Integration von UWB-Technologie und Mesh-Netzwerk – Beschreibung des Mesh-Netzwerks des UWB650-Moduls

Die drahtlose Kommunikationstechnologie entwickelt sich ständig weiter und treibt kontinuierliche Innovationen in verschiedenen Branchen voran. Zu den Technologien, die in den letzten Jahren besondere Aufmerksamkeit erregt haben, zählen Ultrabreitband (UWB) und Mesh-Netzwerke.

Angesichts der steigenden Anforderungen realer Anwendungen an größere Reichweite, höhere Kommunikationszuverlässigkeit und flexible Positionierung hat NiceRF die Mesh-Netzwerkfunktionalität in das UWB650-Modul integriert . Das UWB650, ein Ultrabreitband-Kommunikationsmodul basierend auf dem IEEE-802.15.4-2020-Standard, bietet beispielsweise hochpräzise Entfernungsmessung (Genauigkeit ±10 cm) und hohe Datenübertragungsraten (bis zu 6,8 Mbit/s). Dank der neu hinzugefügten Mesh-Netzwerkfunktionalität erweitert sich sein Einsatzbereich in komplexen Umgebungen – von der industriellen Positionierung über intelligente Lagerhaltung und Indoor-Navigation bis hin zur Gerätekoordination. Die Kombination aus UWB und Mesh bietet eine flexiblere und zuverlässigere Lösung für die drahtlose Kommunikation.

I. UWB650-Modul: UWB-Technologie + Mesh-Netzwerk

Das UWB650-Modul dient als zentrale Hardwareplattform zur Integration von UWB- und Mesh-Netzwerkfunktionen und bietet durch seine Hardwarearchitektur und Protokollunterstützung eine solide Grundlage.

1. UWB650-Kommunikationsfunktionen

Das UWB650-Modul basiert auf dem Qorvo DW3000 UWB-Chipsatz und ist vollständig kompatibel mit dem IEEE 802.15.4-2020-Standard. Es integriert einen leistungsstarken HF-Verstärker, einen Mikrocontroller und universelle I/O-Schnittstellen sowie AES128-Verschlüsselung und ESD-Schutz und gewährleistet so einen stabilen Betrieb auch in komplexen elektromagnetischen Umgebungen.

Kernmerkmale:

• Datenkommunikation:
  Ermöglicht die Datenübertragung aus der Ferne über eine serielle Schnittstelle und unterstützt so eine flexible Anwendungsentwicklung.

• Hochpräzise Entfernungsmessung:
  Nutzt SS-TWR- und DS-TWR-Verfahren für die bidirektionale Entfernungsmessung und erreicht eine Genauigkeit von besser als 10 cm, wodurch die Anforderungen an die Positionierung auf industriellem Niveau erfüllt werden.

• Hochgeschwindigkeitsübertragung:
  Unterstützt Datenübertragungsraten von bis zu 6,8 Mbit/s, geeignet für die Übertragung großer Datenmengen.

• Positionierungsfunktion:
  Berechnet die Abstände zwischen Knoten und Ankern mittels bidirektionaler Entfernungsmessung in Kombination mit Koordinatenberechnung für die 2D/3D-Positionierung (Genauigkeit ＜30 cm).

• Energiesparmodus:
  Unterstützt den Hardware-Energiesparmodus – durch Anlegen eines Low-Pegels am CS-Pin wird das Modul in den Energiesparmodus versetzt (< 25 ms), durch Anlegen eines High-Pegels wird es aufgeweckt (< 30 ms). Im Energiesparmodus wird der UWB-Chipsatz ebenfalls heruntergefahren, um den Stromverbrauch zu reduzieren, während die serielle Schnittstelle die Meldungen „Energiesparmodus aktivieren“ und „Energiesparmodus beenden“ ausgibt.

• Flexible Konfiguration:
  Unterstützt mehrere Sendeleistungsstufen (bis zu 0,5 W) für unterschiedliche Reichweiten und Umgebungen; ermöglicht variable Rahmenlängen (0–1023 Bytes, Einzelpaket maximal 1004 Bytes) zur Bewältigung verschiedener Datenlasten.

• Große Reichweite:
  Erreicht eine theoretische Übertragungsdistanz von über 1 km, ideal für große Anlagen, Lagerhallen oder den Einsatz im Freien.

2. UWB650 Mesh-Netzwerkübersicht

Das UWB650-Modul verfügt über eine Mesh-Netzwerk-Übertragungsfunktion (standardmäßig deaktiviert), die über Konfigurationsbefehle aktiviert werden kann. Nach der Aktivierung kann das Modul als Knoten oder Relais fungieren und mit anderen Modulen ein Mesh-Netzwerk bilden. Diese Funktion behebt effektiv die Einschränkungen der herkömmlichen UWB-Kommunikation mit nur einem Hop hinsichtlich Reichweite und Hindernisinterferenzen. 

II. Aktivieren und Konfigurieren von Mesh-Netzwerken

Die Mesh-Funktion des UWB650-Moduls ist nicht standardmäßig aktiviert. Sie muss über spezifische Befehle aktiviert und konfiguriert werden, einschließlich Identitätskonfiguration, Modusaktivierung und Knotenrollenzuweisung.

1. Vorbereitende Einrichtung: Geräteidentitätskonfiguration

Bei der erstmaligen Verwendung des UWB650 müssen die Benutzer die PAN-ID (Standard: 0000) und die Geräteadresse (Standard: 0000) des Moduls festlegen, um die Eindeutigkeit innerhalb des Netzwerks zu gewährleisten.

Konfigurationsbefehl:  UWBRFAT+DEVICEID=xxxx,yyyy

Parameterbeschreibung:

• xxxx: PAN-ID (Gruppen-ID, Bereich 0x0000–0xFFFE). Alle Module innerhalb desselben Mesh-Netzwerks müssen dieselbe PAN-ID verwenden, um die Netzwerke zu unterscheiden.

• yyyy: Geräteadresse (Bereich 0x0000–0xFFFE). Muss innerhalb derselben PAN-ID eindeutig sein, um ein korrektes Datenrouting zu gewährleisten.

Zweck: Diese Konfiguration bildet die Grundlage für die Kommunikation zwischen den Modulen (sowohl im regulären UWB- als auch im Mesh-Modus). Sie aktiviert jedoch nicht automatisch die Mesh-Netzwerkfunktion.

Hinweis: Wenn die PAN-ID oder die Adresse nicht korrekt eingestellt ist, kann das Modul nicht mit anderen Knoten kommunizieren – selbst bei der Übertragung grundlegender Daten.

2. Aktivieren der Mesh-Funktion

Die Mesh-Funktionalität muss explizit per Befehl aktiviert werden.

Typische Befehlslogik: UWBRFAT+MeshENABLE=1 (oder ähnlich, Einzelheiten entnehmen Sie bitte dem Datenblatt des Moduls).

Nach der Aktivierung unterstützt das Modul Multi-Hop-Relaying, Hop-Count-Limits und andere Mesh-bezogene Funktionen.

3. Knotenrollen und Datenübertragungsregeln

Nach der Aktivierung von Mesh können Module eine der folgenden Rollen übernehmen:

• Knoten: Zieladresse über UWBRFAT+TXTARGET=xxxx festlegen (z. B. UWBRFAT+TXTARGET=1234). Das Modul kommuniziert ausschließlich mit der angegebenen Adresse (Punkt-zu-Punkt, Single-Hop). Bei der Zieladresse FFFF werden Daten an alle Module mit derselben PAN-ID gesendet, wobei Empfänger zusätzliche Informationen wie die Signalstärke ausgeben.

• Relay (Router):
  Initiiert keine Datenübertragung, sondern leitet automatisch Mesh-Pakete weiter, die nicht an ihn selbst adressiert sind. Wenn beispielsweise Knoten A Knoten C nicht direkt erreichen kann und Knoten B als Relay konfiguriert ist, fließen die Daten über A → B → C.

• Hybrid-Knoten:
  Verbindet die Funktionen eines Knotens und eines Relais – er empfängt und sendet Pakete, die an ihn selbst adressiert sind, und leitet andere automatisch weiter, wodurch Flexibilität und Zuverlässigkeit in Einklang gebracht werden.

Hinweis:
Alle Knoten im selben Mesh müssen eindeutige Adressen haben, und Mesh-fähige Module können nicht mit Modulen kommunizieren, bei denen Mesh deaktiviert ist (ausgenommen sind Entfernungs-/Positionierungsfunktionen). 

III. Funktionale Eigenschaften des UWB650 Mesh-Netzwerks

Das UWB650 Mesh unterstützt nicht nur Multi-Hop-Relaying, sondern beinhaltet auch mehrere Mechanismen zur Verbesserung der Stabilität und Zuverlässigkeit des Netzwerks.

1. Flexible und kontrollierte Datenkommunikation

• Dynamische Zielkonfiguration: Die Zieladresse kann jederzeit über UWBRFAT+TXTARGET geändert werden, wodurch ein bedarfsgesteuertes Umschalten zwischen Unicast- und Broadcast-Modus ermöglicht wird.

• Broadcast-Modus: Durch Setzen der Zieladresse auf FFFF werden Daten an alle Module mit derselben PAN-ID gesendet. Das Empfangsende gibt Quelladresse, RSSI und Rohdaten aus (z. B. SrcAddr:0001;Rssi:-51.23dBm;Data:1234567890).

• Hex-Datenverarbeitung: Bei der Übertragung von Hexadezimaldaten müssen die Benutzer die gültige Nutzlast (FramePayload) aus dem empfangenen Frame-Inhalt extrahieren.

2. Funktionen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit

• Automatischer Bestätigungsmechanismus (ACK):
  Durch Aktivieren von UWBRFAT+ACKENABLE=1 wird eine ACK-Anfrage zu den übertragenen Paketen hinzugefügt. Der Empfänger antwortet bei Erfolg mit einem ACK („ACK DETECTED“), andernfalls wird „ACK WAIT TIMEOUT“ angezeigt. Der Broadcast-Modus (FFFF) unterstützt keine ACKs.

• CCA (Clear Channel Assessment):
  Durch Aktivieren von UWBRFAT+CCANENABLE=1 kann das Modul die Kanalverfügbarkeit vor der Übertragung prüfen und so Interferenzen mit anderen UWB-Geräten verhindern. Bei belegtem Kanal wird die Übertragung abgebrochen und „CCA FAILURE“ angezeigt.

• Rahmenfilterfunktion:

• Das UWB650-Modul empfängt nur Datenpakete, die folgende Bedingungen erfüllen: Die Ziel-PAN-ID stimmt mit der eigenen überein, die Zieladresse ist 0xFFFF (Broadcast) oder identisch mit der eigenen Adresse, die FCS (Frame Check Sequence) ist korrekt und das Paketformat entspricht einem Standard-Datenframe gemäß IEEE 802.15.4-2020. Pakete, die diese Bedingungen nicht erfüllen, werden direkt verworfen.

• SNIFF (Empfangsmodus):
  Das Modul wechselt zwischen Empfangs- und Leerlaufzustand (jeweils ca. 16 µs, 50 % Tastverhältnis), um Energie zu sparen. Während der Entfernungsmessung/Positionierung schaltet das Modul für Echtzeitfähigkeit in den kontinuierlichen Empfangsmodus. 

3. Netzwerkstabilität und -steuerung

• Hop-Limit: Jedes Datenpaket kann bis zu 10 Hops weitergeleitet werden. Darüber hinaus verwerfen die Relay-Knoten das Paket, um eine redundante Datenflut zu vermeiden.

• Zielorientierte Weiterleitung: Relay-Knoten verarbeiten nur Pakete, die nicht an sie selbst adressiert sind, wodurch Rechenaufwand und Bandbreitennutzung optimiert werden.

 Alle diese Funktionen lassen sich zur einfacheren Bedienung auch über unsere proprietäre PC-Konfigurationssoftware einstellen.

IV. Vorteile der UWB- + Mesh-Integration

1. Überwindung von Entfernungsbeschränkungen: Hochpräzise Positionierung in komplexen Umgebungen

Herkömmliche UWB-Positionierungssysteme benötigen dicht verteilte Basisstationen. Das Mesh-Netzwerk des UWB650 ermöglicht die indirekte Kommunikation zwischen Tags und Ankern über Relaisknoten. Beispielsweise können in einer Fabrik mit Säulen im Weg die Tags Entfernungsdaten über nahegelegene Relais an die Basisstation senden – so wird eine Genauigkeit von ±10 cm erreicht, ohne dass zusätzliche Anker benötigt werden.

2. Selbstorganisation und Selbstheilung: Sicherstellung der Netzwerkrobustheit

Mesh-Netzwerke unterstützen das dynamische Hinzufügen und Entfernen von Knoten (z. B. Mobilgeräten oder temporären Ankern) ohne manuelle Neukonfiguration. Fällt ein Relay aus, werden Pakete automatisch umgeleitet (z. B. wird aus A→B→C→D A→E→D), wodurch eine unterbrechungsfreie Positionsbestimmung und Kommunikation gewährleistet wird – ideal für Bergwerke, Rettungseinsätze oder Hochrisikoumgebungen.

3. Flexible Erweiterung und kosteneffiziente Implementierung

Benutzer können Knotenrollen (Terminal/Relay/Hybrid) je nach Anwendungsbedarf zuweisen. In großen Lagerhallen sind nur wenige feste Ankerpunkte (für Koordinatenreferenzen) erforderlich, während mobile Tags und Relays ein Mesh-Netzwerk bilden, das große Bereiche abdeckt – wodurch Hardwarekosten und Einrichtungsaufwand deutlich reduziert werden.

Das UWB650-Modul erzielt durch die tiefe Integration von UWB-Technologie und Mesh-Netzwerk einen doppelten Durchbruch: „Hohe Präzision + Große Reichweite“ und „Flexibilität + Zuverlässigkeit“.
Die Kombination aus UWB und Mesh bietet eine flexiblere und zuverlässigere Lösung für die drahtlose Kommunikation. NiceRF wird weiterhin in die Erforschung hochpräziser Positionierungs- und intelligenter IoT-Technologien investieren und sich darauf konzentrieren.