s-net®

Wireless IoT

s-net® - Die technische Lösung

Was zeichnet s-net® aus?

s-net® bietet eine extrem energiesparende, drahtlose zur Vernetzung und Lokalisierung und gehört zur Kategorie der Low Throughput Networks (LTN) mit Multi-Hop-Kommunikation. Folgende Eigenschaften zeichnen s-net® aus:

Bidirektionale Multi-Hop-Kommunikation

Durch die kontinuierliche, bidirektionale Erreichbarkeit aller Knoten und die Weiterleitung der Daten über Zwischenknoten ermöglicht s-net® die Versorgung der Funkknoten über Batterie. Durch die Multi-Hop-Kommunikation beschränkt sich die Netzabdeckung nicht auf die Reichweite eines Funkknotens, sondern kann sich auf Gebäude oder Areale erstrecken.

Dynamischer Aufbau und Selbstorganisation

s-net® bietet eine selbstständige, zeitliche Organisation aller am Netz teilnehmenden Funkknoten. Diese Selbstorganisation erfolgt dezentral am Ort der Kommunikation und unterstützt damit auch mobile Knoten. Der dynamische Aufbau und die Selbstorganisation des vermaschten Netzwerkes sorgen für geringen Konfigurations- und Wartungsaufwand sowie eine hohe Robustheit.

Energiesparende Funkkommunikation

s-net® realisiert eine extrem geringe Stromaufnahme der Funkknoten durch zeitliche Synchronisation des Netzes und Zeitmultiplex-Kommunikation. Dadurch wird ein Batteriebetrieb aller Funkknoten unterstützt. Werden Daten beispielsweise nur im Stundenintervall übertragen, lässt sich mit s-net® eine durchschnittliche Stromaufnahme von unter 50 µA erreichen.

Funktionsprinzip der s-net® Technologie

s-net® Funktionsprinzip
© Fraunhofer IIS

Um den Master des s-net-Funknetzwerks werden die Teilnehmer in Schichtgruppen geordnet. Die Teilnehmer der Schichtgruppe 1 kommunizieren direkt mit dem Master; ab der Schichtgruppe 2 erfolgt die Kommunikation mit dem Master über Router.

Netzorganisation

Das Kommunikationsprotokoll von s-net beschreibt drei verschiedene Kommunikationsrollen: Master, Router und Endknoten (siehe Bild ).

Der Master gibt den Takt des synchronen Protokolls für alle anderen Teilnehmer vor und definiert mit seinen zuvor konfigurierten Parametern die Eigenschaften der Kommunikation des Netzes.Mit dem Master-Knoten können sich Router-Knoten und Endknoten selbstorganisierend verbinden, um mit ihm Daten auszutauschen.

Router-Knoten haben die Fähigkeit, diese Netzeigenschaften und den synchronen Takt für weitere, außerhalb der direkten Funkreichweite des Masters befindliche Teilnehmer zur Verfügung zu stellen. Die Endknoten leiten keine Daten mehr weiter und werden häufig als mobile Teilnehmer eingesetzt.

Zusätzlich zur Kommunikation entlang der durch die Baumstruktur vorgegebenen Pfade bietet s-net auch vermaschte Kommunikationsmöglichkeiten zu benachbarten Teilnehmern ohne Umweg über den Master.

s-net mit zeitlich koordinierten Zugriffsverfahren
© Fraunhofer IIS

s-net® ermöglicht eine reduzierte Energieaufnahme bei zeitlich koordinierten Zugriffsverfahren (TDMA) mit kürzeren Idle-Listening-Zuständen.

s-net® Zeitliche Organisation
© Fraunhofer IIS

Gefunkt wird bei s-net nur in den drei aktiven Zeitbereichen Beacon, Data, Meshed Data. Die restliche Zeit kann der Funk-Transceiver ausgeschaltet sein, um Energie zu sparen.

Zeitliche Organisation

Im Gegensatz zu vergleichbaren Funktechnologien wurden bei s-net die Idle-Listening-Zeiten durch die Einführung kurzer Aktivitätszyklen zum Senden und Empfangen reduziert (siehe Bild 1).

Für die Datenübertragung werden in s-net drei aktive Zeitbereiche (Domains) in einem sich periodisch wiederholenden Zeitrahmen (Frame) definiert (siehe Bild 2). Funkaktivitäten finden nur in diesen Zeitbereichen statt, den Rest des Zeitrahmens kann der Funkknoten schlafen und dadurch Strom sparen.

Der erste aktive Zeitbereich wird Beacon Domain genannt. Innerhalb der Beacon Domain ordnet s-net die Beacons des Master und sämtlicher Router zeitlich kollisionsfrei an.

Für die Übertragung von Daten in Richtung Master wird als zweiter aktiver Zeitbereich die Data Domain definiert. In diesem Zeitbereich haben Master und sämtliche Router ebenfalls eigene, kollisionsfreie Zeitbereiche für den Empfang von Daten ihrer jeweiligen Nachfolger.  

Dritter aktiver Zeitbereich ist die Meshed Data Domain. Neben Applikationsdaten für Nachbarn sendet in diesem Zeitbereich der Master und jeder Router-Knoten periodisch Informationen über die Netzorganisation aus. Diese Informationen werden für die Selbstorganisation des Netzwerkes verwendet.

Mehr Informationen zur technischen Lösung von s-net® und einen Vergleich mit anderen Funkstandards finden Sie hier.

Hardware-Referenzdesigns und Standardmodule von s-net®

Viele Transceiver-ICs können für s-net® verwendet werden, sodass es sich in verschiedenen Frequenzbändern einsetzen lässt. Bislang wurden Systeme im 433-MHz-, 868-MHz- und 2,4-GHz-Band realisiert, für die jeweils Hardware-Referenzdesigns existieren. Sie erlauben eine schnelle Realisierung für Machbarkeitsstudien und können meist unverändert eingesetzt werden. Sie bieten aber auch einen soliden Ausgangspunkt für individuelle Produktentwicklungen, da sich Systemeigenschaften, Sensorik, Schnittstellen oder Bauform kundenspezifisch anpassen lassen.