Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Anwendung des neuartigen Kurzstrecken-Funkkommunikationsstandards ZigBee im Lebenserhaltungssystem eines integrierten Kampfsystems für einzelne Soldaten. Biosensoren erfassen Vitaldaten einzelner Soldaten, die anschließend per ZigBee-Funkübertragung an einen tragbaren Computer übermittelt werden. Dieser analysiert und verarbeitet die Daten, und die Ergebnisse werden per Satellitenkommunikation an die Kommandozentrale zurückgesendet. So erhalten die Kommandeure eine Grundlage für die präzise Beurteilung der Kampfkraft ihrer Truppen. Schlüsselwörter: ZigBee, Einzel-Soldat-System, Lebenserhaltungssystem. Dieser Artikel erschien in *Modern Electronics Technology*, Januar 2006, Ausgabe 216, Publikationsnummer: CN61-1224/TN. Internationale Standardseriennummer: ISSN 1004-373X ZigBee-Anwendung in einem Einzelsoldatensystem Zusammenfassung: Dieser Artikel befasst sich hauptsächlich mit dem neuen drahtlosen Telekommunikationsstandard „ZigBee“ und dessen Einsatz im lebenserhaltenden Subsystem eines Einzelsoldatensystems. Schlüsselwörter: ZigBee, Einzelsoldatensystem, Lebenserhaltendes Subsystem Einleitung ZigBee ist eine aufstrebende drahtlose Netzwerktechnologie mit geringer Reichweite, niedriger Datenrate und niedrigem Stromverbrauch. Sie stellt eine Technologie dar, die drahtlose Tagging-Technologien und Bluetooth vereint. Früher unter den Bezeichnungen „HomeRF Lite“ oder „FireFly“ bekannt, wird sie primär für drahtlose Kurzstreckenverbindungen eingesetzt. Der ZigBee-Netzwerkstandard wurde von der IEEE 802.15-Arbeitsgruppe entwickelt. ZigBee ist der Handelsname für den IEEE 802.15.4-Standard. Dieser Standard eignet sich für Anwendungen in der Produktion und im Alltag und stellt geringe Anforderungen an Datenrate und Dienstgüte (QoS). Der Zielmarkt umfasst Industrie, Haushalte und den medizinischen Bereich, die drahtlose Überwachungstechnik mit geringem Stromverbrauch, niedrigen Kosten und großem Anwendungsbereich benötigen. Die grundlegenden technischen Parameter sind in Tabelle 1 dargestellt. 1. Individuelles Soldatenkampfsystem: Ein integriertes individuelles Soldatenkampfsystem ist ein Hightech-Ausrüstungssystem, das den einzelnen Soldaten als Basiseinheit betrachtet, die Integration von Mensch, Maschine und Umwelt berücksichtigt und mehrere fortschrittliche Technologien anwendet. Es bildet eine organische Einheit aus Soldaten, Waffen und Ausrüstung und verbessert so umfassend die Feuerkraft, Mobilität, Kommunikation, Beobachtung und den Schutz des einzelnen Soldaten. Dadurch wird jeder Soldat zu einer effektiven Feuerkrafteinheit, die sowohl selbstständig als auch koordiniert operieren kann. Dies steigert die Kampfeffektivität des einzelnen Soldaten und verschafft ihm einen Vorteil auf dem zukünftigen informationsbasierten Schlachtfeld. Ein integriertes individuelles Soldatenkampfsystem besteht in der Regel aus fünf Subsystemen: Waffensubsystem, Kommunikationssubsystem, Beobachtungssubsystem, Lebenserhaltungssubsystem und Schutzsubsystem. Das Waffensubsystem muss leicht sein, eine hohe Dauerfeuerkraft aufweisen und mehrere Ziele bekämpfen können. Es kann mit einer Reihe von Zubehörteilen ausgestattet werden, darunter optische Visiere, Laserzielgeräte und Laserentfernungsmesser. Das Kommunikationssystem verbessert primär die Allwetter-Kampffähigkeit einzelner Soldaten sowie die Kommunikations- und Informationsaustauschfähigkeiten zwischen Soldaten, Einheiten und zwischen Soldaten und rückwärtigen Kommandeuren. Es umfasst Nahbereichskommunikationsgeräte zwischen den Einheiten und Fernbereichskommunikationsgeräte zwischen Einheiten und rückwärtigen Kommandeuren. Das Beobachtungs- und Zielsystem stattet die Soldaten hauptsächlich mit Ausrüstung zur Beobachtung feindlicher Stellungen und zum Zielen aus. Es besteht im Wesentlichen aus Nachtsichtgeräten, Nachtsichtgeräten und Fernbereichszielgeräten. Um das Zielen mit Helm zu erleichtern, kann das Waffenvisier so konstruiert sein, dass es mit einem Bildschirm direkt vor dem Helm verbunden ist, sodass die Soldaten auf Augenhöhe zielen und beobachten können. Das Lebenserhaltungssystem nutzt primär verschiedene Sensoren, um Daten zu den Vitalfunktionen der Soldaten und der Umgebung zu erfassen und zu analysieren. Ein am Körper jedes Soldaten angebrachter Computer analysiert die Sensordaten, leitet daraus einen numerischen Code ab und sendet diesen an die Gefechtszentrale. Kommandeure können so den physiologischen Zustand der Frontsoldaten ermitteln: ob sie verletzt sind, wie schwer ihre Verletzungen sind und ob sie unter Erschöpfung, Kälte, Krankheit, Angst oder anderen widrigen Zuständen leiden. Dies liefert objektive Daten für die zeitnahe medizinische Versorgung und die Lieferung von Hilfsgütern an Verwundete und Kranke und ermöglicht es den Kommandeuren, die Kampfkraft ihrer Truppen präzise einzuschätzen. Die Eigenschaften von Zigbee – kurze Reichweite, geringe Kosten, niedriger Stromverbrauch und einfache Implementierung – machen es ideal als Komponente des Lebenserhaltungssystems geeignet. Das Schutzsystem nutzt primär verschiedene neue Materialien, um umfassende Umweltschutzfunktionen zu realisieren, darunter Schutz vor Angriffen, Laserblendung, Lärm, Wasser, Feuchtigkeit und Kälte. Es umfasst einen Multifunktionshelm und einen Schutzanzug. 2. Anwendung von Zigbee im Lebenserhaltungssystem Der Workflow der Zigbee-Anwendung im Lebenserhaltungssystem ist in Abbildung 1 dargestellt: 2.1 Funktionsprinzip In einer kleinen Soldatengruppe trägt jedes Mitglied einen Zigbee-Biosensor-Knoten, der ein Zigbee-Funknetzwerkmodul und ein Biosensormodul integriert. Das System erfasst Vitaldaten wie Puls, Blutdruck, Atmung und Körpertemperatur und überträgt diese drahtlos per ZigBee an den Master-Koordinator. Es besteht im Wesentlichen aus einem Pulssensor, einem Temperatursensor, einem Statussensor, einem Analogverstärker, einem A/D-Wandler, einem Pegelkomparator, einem Signalspeicher, einem ZigBee-Funktransceiver und der zugehörigen Software. Der Master-Koordinator befindet sich in der Mitte der Gruppe. Seine Hauptfunktion ist die Konfiguration der Parameter für den Netzwerkaufbau und -start, darunter die Auswahl eines Funkkanals, einer eindeutigen Netzwerk-ID und verschiedener Betriebsparameter. Jedes ZigBee-Netzwerk benötigt einen Master-Koordinator. Da sich die Gruppenmitglieder in diesem Anwendungsfall in einem sehr geringen Aktionsradius befinden, ist keine Relais-Ausrüstung erforderlich; die Endgeräte können direkt drahtlos mit dem Master-Koordinator verbunden werden. Alle Geräte im Netzwerk verfügen über eine 64-Bit-IEEE-Adresse. Alternativ kann zur Reduzierung der Paketgröße eine 16-Bit-Kurzadresse verwendet werden, wodurch die Identifizierung der Soldaten durch einfaches Speichern ihrer Endgeräteadressen erleichtert wird. Standardmäßig wird Tree-Routing verwendet, d. h. eine Baumstruktur wird für die Routing-Strategien genutzt. Mit Tree-Routing müssen Geräte keine speicherintensiven Routing-Tabellen verwalten oder zusätzliche Over-the-Air-Downloads (OTA) durchführen, um Pfade zu ermitteln. Dadurch wird der Netzwerkverkehr minimiert. Dies vereinfacht die Gerätestruktur, reduziert Kosten und Stromverbrauch und macht das Verfahren somit für den breiten militärischen Einsatz geeignet. Der Hauptkoordinator ist über ein Schnittstellenmodul mit dem tragbaren Computer des Soldaten verbunden. Die Hauptfunktion dieses Moduls besteht darin, Datenformate zu konvertieren und Störungen zu beseitigen, damit der Computer die von Biosensoren erfassten Parameter verarbeiten kann. Die interne Software des tragbaren Computers muss drei Funktionen erfüllen: ZigBee-Netzwerksteuerung, Datenanalyse, -verarbeitung und -konvertierung sowie die Verwaltung der Satellitenkommunikationsausrüstung. Die ZigBee-Netzwerksteuerung umfasst im Wesentlichen Systemstart und -stopp, Zuweisung von Endgeräteadressen, Fehlerkontrolle und verschiedene Parametereinstellungen. Datenanalyse, -verarbeitung und -konvertierung umfassen im Wesentlichen die Wellenformanalyse, Frequenzanalyse und Datenstatistik verschiedener vom Endgerät erfasster Parameter zur Ermittlung des Soldatenstatus. Dieser wird in ein spezielles Codierungsformat konvertiert und zur Übertragung an die Kommandozentrale auf den Satelliten geladen. Zu den Verwaltungsfunktionen der Satellitenkommunikationsausrüstung gehören Systemstart/-abschaltung, Schnittstellensteuerung und Datenformatauswahl. Das Satellitensystem für jeden Soldaten besteht aus einem leichten, tragbaren Funkgerät und einer Satellitenantenne. Das Funkgerät ist in einem Metallgehäuse untergebracht und daher robust und widerstandsfähig gegenüber den rauen Bedingungen im Feldeinsatz oder bei mobilen Einheiten. Das am Rucksack befestigte Funkgerät ist leicht zu transportieren, wiegt inklusive Antenne und Akku nur wenige Kilogramm, hat ein Volumen von weniger als 0,02 Kubikmetern und ist bei allen Wetterbedingungen einsetzbar. 2.2 Systemsicherheit und -zuverlässigkeit Die Sicherheit und Zuverlässigkeit dieser Anwendung gliedern sich in drei Bereiche: die Sicherheit und Zuverlässigkeit der ZigBee-Übertragung, die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Datenverarbeitung des tragbaren Computers und die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Satellitenübertragung. Die beiden letztgenannten Aspekte wurden bereits ausführlich in der Literatur diskutiert und werden hier nicht weiter erörtert. ZigBee verwendet eine gestaffelte Sicherheitsstrategie: keine Sicherheit, Zugriffskontrollliste (ACL), 32-Bit-AES und 128-Bit-AES. Bei geringen Sicherheitsanforderungen können niedrigere Sicherheitsstufen gewählt werden, um Systemkosten und Stromverbrauch zu reduzieren. Umgekehrt können bei hohen Sicherheitsanforderungen höhere Sicherheitsstufen eingesetzt werden. Da dieses Beispiel im militärischen Bereich Anwendung findet, sollte eine höhere Sicherheitsstufe verwendet werden. ZigBee nutzt Sicherheitsstrategien sowohl auf der MAC- als auch auf der Netzwerkschicht. Erreichen Daten ihr Ziel in einem einzigen Hop, verwendet ZigBee ausschließlich die Sicherheitsmechanismen der MAC-Schicht. Bei mehreren Hops greift ZigBee auf höhere Schichten zurück, um die Sicherheit zu gewährleisten. Die Sicherheitsfunktionen der MAC-Schicht basieren auf drei Betriebsmodi: AES-Verschlüsselung im Zählermodus, Datenintegrität im Cipher Block Chaining-Modus (CBC) und eine Kombination aus beiden (CCM-Modus). Der AES-Verschlüsselungsalgorithmus auf der MAC-Schicht schützt die Vertraulichkeit, Integrität und Authentizität von MAC-Befehlen, Beacons, Nachrichten- und Antwort-Frames. Der MAC-Frame-Header enthält ein Bit, das angibt, ob der MAC-Frame verschlüsselt ist. Jeder Schlüssel ist nur einer Sicherheitssuite zugeordnet. Um die Datenintegrität zu gewährleisten, berechnet die MAC-Schicht aus Header und Nutzdaten einen Integritätscode (MIC) mit einer Länge von 4, 8 oder 16 Byte. Zusätzlich enthält jeder MAC-Frame-Header eine Frame-Nummer, um Frame-Verluste und erneute Übertragungen zu verhindern. Schlüsselaustausch, Auswahl sicherer Betriebsmodi und Steuerung der Verarbeitung erfolgen durch höhere Schichten. Die Netzwerkschicht verwendet ebenfalls AES, ihre Sicherheitssuite basiert jedoch auf dem CCM*-Betriebsmodus. CCM* umfasst alle Funktionen von CCM und bietet zusätzlich reine Verschlüsselungs- und Integritätsfunktionen. Durch die Verwendung von CCM* kann ein einzelner Schlüssel für verschiedene Sicherheitssuiten verwendet werden. Daher gehört ein Schlüssel nicht nur einer Sicherheitssuite an, und eine Anwendung höherer Schichten kann die von der Netzwerkschicht verwendete Sicherheitssuite flexibel festlegen. Die Netzwerkschicht ist für die Sicherheitsverarbeitung zuständig, die Kontrolle darüber erfolgt jedoch durch höhere Schichten mittels Schlüsselaustausch und der Auswahl der zu verwendenden CCM*-Sicherheitssuite. Zusätzlich können Frame-Sequenznummern und Message Integrity Codes zu den Frames der Netzwerkschicht hinzugefügt werden. ZigBee nutzt CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) für den Kanalzugriff, wodurch Frame-Kollisionen effektiv reduziert werden. Um Interferenzen und Mehrwegeausbreitung zu widerstehen, verwendet ZigBee auf der physikalischen Schicht Direct Sequence Spread Spectrum und Frequency Agile FA (FA). Für eine korrekte Frame-Übertragung setzt ZigBee auf der MAC-Schicht zwei Maßnahmen ein: Automatic Repeat Request (ARQ) und Frame-Pufferung. Wenn ein Frame an ein Gerät gesendet wird und das empfangende Gerät ausgelastet oder im Schlafmodus ist und den Frame nicht empfangen kann, puffert die zentrale Koordinierungsstelle des Netzwerks den Frame vorübergehend, bis das empfangende Gerät ihn empfangen kann. Auf der Netzwerkschicht unterstützt ZigBee Mesh-Netzwerke mit redundanter Weiterleitung, um die Robustheit des Netzwerks zu gewährleisten. 3. Fazit: Die Eigenschaften von ZigBee – geringe Reichweite, niedrige Kosten, geringer Stromverbrauch, einfache Implementierung und hohe Sicherheit – machen es ideal als Komponente des Lebenserhaltungssystems im Kampfsystem eines Soldaten. Es kann nicht nur Vitaldaten der Soldaten übertragen, sondern – dank zukünftiger technologischer Entwicklungen – auch Daten zur Überwachung feindlicher nuklearer, biologischer und chemischer Waffenkontamination. Sobald Sensorsignale auf den Einsatz solcher Waffen durch den Feind hinweisen, wird automatisch ein Alarm ausgelöst und die Ergebnisse über einen ZigBee-Sender an die Kommandozentrale übermittelt, wodurch eine längere Vorwarnzeit ermöglicht wird. Der Einsatz von ZigBee bietet Kommandeuren eine objektive Grundlage zur präzisen Bewertung der Kampfkraft ihrer Truppen, verbessert den Informationsgehalt der Truppenausrüstung und verschafft unserer Armee somit einen entscheidenden Vorteil in der zukünftigen informationsgestützten Kriegsführung. Referenzen [1] Jin Chun, Jiang Xiaoyu, Luo Zuqiu, Analyse und Vergleich von ZigBee und Bluetooth [J], Information Technology and Standardization, 2004 (6) -17-20 [2] Realisierung eines drahtlosen eingebetteten Netzwerks [N], Network World, 2004-9-6 [3] Li Hongyi, Wang Jianai, Yang Guosheng, Mi Xinya, Jiao Chun, Entwurf eines individuellen physiologischen Informationsüberwachungssystems für Soldaten [J], Journal of the Fourth Military Medical University, 2001-22 (2) -103-104 Über den Autor Jin Chun: männlich, 39 Jahre alt, promovierte in den Vereinigten Staaten, kehrte nach China zurück, um Chongqing Jinou Technology zu gründen, beschäftigt sich hauptsächlich mit der Forschung und Entwicklung von Kurzstreckenkommunikationstechnologie und war als Doktorvater an der Chongqing University of Posts and Telecommunications tätig. Qi Yansong: männlich, 25 Jahre alt, Masterstudent der Kommunikations- und Informationssysteme an der Chongqing University of Posts and Telecommunications, Forschungsschwerpunkt: Persönliche Kommunikation. Projektbeschreibung: Dieser Artikel wird durch das Projekt „Forschung zu tragbaren Netzwerkgeräten auf Basis drahtloser Kommunikation, Systemstruktur und Schlüsseltechnologien“ der National Natural Science Foundation of China gefördert.