Fraunhofer IIS entwickelt dezentrales Funknetz für Drohnenschwärme
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS entwickeln ein Mesh-Netzwerk, das Drohnenschwärme unabhängig von Mobilfunkinfrastruktur miteinander verbindet. Die auf Bluetooth basierende Technologie soll klein, energiesparend und für den zivilen Einsatz geeignet sein.
Bild: Manuel Schrauth, Fraunhofer IIS
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen arbeiten an einem mobilen Ad-hoc-Mesh-Netzwerk, das mehrere Drohnen ohne Mobilfunkverbindung dezentral miteinander verbindet.
Warum bestehende Systeme an ihre Grenzen stoßen
Drohnenschwärme können auf Großbaustellen den Baufortschritt dokumentieren, Offshore-Windparks überwachen oder nach Überlebenden einer Naturkatastrophe suchen. Damit mehrere Drohnen dabei kooperativ arbeiten können, müssen sie miteinander kommunizieren. Bislang geschieht das im zivilen Bereich überwiegend über eine zentrale Mobilfunkverbindung: Die Drohnen tauschen Informationen nicht direkt untereinander aus, sondern leiten alles über einen zentralen Knotenpunkt, in der Regel einen Mobilfunkmast. Diese sternförmige Struktur hat einen entscheidenden Nachteil. Fällt der Knotenpunkt aus, etwa weil eine Naturkatastrophe die Infrastruktur beschädigt hat, bricht die Kommunikation im gesamten Schwarm zusammen. Hinzu kommt, dass nur ein kleiner Teil der Erdoberfläche überhaupt über eine zuverlässige Mobilfunkabdeckung verfügt.
Heartbeats und Weitergabe über mehrere Knoten
Das Team um Dr. Manuel Schrauth, Gruppenleiter im Bereich Kommunikationssysteme am Fraunhofer IIS, setzt stattdessen auf ein dezentrales Mesh-Netzwerk, in dem die Drohnen direkt und ohne übergeordnete Instanz miteinander kommunizieren, zum Beispiel per Bluetooth. Die Grundlage bildet ein tabellenbasiertes System: Jede Drohne sendet in regelmäßigen Abständen sogenannte Heartbeats aus, vergleichbar mit dem Blinksignal eines Bluetooth-Kopfhörers auf Suche nach einem Gerät. Sobald sich zwei Drohnen gegenseitig registriert haben, ergänzen sie ihre jeweiligen internen Tabellen um die gesichteten Geräte. Wiederholt sich dieser Vorgang alle paar Sekunden, entsteht nach und nach ein beinahe vollständiges Bild des gesamten Netzwerks, obwohl jede Drohne zunächst nur ihre unmittelbare Umgebung kennt.
Will eine Drohne Daten an eine weit entfernte Drohne im Schwarm schicken, gibt sie das Datenpaket an die nächstgelegene Drohne weiter, die es ihrerseits an die nächste weiterreicht, bis es sein Ziel erreicht. Für die Nutzenden soll sich das später wie eine direkte Eins-zu-Eins-Verbindung anfühlen. In der Praxis könnten Drohnen so automatisch aus einem Koffer starten, im Mesh-Netzwerk eine Formation bilden und ihre unterschiedlichen technischen Stärken bündeln, um etwa gemeinsam eine dreidimensionale Karte zu erstellen.
Hochdynamische dezentrale Netzwerke dieser Art existieren bislang fast ausschließlich im militärischen Bereich und sind dort teuer und für schwere Geräte ausgelegt. Im Ultra-Low-Power-Bereich, also für kleine und leichte Drohnen, wie sie im zivilen Einsatz üblich sind, gibt es bislang keine vergleichbare Lösung. Die Funktionsfähigkeit des Ansatzes haben die Forschenden bereits in einer Simulation nachgewiesen. Derzeit laufen Labortests mit Bluetooth-Geräten über mehrere Knotenpunkte. Die Idee entstand ursprünglich in der GAIA-Initiative, wo ein ähnliches System für Tiersender an Geiern in Namibia entwickelt wurde. Einen Prototyp plant das Team für das kommende Jahr.