Atalaia

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So funktioniert der Funk

Die Props funken über LoRa, einen Funk mit großer Reichweite und wenig Strombedarf, im eigenen Protokoll von Atalaia, Skirmesh-RF. Diese zwei Diagramme zeigen, was LoRa auf einem Feld kann und was nicht, und wie ein Protokoll auf sehr unterschiedlichen Geräten läuft. Nichts davon war schon auf einem echten Feld: Reichweite und Timing werden im Feldtest von Phase 2 gemessen.

Was LoRa kann

LoRa tauscht Tempo gegen Reichweite: Es bringt kurze Nachrichten mit sehr wenig Akku über ein Feld, und sein Signal kommt besser durch Wände und Bäume als WLAN, auch wenn Beton, Metall und Hügel es weiter blockieren. Eine Box, die den Controller nicht erreicht, wird über die anderen Boxen gehört, und die europäischen Regeln begrenzen, wie viel der Zeit jedes Gerät senden darf.

Fünf Felder. Chirps: LoRa sendet jedes Symbol als Ton, der über den Kanal gleitet, und ein Empfänger, der das Muster kennt, kann es sogar unter dem Grundrauschen entschlüsseln, also reicht es mit wenig Strom weit, trägt aber nur kurze Nachrichten. Spreizfaktor: Jede Stufe über SF7 verdoppelt etwa die Sendezeit einer Nachricht, für etwas mehr Reichweite; die Boxen nutzen heute SF7. Reichweite: am größten auf offenem Gelände mit Sichtverbindung, kürzer durch Wald, Menschen und Fahrzeuge, viel kürzer in Gebäuden, und abgeschnitten durch Beton, Metall oder einen Hügel, wo eine Box dazwischen weiterleiten kann; 868 MHz kommt besser durch Hindernisse als WLAN oder Bluetooth auf 2,4 GHz. Die Schätzung aus dem Design von etwa 0,5 bis 2 km auf einem typischen Outdoor-Feld wird im Feldtest von Phase 2 noch gemessen. Weiterleitung: Eine Box außerhalb der Reichweite des Controllers wird über die anderen Boxen gehört, und eine Nachricht wird standardmäßig höchstens zweimal weitergegeben. Regeln in Europa: ein gemeinsamer Spielkanal, standardmäßig 869,525 MHz, der einzige Teil des Bands, der 500 mW und 10 % der Zeit erlaubt, 6 Minuten pro Stunde für jedes Gerät; andere Kanäle erlauben 25 mW und 1 % oder weniger.

Welcher Kanal, und warum 869,525 MHz

Der ganze Verkehr eines Spiels teilt sich einen Kanal. Der Standard, 869,525 MHz, ist die Mitte von 869,4–869,65 MHz, dem einzigen Teil des europäischen 868-MHz-Bands, in dem ein Gerät bis zu 10 % der Zeit mit bis zu 500 mW senden darf. Sonst erlauben die Regeln im Bereich 868–870 MHz 1 % der Zeit (0,1 % auf 868,7–869,2 MHz) mit 25 mW: etwa ein Zehntel der Sendezeit und viel weniger Reichweite. 868,1, 868,3 und 868,5 MHz sind die Standardkanäle von LoRaWAN und oft belegt. Auch der Standard wird geteilt: LoRaWAN-Gateways senden manche Antworten auf 869,525 MHz, und der europäische Standard von Meshtastic nutzt ihn, also kann die Spielleitung in deren Nähe den Controller eine Minute lang jeden erlaubten Kanal abhören und den ruhigsten wählen lassen, einen zufällig ziehen oder von Hand wählen. Die Boxen halten sich dann an die Grenzen des gewählten Kanals.

Funkregionen: Europa und Taiwan

Ein Feld liegt in einer Funkregion, die die Spielleitung einmal in der Konsole wählt. In Europa (EU868) nutzen die Boxen die Kanäle oben. In Taiwan (AS923, 920–925 MHz) geben die Regeln der NCC (LP0002) einem einzelnen Kanal ohne Frequenzsprünge die volle Leistung nur, wenn er mindestens 500 kHz breit ist; dort nutzen die Boxen deshalb LoRa mit 500 kHz (SF9, etwa dieselbe Reichweite wie in Europa), höchstens 0,5 W an der Antenne und standardmäßig 921,5 MHz, abseits der Kanäle von LoRaWAN und Meshtastic. Jede Box, jedes USB-Funkmodem und jedes I/O-Pod ist für eine Region gebaut und lehnt die Kanäle der anderen ab, also sendet eine Box nie außerhalb ihres Bands; die Boxen erfahren die Region des Felds mit jedem Spiel. Die taiwanische Region ist nicht zertifiziert: Ein in Taiwan verkauftes Produkt braucht die Typzulassung der NCC und eine Antenne für 920 MHz. Nichts davon wurde bisher in der Luft getestet.

Ein Protokoll auf jedem Gerät

Skirmesh-RF ist in Schichten aufgebaut, vom Funk bis zur API des Controllers. Eine Field Box führt alles bis zu den Spielmodi aus; ein Controller auf dem Raspberry Pi überlässt die Funkarbeit einem USB-Funkmodem; in Phase 3 macht ein Android-Handy dasselbe mit einem I/O-Pod. Handys im WLAN des Felds brauchen gar keinen LoRa-Funk.

Links die fünf Schichten von Skirmesh-RF von unten nach oben: 1, der LoRa-Funk auf einem gemeinsamen Spielkanal; 2, das Skirmesh-RF-Paket, mit AES-128-CCM-Verschlüsselung unter einem Schlüssel pro Spiel, Epoche und Sequenznummern gegen Wiederholungen, einem Hop-Limit für die Weiterleitung (standardmäßig zwei Weiterleitungen), ACKs, TIME-Signalen und CLAIM für die Übernahme durch einen anderen Controller; 3, die Nachrichten HELLO, EVENT, ACK, STATE, CMD, TIME, CONFIG und CLAIM in CBOR; 4, der gemeinsame C-Kern und die Lua-Spielmodi; 5, die REST-, WebSocket- und MQTT-APIs des Feld-Controllers, GM-Konsole, Anzeigetafel und Beitrittscodes (NFC-Karten für Boxen, QR-Codes für einen Controller in Bereitschaft und, in Phase 3, Handys). Rechts, welche Schichten jedes Gerät ausführt. In Software gebaut und getestet, noch nicht auf einem Feld: die Field Box (Schichten 1 bis 4), das USB-Funkmodem (1 und 2) und der Feld-Controller auf einem Raspberry Pi oder PC (2 bis 5), und die GM-Konsole auf Handys per WLAN, die Schicht 5 ohne LoRa-Funk nutzen. Ebenfalls in Software für Phase 3 gebaut: der I/O-Pod (1 und 2), der einem Android-Handy oder -Tablet (2 bis 4) einen Funk gibt, und die Spieler-App. Geplant: die Satelliten-Box (1 bis 4).