die meisten batteriebetriebenen Funkmodule kann die Verschlechterung der Verbindungsqualität in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen auf eine Dämpfung der Signalstärke im Verstärker des Empfangszweigs beziehungsweise des Sendezweigs zurückgeführt werden.
Ein einfaches lineares Modell, das durch Laborexperimente parametriert wird, kann zur Erweiterung und Rekonfiguration der Kommunikationsprotokolle verwendet werden, sodass sie jeden durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Fehler kompensieren können. Mit der Kenntnis über die Temperaturänderungen an den Nachbarknoten kann jeder drahtlose Sensorknoten autonom die Temperaturauswirkungen auf die Kommunikationsleistung vorhersagen und Protokollparameter wie den Clear-Channel-Assessment(CCA)-Schwellenwert so einstellen, dass Störungen kompensiert werden. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Zuverlässigkeit von drahtlosen Funkverbindungen und die Kompensation von Umwelteinflüssen durch intelligente, adaptive Kommunikationsprotokolle.
