IoT mit NeoCortec flexibel und auf eigene Faust vernetzen So verbindet Mesh 2.0 tausende Sensoren

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Wenngleich nur wenige einen Mangel an IoT-Protokollen beklagen dürften, hat der 2007 gegründete Anbieter NeoCortec eine Lücke ausgemacht, die er mit einem proprietären drahtloses Mesh-Netzwerk stopfen will. Wir haben uns Technik und Anwendungen genauer angesehen.

Als sie NeoCortec im Jahr 2007 ins Leben riefen, hatten die Gründer des Anbieters mit Sitz im dänischen Kopenhagen ein festes Ziel vor Augen. Und das lautete: Einen neuen sowie effizienten Ansatz für drahtlose Sensornetzwerke zu schaffen. Hierfür verwarfen die Entwickler auf IP basierende Ansätze und haben ein Meshnetzwerk mit proprietärem Protokoll-Stack entworfen. Das bieten sie heute in Form der – laut Firmendarstellung – weltweit kleinsten, ultra-low-power, bi-direktionalen Module für drahtlose Meshnetze an. Verfügbar ist die Lösung beispielsweise über den deutschen Distributor Unitronic.

Ad-hoc-Sensornetzwerk mit bis zu 64.000 Knoten

Unitronic implementiert NeoMesh

Der betrachtet NeoCortecs Mesh allerdings nur als einen Ansatz von mehreren, um drahtlose Netzwerke für das Internet der Dinge umzusetzen. Um herauszufinden, wofür dieser taugt, lohnt es sich Architektur und Anwendungen genauer anzusehen.

Architekturüberblick und Leistungsdaten

Wie zuvor bereits angedeutet sind NeoCortecs Mesh-Netzwerke für Sensornetzwerke ausgelegt. Dem entsprechend geht es auch nicht darum, große Datenmengen mit geringen Latenzen zu übertragen. Vielmehr tauschen benachbarte Nodes – gemäß der im Juli 2019 veröffentlichten Protokollversion 1.4 – in bestimmten Intervallen Messages mit maximal 21 Bytes rohen Nutzdaten aus.

Die Dauer eines kompletten Datentransfers entspricht im Durchschnitt der Hälfte des Produktes aus der Zahl von Hops zwischen Quelle und Ziel sowie dem planmäßigen Übertragungsfenster (Scheduled Data Period). Je nach Netzwerkkonfiguration liegt die hier zu betrachtende Scheduled Data Period zwischen einer und 30 Sekunden.

Mit den begrenzten Datenraten und Verzögerungszeiten geht ein geringer Energiebedarf einher. Laut Anbieter lassen sich die Nodes des Netzes über Jahre hinweg mit einer einzigen Batterie betreiben. Als Alleinstellungsmerkmal hebt NeoCortec jedoch eine besonders flexible Netzwerktopologie hervor. Die solle sich vergleichsweise preisgünstig implementieren und unabhängig von Drittanbietern betreiben lassen.

Die Infrastrukturen skalieren laut Anbieter auf bis zu 65.000 Nodes in einem einzigen Netzwerk, sind robust und passen sich dynamisch an wechselnden Anforderungen an – so erkennt die Lösung etwa, wenn neue Nodes hinzukommen oder bestehende Nodes ihren Ort wechseln. Die Netze werden zudem per AES128 verschlüsselt. Somit werden einerseits Datentransfers innerhalb eines Mesh-Netzwerkes vor Datendieben geschützt. Weil der Schlüssel zugleich auch die Netzwerk-ID ist, lassen sich in Reichweite zueinander betriebene Netze andererseits voneinander abgrenzen.

Ein Mesh der zweiten Generation

NeoCortec tituliert die eigene Lösung als Mesh der zweiten Generation. Als solches verzichte das Drahtlosnetzwerk auf eine Hierarchie von Koordinatoren, Routern und Endgeräten. Bei NeoCortec gibt es ausschließlich Nodes. Die agieren zwar als Router, sind zugleich jedoch genügsam genug, um langfristig per Batterie gespeist zu werden.

Damit das funktioniert, setzt der Hersteller auf eine Zeitsynchronisation – benachbarte Nodes kommunizieren dabei lediglich periodisch per Funk miteinander und verbringen die restliche Zeit in einem Ruhemodus.

Den Takt im Netz geben so genannte Beacons vor – Signale, die Nodes aussenden, um auf sich selbst und geplante Datentransfers aufmerksam zu machen. Um sich mit dem restlichen Netzwerk zu synchronisieren führt zunächst jeder Node einen „Full Beacon Scan“ durch – lauscht also für mindestens eine komplette Beacon-Periode allen in seiner Reichweite ausgesendeten Beacons.

Die eigentliche Datenübertragung findet ebenfalls zu festgelegten Zeiten statt, den „Scheduled Data Transmissions“. Diese werden von benachbarten Nodes miteinander ausgehandelt. Zugleich stellen die „Scheduled Data Transmissions“ auch sicher, dass benachbarte Netzwerkknoten synchron bleiben.

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Routing innerhalb des Netzes

Auf der höheren Netzwerkebene werden Daten per „Speed Routing“ übermittelt. Laut NeoCortec soll das exklusive und patentierte Verfahren jederzeit den schnellsten Weg von einem Quell-Node zu einem Ziel sicherstellen und dabei auch mögliche Funkstörungen in Betracht ziehen. Über das Verfahren lassen sich allerdings nur 128 Sink Nodes als Ziele ansprechen, zu denen Nutzdaten geschickt werden können. Die Übertragung von Daten kann dabei ähnlich wie bei TCP bestätigt werden (Acknowledged Transmission).

Zu beachten dabei: Gehört der sendende Node nicht zu den 128 Sink Nodes, wird die Bestätigung auch nicht per Speed Routing übertragen; stattdessen wird das „ACK“ über den (temporär aufrecht gehaltenen) Pfad zurückgeschickt, auf den die ursprüngliche Nachricht zum Sink Node gelangt war. Diese zeitweise bestehenden Rückpfade ermöglichen es außerdem, auch reguläre Nachrichten an Nicht-„Sink Nodes“ im Netz als Antwort zurückzuschicken.

Darüber hinaus sind auch Broadcasts möglich, um Gruppen von Nodes oder alle Nodes im Netzwerk gleichzeitig anzusprechen.

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Hardware, Frequenzen und Reichweite

Die für NeoCortec ausgelegten Funkmodule messen 11 x 18 x 3 mm³ und sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Anbei einige Beispiele:

• NC2400c sendet mit einer Ausgangsleistung von +1 dBm auf 2.400 MHz im ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical Band) und soll bis zu 100 Meter zwischen zwei Nodes überbrücken

• NC1000c sendet mit einer Ausgangsleistung von +10 dBm auf 868 MHz im SRD-Band (Short Range Device, EU) beziehungsweise auf 915 MHz im ISM-Band (USA) und soll bis zu 300 Meter überbrücken

• NC0400c sendet mit einer Ausgangsleistung von +10 dBm auf 433 MHz im SRD-Band und soll bis zu 500 Meter überbrücken

Anwendungen

Für welche Anwendungen NeoCortecs Meshnetzwerk taugt oder nicht, lässt sich bereits mit etwas Fantasie selbst erschließen. So scheint die Infrastruktur insbesondere für vergleichsweise ausgedehnte aber dennoch lokal begrenzte Anwendungen mit geringen Datenvolumina geeignet.

Der Anbieter selbst liefert potentiellen Kunden auf seiner Homepage gleich ein paar konkrete Fallstudien. Beim IoT-Experten Attensys nutzt man die Infrastruktur beispielsweise, um die Heizkosten in einem Bürogebäude zu überwachen und zu senken.

Nicht ganz so naheliegend dürfte allerdings die ebenfalls von Attensys umgesetzte Lösung für smarte Sitze in Zügen sein. Hierbei werden Sitze mit Sensoren ausgestattet, die erkennen, ob ein Platz besetzt, leer oder beschädigt ist. Dank NeoMesh können die Sitze dabei unkompliziert und ohne zusätzliche Kabel mit Sensoren nachgerüstet und vernetzt werden. Die gewonnenen Daten werden schließlich per Gateway weitergeleitet. Auch hier handelt es sich um eine lokale Anwendung, allerdings im mobilen Kontext. Anders als bei öffentlichen Infrastrukturen wird bei dem selbstorganisierenden Netz kein plötzliches Funkloch die (Mesh-)Verbindung kappen.

Evaluation Kit und Modulpreise

Umfangreiches (technisches) Dokumentationsmaterial zu den drahtlosen Mesh-Netzen von NeoCortec gibt es direkt beim Hersteller. Für 500 Euro können Interessierte auch ein Evaluation Kit erwerben – inklusive Test-Setup und fünf voll funktionsfähigen Modulen an. Der empfohlene Stückpreis für einzelne Module liegt bei 31 Euro; bei Abnahmemengen ab 1.000 Stück sinken die Preise deutlich – auf 13,11 Euro (NC2400), 13,40 Euro (NC1000) respektive 13,54 Euro (NC400) fällig.

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