Lieber Herr Molle
Herzlichen Glückwunsch zu Ihrer Innovation. Das ist ein wesentlicher Baustein für den Datentransfer zwischen Sterilfeld und unsteriler Umgebung und KIS-Systemen.
Neue Funktechnologie mit hoher Übertragungssicherheit und geringer Latenz – für sicherheitskritische Umgebungen
Wenn es um digitale Vernetzung geht, sind Funkverbindungen State of the Art. In einigen Bereichen allerdings sind drahtgebundene Systeme immer noch das Nonplusultra – z. B. bei der Vernetzung von Maschinen und Anlagen oder auf Intensivstationen und in Operationssälen. Bisherige Funklösungen eignen sich nämlich kaum für sicherheitskritische Bereiche mit hohen Anforderungen an Robustheit und Übertragungsgeschwindigkeit (geringe Latenz). Oft stehen zudem Anforderungen an die Informationssicherheit (Security) einer Verwendung von Funktechnologien im Weg, denn nicht oder ungenügend gesicherte Luftschnittstellen bieten Angriffsmöglichkeiten für Hacker.
In Krankenhäusern, im industriellen Umfeld und anderen Anwendungsgebieten mit hohen Anforderungen an Verbindungssicherheit und Geschwindigkeit finden wir Funkverbindungen daher fast ausschließlich in nicht kritischen Szenarien, in denen die Übertragungscharakteristik von Standardfunktechniken wie WLAN oder Bluetooth ausreicht.
NewTec wollte sich damit nicht zufriedengeben – zu groß sind die Vorteile von Funkverbindungen, allen voran hohe Flexibilität und leichte Skalierbarkeit. In einer Entwicklungskooperation mit der Hochschule Offenburg entstand so eine auf Bluetooth Low Energy (BLE) basierende Technologie, die eine schnelle, energieeffiziente und sichere Übertragung ermöglicht.
Sterntopologie
Kern der Lösung ist eine innovative, sternförmige Wireless-Netzwerktopologie mit einer variablen Anzahl kooperierender Echoknoten. Aufgrund ihrer Charakteristik eignet sie sich für viele Anwendungsfälle. Aber wie funktioniert NTStarEcho, wie wir unsere Funklösung genannt haben, denn genau?
Die einzelnen Teilnehmer eines Funknetzes – die Slave-Knoten – senden ihre Nachrichten gleichzeitig an eine definierbare Anzahl an Echoknoten. Der erste verfügbare Echoknoten leitet die Nachricht an den bzw. die adressierten Teilnehmer weiter.
Für die Signalübertragung nutzt NTStarEcho das Zeitmultiplexverfahren TDMA (Time Division Multiple Access). Dabei stehen für den Austausch zwischen Echo-Knoten (EK) und Slave-Knoten (SK) wiederkehrende TDMA-Abschnitte (Zeitschlitze) zur Verfügung. Um die Signale mit minimaler Latenz übertragen zu können, sind diese Zeitschlitze variabel (asynchron). Im Zusammenspiel mit dem flexiblen Kommunikationsprotokoll, das an der Hochschule Offenburg speziell entwickelt wurde, ermöglicht diese Topologie eine für kabellose Verbindungen einzigartig robuste Kommunikation mit minimaler Latenz.
Die flexible, skalierbare Architektur erlaubt auch eine sehr variable und bedarfsgerechte Gestaltung von Energieaufwand, Latenz und Übertragungssicherheit (Redundanz). So ist es z. B. möglich, durch Einbinden einer größeren Zahl von Echoknoten die Latenz zu senken und die Übertragungssicherheit zu erhöhen. Gleichzeitig steigt allerdings der Energieaufwand für den Slave-Knoten. Dabei ist dank BLE stets für höchste Energieeffizienz gesorgt. Sind dagegen die Ansprüche an Übertragungssicherheit und Latenz geringer, kann die Zahl der Echoknoten reduziert und der Energiebedarf entsprechend gesenkt werden.
NTStarEcho in der Praxis
Zum Aufbau der NTStarEcho-Architektur eignen sich verschiedene marktübliche BLE-Komponenten. Wichtig allerdings: Die Echoknoten sollten bei raumsparender Bauweise ausreichend performant sein, um große Datenmengen mit geringstmöglicher Latenz verarbeiten zu können. Darüber hinaus sollten die Komponenten eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung ermöglichen. Denn bei einer Übertragung per Funk müssen die Datenströme besonders abgesichert werden, um sie gegen unbefugten Zugriff zu schützen.
Sehr gut eignet sich beispielsweise eine Architektur, die auf NTSecureNodes BLE 100 und einer NTSecureCloud-Umgebung basiert. Damit kann NTStarEcho mit deutlich reduzierter Entwicklungszeit umgesetzt werden und auch hohe Anforderungen an Informationssicherheit (Security) und Funktionssicherheit (Safety) bis SIL 3 und MDD Class IIa sind so realisierbar.
Mit NTStarEcho lassen sich auf diese Weise Lösungen in Safety- und Security-relevanten Bereichen sehr gut umsetzen, z. B. zur Verbindung medizinischer Geräte im Krankenhaus-OP oder in der intensivmedizinischen Versorgung. Mithilfe von informations- und funktionssicheren, schnellen Funkverbindungen kann hier der ergonomische Freiheitsgrad deutlich erhöht werden, Arbeitsprozesse können flexibilisiert und die Hygiene verbessert werden. In der Industrieautomation wird es nun auch möglich, Funkverbindungen in der Robotik bzw. der sicherheitskritischen Mensch-Maschine-Zusammenarbeit einzusetzen. Da mit NTStarEcho sehr geringen Latenzen erreichbar sind, können z. B. Sensordaten quasi in Echtzeit übertragen werden. Somit ist auch eine für die Arbeits- und Maschinensicherheit unumgängliche Quasi-Echtzeit-Lokalisation von Menschen und schnell bewegten Maschinen(komponenten) möglich.
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