STANDARDS FÜR DRAHTLOSE KOMMUNIKATIONS- UND LOKALISIERUNGSSYSTEME

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1 STANDARDS FÜR DRAHTLOSE KOMMUNIKATIONS- UND LOKALISIERUNGSSYSTEME Embedded Forum Internet of Things (IoT) Dipl.-Ing. Josef Bernhard Dipl.-Ing. René Dünkler Dipl.-Ing. Frederik Beer (FAU, LIKE) Nürnberg,

2 STANDARDS FÜR DRAHTLOSE KOMMUNIKATIONS- UND LOKALISIERUNGSSYSTEME Einführung Organisationen Kommunikations- und Lokalisierungsstandards Frequenzbereiche Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Fraunhofer IIS IoT am Standort Nordostpark Fraunhofer IIS - Fachzentren am NOP ZIO Zentrum für Intelligente Objekte mit den Themen RFID, Sensornetze, Lokalisierung ESI-Anwendungszentrum Kooperation mit der FAU, Ziel: Eingebettete Systeme für Anwendungen Industrie 4.0, Automotive oder Sport/Gesundheit Technologien für IoT am NOP RFID, Lokalisierung Drahtlose Kommunikation: Sensornetze, Telemetrie, kundenspezifische Funksysteme Anwendungen im IoT-Umfeld Logistik, Industrie 4.0, Energie, Sicherheit, Mobilität 3

4 Einführung Ziele und Motivation Ziel der Standardisierung: Vereinheitlichung von Maßen, Typen, Verfahrensweisen und Methoden Einheitliche Beschreibung Motive für Standardisierung aus Sicht der Anwender: 1. Definition einheitlicher Schnittstellen (Interoperabilität) 2. Austauschbarkeit von Komponenten (Kostensenkung) 3. Methodische Vereinheitlichung, z.b. zur Qualitätssicherung (z.b. ISO 9000) 4. Definition von Mindeststandards, z.b. zum Schutz von Personen und Umwelt (Sicherheitsanforderungen) 5. Vereinfachung des Informationsaustauschs Norm vs. Standard: nach einem definierten Prozess erarbeiteter und festgelegter Standard Kann gesetzlich bindend sein 4

5 Einführung Definition Internet of Things IERC European Research Cluster on the Internet of Things (Internet of things 2020 A roadmap for the future, 2008): A world-wide network of interconnected objects uniquely addressable, based on standard communication protocols ITU-T Joint Coordination Activity on Internet of Things (JCA-IoT, Recommendation Y.2060 Overview of Internet of Things, 2012): a global infrastructure for the information society, enabling advanced services by interconnecting (physical and virtual) things based on, exisiting and evolving, interoperable information and communication technologies 5

6 Organisationen Nationale Normung DIN Deutsches Institut für Normung Nationale Normungsorganisation als Spiegelgremium zu ISO Unterstützt europäische und internationale Normungsaktivitäten DKE VDE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.v. / Erarbeitung von Normen und Sicherheitsbestimmungen in der Elektro- und Informationstechnik vertritt nationale Interessen in IEC und CENELEC 6

7 Organisationen Europäische Normung CEN Comité Européen de Normalisation Erarbeitet europäische Normen (EN) in technischen Bereichen CENELEC Comité Européen de Normalisation Électrotechnique Technische Normen im Bereich der Elektrotechnik ETSI European Telecommunications Standards Institute Erarbeitet europäische Normen für Informations- und Kommunikationstechnik (wie GSM, DECT, UMTS, ) und Regelungen für die Frequenzregulierung 7

8 Organisationen Internationale Normung ISO JTC1 IEC ITU Internationale Organisation für Normung Joint Technical Committee International Electrotechnical Commission International Telecommunication Union Erarbeitet internationale technische Normen Gemeinsame Organisation von ISO und IEC im Bereich Informationstechnik Erarbeitet internationale elektrotechnische Normen (inkl. Telekommunikation) Organisation der World Radiocommunication Conference (WRC) Erarbeitet Empfehlungen im Bereich Telekommunikation ITU-R (Frequenzregulierung) ITU-T (Telecommunication Standardization Sector) 8

9 Organisationen Normungsgremien - Übersicht Quelle: DIN 9

10 Organisationen Weitere Initiativen und Allianzen 10

11 Organisationen IEEE 802 Größte Gruppen in IEEE802: : Wireless Local Area Networks (WLAN) : Wireless Personal Area Networks (WPAN) Definiert MAC und PHY- Layer IEEE Standards werden in anderen Standardisierungsinitiativen und Allianzen aufgegriffen Quelle: Vermesan, O.; Friess, P.: Internet of Things Converging Technologies for Smart Environments and Integrated Ecosystems; Aalborg

12 Kommunikationsstandards IEEE Untergruppen in : : WPAN/ Bluetooth : Coexistence : High Rate WPAN (UWB; UWB Forum, WiMedia Alliance) : Low Rate WPAN : Mesh Networking : Body Area Networks : Visible Light Communications Die Untergruppe arbeitet an IoT relevanten Standards. Ausgehend von einem Basisstandard (z.b. IEEE ) wird dieser durch Amendments um neue Funktionalitäten erweitert. 12

13 Kommunikationsstandards IEEE Erweiterungen a: Erweiterung um UWB Pulse Radio (DecaWave) und Chirp Spread Spectrum (CSS von Nanotron) g: Smart Utility Networks (Smart Meter, Smart Grid) e: Erweiterung Channel Hop und variable Time Slot (TSCH) u.a. für Industrial ISA f: Aktiv RFID (DASH 7) k: Low Energy Critical Infrastructure Network q: Ultra Low Power (neu) r: Distance Measurement Techniques (neu) SGsru: Spectrum resources management in WPAN (neu) IG6T: IPV6 over the TSCH mode of e (neu) IGsec: security (neu) 13

14 Standards IoT Anwendungsfelder M2M: Wireless HART: Wireless Mesh Communication Standard basierend auf IEEE im 2,4 GHz Band, IEC ISA100.11a: basierend auf IEEE e, IEC Smart Metering/Smart Grid: Wireless M-Bus: EN WiSUN: IEEE g (Smart Utility Networks) Home Automation: ZigBee: Mesh Network basierend auf IEEE z-wave: Home Control im UHF Band (ITU-T G.9959) EnOcean: Batterielose Funktechnik, ISO/IEC DECT ULE: DECT Ultra Low Energy (TS ) 14

15 Standards IoT Anwendungsfelder RFID: JTC1 SC31 WG4 RFID HF-RFID (13,56 MHz): ISO/IEC , ISO15693 UHF-RFID: EPCGlobal Gen2, ISO/IEC c Near Field Communication: NFC Forum (ISO/IEC 18092, ISO14443) RTLS: Real Time Locating System JTC1 SC 31 WG5 RTLS ISO/IEC 24730: Real Time Locating System RTLS: Definition spezifischer Luftschnittstellen und Datenschnittstellen Part 1: Application programming interface (API) (Wherenet/Zebra) Part 2: 2.4 GHz air interface protocol (Wherenet/Zebra) Part 21+Part 22 Erweiterungen zu Part 2 (NEU) 15

16 Standards IoT Anwendungsfelder Part 3: 433 MHz air interface protocol Part 4: Global Locating Systems (GLS) Part 5: 2.4 GHz Personal Area Network (PAN) air interface (Chirp Spread Spectrum - Nanotron) Part 61: Low rate pulse repetition frequency UWB Part 62: High rate pulse repetition frequency UWB ISO/IEC Real Time Locating System RTLS Device Conformance Test methods ISO/IEC Real Time Locating System RTLS Device Performance Test methods 16

17 Standards IoT Anwendungsfelder Wearables/Assisted Living: Bluetooth: IEEE (Bluetooth SIG) Bluetooth Low Energy (BLE, Bluetooth SMART) ANT: Ultra low power Sensornetwork UWB: WiMedia Alliance: ECMA-368/369 (vorher IEEE a) Nanotron: IEEE a (UWB mit moderater Datenrate und Positionsbestimmung) 17

18 Frequenzbereiche Bänder im Sub GHz Bereich Für IoT Anwendungen können ca. 8,5 MHz Bandbreite mit Sendeleistungen von 10 mw bis 500 mw lizenzfrei genutzt werden Weitere 12 MHz sind in Planung 18

19 Frequenzbereiche Bänder im GHz-Bereich Das weltweit verfügbare 2,4 GHz ISM-Band bietet 83,5 MHz Bandbreite Das Band teilen sich standardisierte Technologien wie Bluetooth, Zigbee und WLAN Im 5,8 GHz ISM Band sind weitere 150 MHz Bandbreite verfügbar 19

20 Funkfrequenzen Rahmenbedingungen ISM-Bänder und Bänder für Short Range Devices (SRD) sind lizenzfrei und nicht exklusiv. Sie unterliegen keiner Frequenzkoordination und es muss jederzeit mit Interferenzen von anderen Systemen gerechnet werden. IoT Anwendungen und Geräte teilen sich diese lizenzfreien Bänder. Mit steigender Zahl an IoT Geräte steigt somit die Störwahrscheinlichkeit. Wege zur Reduktion der Störungen: Teilbereiche speziellen Anwendungen zuordnen (Specific SRD) Begrenzung der Sendeleistung = Räumliche Begrenzung Freigabe neuer Frequenzbänder: MHz und MHz Nutzung lokal freier Rundfunkbänder (TV Whitespace) Regulierung des Zugriffs auf das Frequenzband 20

21 Funkfrequenzen Kanalzugriffsverfahren Duty Cycle (DC): Ein Sender darf nur eine definierte Zeit das Frequenzband nutzen, kann aber zu beliebigen Zeitpunkt senden (unkoordiniert) Listen Before Talk (LBT): Sender prüft, ob ein anderer Sender bereits auf das Frequenzband zugreift und wartet bis das Band frei ist oder wechselt den Kanal = Adaptive Frequency Agility (AFA) Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS): Die Sendetelegramme werden auf mehrere Funkkanäle verteilt Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS): Die Sendetelegramme werden über das Frequenzband breitbandig gespreizt 21

22 Zusammenfassung Neben den nationalen und internationalen Normierungsgremien gibt es noch eine Vielzahl weiterer Initiativen zur Standardisierung Es gibt keinen IoT Standard, sondern eine Zusammensetzung aus Standards unterschiedlicher Technologien und Anwendungen Alleine für die drahtlose Kommunikation und Lokalisierung gibt es eine Vielzahl von Standards Allen Standards gemein ist, dass sie sich eine begrenzte Bandbreite des lizenzfreien Funkspektrums teilen 22

23 Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K Daten zu Bau- und Freifläche Testhalle und Speziallabore 1400 qm Hallen- und Laborfläche Außenbereich qm Freifläche LKW-Laderampen mit direkter Zufahrt durch die Halle und über die Freifläche zu Test- und Demonstrationszwecken von logistischen Anwendungen Sichere PKW-Fahrstrecke von 100m Länge Kontrollturm zur Steuerung der Gesamtanlage PKW-Fahrstrecke LKW- Rundkurs (durch Innenund Außenbereiche Testhalle und Labore 23

24 Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K Angebot: Test und Entwicklung rund um IoT Technologie Bündelung der IoT- Leittechnologien Lokalisierung Identifikation Navigation Kommunikation am Standort Nürnberg Entwicklung und Forschung in realer Umgebung für IoT Anwendung Durchführung komplexer Testreihen Reproduzierbare Umgebungsvoraussetzungen Charakterisierung von Lokalisierungssystem Studien zur Optimierung des Technologieeinsatzes Demonstrationen und Tests für Partner und Kunden zur Entwicklung innovativer IoT-Lösungen für Logistik, Industrie 4.0, Energie, Sicherheit und Mobilität 24

25 Kontakt Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Josef Bernhard Gruppenleiter RFID und Funksysteme Abteilung Funkortung und kommunikation, OK Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS +49 (0)