Mioty

Die Forschung zur Aufteilung von drahtlosen Datenübertragungen in mehrere kurze Telegramme begann 2009 am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (Fraunhofer IIS) mit dem Ziel, die Robustheit in stromsparenden Netzwerken zu erhöhen.

Das Fraunhofer IIS meldete basierend auf dieser Forschung im Jahr 2011 ein Patent erst in Deutschland, anschließend in weiteren Ländern an.^[3]

Die Marke MIOTY wurde 2015 vom Fraunhofer IIS registriert. 2024 registrierte die mioty Alliance mioty (stilisiert, mit einer polygonalen Wort-Bild-Marke).^[4]

Im Juni 2018 veröffentlichte ETSI die erste vollständige Spezifikation des TS-UNB-Protokolls als TS 103 357, wodurch die mioty zugrunde liegende Technologie formalisiert wurde.^[5]

Im November 2019 wurde die mioty Alliance e.V. von Gründungsmitgliedern wie Fraunhofer IIS, Texas Instruments, Diehl Metering, Diehl Connectivity Solutions, ifm, Ragsol, Stackforce und WIKA gegründet. Die Alliance wurde im Februar 2020 auf der Embedded World in Nürnberg öffentlich vorgestellt, mit dem Ziel, ein offenes, interoperables Ökosystem für mioty in IoT-Anwendungen zu fördern. Bis Mitte 2022 war sie auf 10 Vollmitglieder und 25 assoziierte Mitglieder angewachsen.^[6][7]

Im April 2020 kündigte Sisvel an, einen Patent-Pool für mioty zu verwalten und Herstellern eine zentrale Lizenzierungsquelle für mioty-bezogene Patente anzubieten.^[8]

Im Juni 2024 veröffentlichte ETSI TS 103 357-2, eine umfassende Überarbeitung des TS-UNB-Standards, die das von mioty verwendete Low Throughput Network (LTN)-Protokoll weiter verfeinert.^[9][10]

• Große Reichweite: Die Betriebsreichweite von LPWAN-Technologie variiert von einigen Kilometern in städtischen Gebieten bis zu über 10 km in ländlichen Umgebungen. Sie ermöglicht auch effektive Datenkommunikation an zuvor nicht realisierbaren Innenraum- und Untergrundstandorten.^[11][12]
• Geringer Stromverbrauch: Für den Stromverbrauch optimierte LPWAN-Transceiver können mit kleinen, kostengünstigen Batterien bis zu 20 Jahre betrieben werden.
• Telegram Splitting: (oder TSMA, Telegram Splitting Multiple Access) Teilt die zu transportierenden Datenpakete auf Sensorebene in kleine Unterpakete auf. Die kleinen Pakete werden dann über variable Frequenz und Zeit übertragen.^[13][14]
• Mehr als eine Million Pakete pro Tag.^[15]
• Unterstützung mobiler Clients. Es kann Daten von Clients bedienen, die sich mit bis zu 120 km/h bewegen.^[16]

mioty implementiert einen Ultra-Narrowband (UNB) Physical Layer kombiniert mit einer Telegram-Splitting-Multiple-Access-Technik (Telegram Splitting, auch als TS-UNB bezeichnet), die jede Nachricht auf viele kurze Unterpakete verteilt, die auf schmalen 2-kHz-Trägern über verschiedene Zeit-Frequenz-Slots übertragen werden.^[17] Der Telegram-Splitting-Ansatz (auch Telegram Splitting Multiple Access, TSMA genannt) zerlegt eine MAC-Nutzlast (Telegramm) in mehrere Unterpakete, die kanalcodiert, verschachtelt und mit kurzen Sendezeiten (≈15 ms pro Burst) und Pausen zwischen den Bursts übertragen werden. Diese Zeit-Frequenz-Diversität reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass ein Störer alle Unterpakete beschädigt, und ermöglicht es dem Gateway, Nachrichten auch dann zu rekonstruieren, wenn ein erheblicher Anteil der Unterpakete verloren geht; die Spezifikation weist darauf hin, dass die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) in typischen Konfigurationen etwa 50 % Unterpaket-Verlust tolerieren kann.^[18]

mioty ist für den Betrieb in weltweit lizenzfreien Sub-GHz-Bändern spezifiziert (Beispiele: 868 MHz in Europa, 915–920 MHz / 916 MHz in Teilen Nordamerikas). Das PHY verwendet sehr schmale 2-kHz-Kanäle und explizite Zeit-Frequenz-Hopping-Muster, die durch die TS-UNB-Profile in ETSI TS 103 357 und dessen späterer Revision TS 103 357-2 definiert sind.^[19][20]

Zusätzlich zu den ETSI-Spezifikationen sind die genauen regionalen Frequenzzuweisungen, Kanalpläne und regulatorischen Einschränkungen für mioty-Implementierungen im Dokument mioty Regional Radio Profiles definiert, das vom Technical Committee der mioty Alliance gepflegt und regelmäßig aktualisiert wird.^[21] Diese Profile gewährleisten die Einhaltung regionaler Spektrumsvorschriften und spezifizieren Betriebsparameter für jedes Land oder jede Regulierungsdomäne.

Für die europäische Region arbeitet mioty typischerweise unter den 1-%-Duty-Cycle-Beschränkungen, die in ETSI EN 300 220^[22] definiert sind, und verwendet schmalbandige TS-UNB-Kanäle in Kombination mit Zeit-Frequenz-Hopping-Schemata, um die Zuverlässigkeit innerhalb dieser Einschränkungen zu maximieren. Im Gegensatz dazu verwendet mioty für die Vereinigten Staaten das US0W-Profil, das unter den FCC Part 15 Frequency-Hopping-Regeln^[23] arbeitet. Dieser Modus ermöglicht kontinuierliches Uplink-Messaging unter Einhaltung der FCC-Verweilzeitanforderungen und ermöglicht deutlich höheren Durchsatz und Nachrichtendichte als duty-cycle-beschränkte Bänder.^[24]

Zu den wichtigsten PHY-Designelementen gehören Data Whitening, Convolutional Channel Coding (FEC), Interleaving, Pilot-Einfügung und ein für kurze kohärente Bursts optimiertes Modulationsschema; Rahmen- und Unterpaketformate sowie die Zeit-Frequenz-Muster für Kern- und Erweiterungsrahmen sind in der mioty Physical Layer-Spezifikation und den ETSI TS-UNB-Dokumenten beschrieben.^[25]

Im Vergleich zu anderen LPWAN-PHY-Ansätzen (z. B. LoRaWANs Chirp-Spread-Spectrum oder typische Schmalband-Schemata für NB-IoT-Uplinks) legt mioty den Schwerpunkt auf verteilte kurze Bursts und Zeit-Frequenz-Diversität statt auf lange Einzelpaket-Übertragungen oder das Spreizen eines Pakets über einen langen Chirp. Dieser Kompromiss führt zu verbesserter Robustheit gegenüber schmalbandigen und intermittierenden Störern, höherer Gesamtkapazität bei dichten Implementierungen und verbesserter Mobilitätstoleranz in vielen Szenarien.^[26]

Praktische Konsequenzen, die in der technischen Literatur dokumentiert sind, umfassen niedrige Energie pro Nachricht (Beispiele in der Spezifikation zeigen µAh-pro-Nachricht-Zahlen unter typischen Annahmen und projizierte mehrjährige Batterielebensdauern bei niedrigen Berichtsraten), große Reichweite (mehrere Kilometer in städtischen Umgebungen und bis zu ≈15 km in flachem Gelände unter günstigen Bedingungen) und Unterstützung für mobile Endknoten bei Fahrzeuggeschwindigkeiten, wenn sie von einem ausreichend leistungsfähigen Basisstationsempfänger verarbeitet werden.^[27]

Die mioty MAC- und höheren Schicht-Dokumente definieren, wie Anwendungsdaten auf das Telegram-Splitting-PHY abgebildet werden, wie Adressierung und Sicherheit verwaltet werden und wie Medienzugriff, Bestätigungen und Neuübertragungen koordiniert werden. Die MAC-Spezifikation unterstützt eine Sterntopologie, in der Endgeräte Uplink-Telegramme asynchron übertragen; Downlinks werden nur als Antwort auf Uplink-Übertragungen geliefert und von der Basisstation und dem/den Service-Center(n) geplant, um regulatorische Duty-Cycle-Limits und Netzwerkkapazitätsbeschränkungen einzuhalten.^[28]

Primäre MAC/LLC-Funktionen, die in der Spezifikation dokumentiert sind, umfassen:

• Adressierung und Authentifizierung: Geräte werden mit persistenten EUI-64-Kennungen identifiziert; das MAC trägt kompakte Adresshinweise und Authentifizierungs-Tags, sodass Basisstationen Geräte-IDs auflösen und die Nachrichtenintegrität bei Teilempfängen überprüfen können.^[29]
• Netzwerk- und Anwendungssicherheit: Der Stack definiert Verschlüsselung auf Netzwerkebene (Sitzungsschlüssel, AES-128-basierte Primitive) und unterstützt End-to-End-Verschlüsselung auf Anwendungsebene, wobei das Schlüsselmanagement über das Netzwerk-Service-Center durchgeführt wird.^[30]
• Bestätigungen und Neuübertragungen: Das MAC unterstützt Bestätigungsstrategien und Neuübertragungsverwaltung, die die FEC und Unterpaket-Diversität des PHY nutzen; da das PHY Nachrichten aus Teilempfängen rekonstruieren kann, kann das MAC in vielen Kollisions- oder Störfällen unnötige Neuübertragungen vermeiden.^[31]
• Timing und Duty-Cycle-Konformität: Uplink-Übertragungen sind asynchron, aber Service-Center und Basisstation koordinieren Downlinks und Duty-Cycle-Budgets zur Einhaltung regionaler Vorschriften; das MAC verfolgt Zeitstempel und weist Downlink-Fenster ungefähr Sekunden nach einem Uplink-Empfang zu, um korrekte Zustellung und regulatorische Konformität sicherzustellen.^[32]
• Logical Link Control (LLC): Eine separate LLC-Schicht verwaltet Attach/Detach, Over-the-Air-Management und Service-Center-Interaktionen für Geräte-Provisionierung und Deduplizierung von Nachrichten, die von mehreren Basisstationen empfangen werden.^[33]
• Vergleichendes Verhalten gegenüber anderen LPWAN-MACs: Im Gegensatz zu einigen LPWAN-Protokollen, deren MAC-Schicht adaptive Datenrate oder enge Kanalkoordination bietet (z. B. bestimmte LoRaWAN-Netzwerkserver-Funktionen), stammen viele von miotys Kapazitäts- und Zuverlässigkeitseigenschaften aus dem Telegram-Splitting-PHY (Zeit-Frequenz-Diversität und starke FEC) und nicht aus schwerer MAC-Schicht-Kanalvermittlung. Dieses Design begünstigt massiven gleichzeitigen Zugriff und Störungsresilienz bei dichten Sensorimplementierungen.^[34]
• Leistung, Kapazität und Mobilität: Die mioty-Dokumentation gibt numerische Leistungsbeispiele (z. B. Einzelgateway-Kapazitäten wie ≈3.500.000 Nachrichten/Tag innerhalb von 200 kHz Spektrum unter angegebenen Annahmen, projizierte mehrjährige Batterielebensdauern für niedrige Berichtsintervalle und Mobilitätsunterstützung bis zu Fahrzeuggeschwindigkeiten, wenn der Basisstationsempfänger fortgeschrittene Verarbeitung implementiert). Diese Zahlen werden als Beispiele in den Fraunhofer/mioty-Technikunterlagen und ETSI TS-UNB-Profilen präsentiert und hängen von Nachrichtengröße, Duty-Cycle-Limits und regionalen Vorschriften ab.^[35]
• Standards und Ökosystem: Das TS-UNB-Protokoll und das Telegram-Splitting-Konzept sind in ETSI TS 103 357 (erste Veröffentlichung) und dem aktualisierten TS 103 357-2 formalisiert; die mioty Alliance (Fraunhofer IIS gehört zu den Initiatoren) veröffentlicht die öffentlichen technischen Dokumente, die PHY, MAC und höhere Schichten beschreiben, und fungiert als Branchenforum zur Förderung von Interoperabilität und Ökosystemakzeptanz.^[36][37][38]
  

Neben dem Service Center von der Fraunhofer gibt es mittlerweile auch mioty Alliance Mitglieder, welche alternative Service & Application Center anbieten.^[39] Dazu zählen unter anderem folgende Anbieter:

Fazit: Volle native mioty Unterstützung durch Pallax. LORIOT gut zur Anbindung an bestehende Application Center. Akenza benötigt ein externes mioty Service und Application Center.^[44]

mioty ist für großflächige, störungsresistente IoT-Implementierungen konzipiert, bei denen andere LPWAN-Technologien an Grenzen wie Spektrumüberlastung, hohe Kollisionsraten oder reduzierte Kapazität in dichten städtischen und industriellen Umgebungen stoßen können.^[45]

Seine Robustheit, Skalierbarkeit und Toleranz gegenüber Störungen machen es für ein breites Spektrum von Überwachungs- und Automatisierungsaufgaben geeignet.

Typische Anwendungsbereiche umfassen:

• Sicherheitskritische Überwachung, wie Personenschutz, Notfallwarnsysteme oder unterirdische Industrieumgebungen, bei denen robuste Uplink-Zustellung auch unter harten Funkbedingungen erforderlich ist.^[46]

• Versorgungsmessung, einschließlich Wasser-, Gas- und Wärmezähler sowie smart-city-vernetzte Zähler. Viele Implementierungen nutzen mioty aufgrund seiner Langstreckenabdeckung und geringen Stromanforderungen.^[47][48]

• Industrielle Überwachung, wie Vibrationssensorik, Leistungsüberwachung und Fabrikautomation in HF-anspruchsvollen Umgebungen.^[49]
• Integration mit Messstandards, insbesondere durch die Einbeziehung des mioty PHY in die OMS 5 LPWAN-Spezifikation über den „OMS Splitting Mode“, der interoperable Smart-Metering-Lösungen ermöglicht.^[50]
• Industrielle Kommunikationssysteme, unterstützt durch Kooperationsvereinbarungen mit Automatisierungskonsortien wie der IO-Link Community, die die Verwendung von mioty als drahtlose Transportschicht in Industrie-4.0-Systemen ermöglichen.^[51]
• Asset Tracking und Positionierung in großen Industriegebieten, Häfen oder Flughäfen. mioty kann hybride Positionierungsmethoden unterstützen, die GNSS mit TSMA-basierten Link-Metriken kombinieren, die zusätzliche Entfernungsinformationen aus dem Telegram-Splitting-Prozess liefern.^[52][53]
• Smart-City- und Smart-Building-Infrastruktur, einschließlich Umweltüberwachung, Leckageerkennung, Brandschutz und Luftqualitätssensorik.^[54][55]
• Krankenhäuser und weitere Einrichtungen im Gesundheitswesen profitieren von moderner Sensorik, indem Umgebungs- und Zustandsdaten unter realen Bedingungen kontinuierlich erfasst werden. So entsteht erstmals eine objektive, zentral verfügbare Transparenz - vom einzelnen Patientenzimmer über komplette Stationen bis hin zu ganzen Gebäudekomplexen. Auf dieser Datengrundlage lässt sich ein digitaler Zwilling der Infrastruktur aufbauen, der physische Räume und Prozesse virtuell abbildet und eine fundierte Analyse, Steuerung und Optimierung ermöglicht.^[56]
• Hybride LPWAN-Implementierungen, bei denen Städte oder Versorgungsunternehmen mioty mit LoRaWAN kombinieren, um beide Ökosysteme zu nutzen. Hybride Gateways und Dual-Technologie-LPWAN-Produkte sind kommerziell verfügbar, um diese Implementierungen zu unterstützen.^[57][58][59]

• Internet der Dinge
• European Telecommunications Standards Institute
• Low-Power Wide-Area Network