UrbanMesh — resiliente urbane IoT-Netze
Sechs Richtungen in energiearmen Sensornetzen, die auch ohne Internet und Netzstrom weiterarbeiten.
Koch Laboratory — UrbanMesh: Forschung zu resilienten urbanen IoT-Netzen
Neben der Forschung zu metadaten-resistenter Kommunikation betreibt Koch Laboratory das Programm UrbanMesh — Forschung zu resilienter, energiearmer Sensor-Infrastruktur für Städte: Geräte, die auch dann funktionieren, wenn Internet und Netzstrom fehlen. Roter Faden mit dem übrigen Labor: das System soll ausfalltolerant und vertrauenssparsam sein — ein einzelner kostengünstiger Knoten vereint drei Funktechnologien, und Daten überstehen den Verbindungsverlust. Die nachfolgenden Richtungen lösen konkrete, ungelöste technische Probleme, für die es keine fertige Standardlösung gibt. Einsatzkontext: Plattform NearStadt (lokaler Einzelhandel).
Methodik. Jede Richtung als Prozess: Problemstellung → Hypothese → Firmware-Prototyp → Feldmessung → Auswertung → Revision. Versionierte Firmware (FIRMWARE_VERSION-Verlauf), Messprotokolle und Backend-Tests halten das Ergebnis über Iterationen hinweg.
Publikationshinweis (IP). Techniken, die Stand der Technik sind (TTL-Flooding, HMAC-OTP, Duty-Cycling), werden beschrieben; spezifische, potenziell patentfähige Mechanismen — insbesondere Routing mit der Energieklasse als Parameter — werden zurückgehalten. Wo „Konstruktion: zurückgehalten” steht, wird das Detail als Anmeldematerial vorgehalten.
1. Tri-Radio-Koexistenz auf einem Knoten (LoRa + BLE + WLAN)
Forschungsfrage. Lassen sich kontinuierlicher LoRa-Empfang (868 MHz), zyklisches BLE-iBeacon-Advertising und periodischer WLAN-Uplink auf einem kostengünstigen Chip (ESP32-S3) gleichzeitig betreiben, obwohl WLAN und BLE das 2,4-GHz-Band teilen und der WLAN-Stack blockierend ist?
Warum schwierig. WLAN-Verbindung, Zeitsync und HTTP-Upload dauern Sekunden — in dieser Zeit wird das Gerät „funktaub” für LoRa. Offen: ein nicht-blockierendes Zeitschema, das den Mesh-Empfang während der WLAN-Phase hält, ohne Watchdog-Resets.
Ansatz. Nicht-blockierendes Radio-Polling statt delay(), kontrollierte Umschaltsequenz BLE↔WLAN, Messung des Paketverlusts während der Uplink-Fenster. (Nicht-blockierende Muster sind gute Ingenieurpraxis — allgemeine Ebene veröffentlicht; etwaige nicht-offensichtliche Sequenz-Optimierungen gesondert behandelt.)
Status: implementiert; Feldvalidierung läuft.
2. Offline-fähiges Mesh (Store-and-Forward)
Forschungsfrage. Wie gelangen Daten ins Backend, wenn ein Knoten Internet oder Strom verliert — über Nachbarknoten, mit möglichst gesicherter Zustellung? Warum schwierig. Die Zustellrate hängt von unbekannter, schwankender Knotendichte ab; Kollisionen müssen gedämpft, der Puffer gegen Überlauf (DoS) geschützt und ein Reboot ohne Verlust/Duplikat überstanden werden. Ansatz (Stand der Technik). TTL-begrenztes Fluten, Duplikat-Unterdrückung (Fenster 30 Nachrichten), adaptiver Weiterleitungs-Backoff (50–150 ms), neustartfeste Pufferung im nichtflüchtigen Speicher (NVS) — bekannte, veröffentlichte Techniken. Konstruktion des Routings unter Berücksichtigung der Energieklasse des Knotens: zurückgehalten (offene Patentoption — als sensibel markierte Richtung). Status: implementiert; Validierung bei variabler Knotendichte läuft.
3. Prioritäts-Sicherheitsalarm im Best-Effort-Netz
Forschungsfrage. Lässt sich in einem prinzipiell verlustbehafteten Netz ein Sicherheitsalarm (Panik-Taster) mit niedriger, vorhersagbarer Latenz und Vorrang vor Regelverkehr zustellen? Warum schwierig. Das LoRa-Mesh ist nicht-deterministisch; der Alarm muss den Regelverkehr „überholen”, ohne das Netz zu fluten. Authentizität der Quelle ist ohne PKI zu sichern, der Mechanismus gegen Missbrauch/Replay zu härten. Erfolgskriterium. Niedrige, vorhersagbare Alarmlatenz mit Vorrang vor Regelverkehr, Quellauthentizität ohne PKI, Missbrauchs- und Replay-Resistenz. Konstruktion (Preemption, Vertrauensverteilung, Notpfad): zurückgehalten (offene Patentoption). Status: implementiert (Firmware v2.1.0); Latenzmessung unter Last läuft.
4. Hybride Authentisierung auf uhrlosen Geräten (TOTP↔HOTP)
Forschungsfrage. Wie erzeugt man kryptographisch belastbare Einmalcodes (Kassen-TAN) auf einem Gerät ohne Echtzeituhr und ohne Dauerverbindung? Warum schwierig. Ohne Netzzeit muss auf zählerbasierte Codes (HOTP) umgeschaltet werden; der Zähler driftet offline, der Server muss ihn über ein Vorwärtsfenster resynchronisieren — ohne ein Replay-Fenster zu öffnen. Ansatz (Stand der Technik). HMAC-SHA1 on-device (RFC 4226/6238), nahtlose Umschaltung Zeit↔Zähler je nach Sync, serverseitige Zähler-Resynchronisation über ein Vorwärtsfenster — Standardkonstruktionen, veröffentlicht. (Etwaige nicht-offensichtliche Elemente der Secret-Provisionierung gesondert behandelt.) Status: implementiert und getestet.
5. Datenschutzfreundliche Präsenzanalytik (trotz MAC-Randomisierung)
Forschungsfrage. Lässt sich aus Funkbeobachtungen (Mesh-Nachbarn, BLE-Detektionen, RSSI) eine belastbare, aggregierte Frequenzkennzahl ableiten — ohne Personenbezug und trotz MAC-Randomisierung? Warum schwierig. MAC-Randomisierung (BLE/WLAN) unterläuft naives Zählen distinkter Geräte; nötig ist ein robuster Schätzer ohne stabile Kennung, validiert gegen Referenzzählung, DSGVO-konform. Erfolgskriterium. Aggregierte Frequenzkennzahl ohne Personenbezug, robust gegen MAC-Randomisierung und gegen Referenzzählung validiert; explizite DSGVO-Bewertung. Konstruktion des Schätzers und der Anonymisierung: zurückgehalten (offene Patentoption). Status: Entwurf/Design (heute nur Zählung aktiver Nachbarn vorhanden; die Schätzschicht ist Design).
6. Energie-Autonomie vs. Mesh-Verfügbarkeit
Forschungsfrage. Wie maximiert man die Akkulaufzeit und hält zugleich die Verfügbarkeit des Knotens als Mesh-Relay aufrecht? Warum schwierig. Mehr Schlaf = geringere Relay-Verfügbarkeit; der optimale Arbeitspunkt ist unbekannt und lastabhängig. Zudem muss die Akkuschätzung ohne dedizierten Fuel-Gauge (nur ADC) last- und temperaturrobust sein. Ansatz (Stand der Technik). Adaptives Duty-Cycling, CPU-Frequenzskalierung (80 MHz), Deep-Sleep/Smart-Standby, ADC-Akkumodell, sichere Zustände beim Laden/Abschalten ohne Pufferverlust — bekannte, veröffentlichte Techniken. Konstruktion der Kopplung von Energiezustand und Verfügbarkeits-/Routing-Entscheidung (Energieklasse als Parameter): zurückgehalten (offene Patentoption — als sensibel markierte Richtung). Status: teilweise implementiert; Optimierung läuft.