MQTT, a suitable protocol for GNSS data transmission

Abstract

Aktuell gibt es mehrere Methoden, wie Global Navigation Satellite System (GNSS) Datenströme einzelner Referenzstationen, sogenannten CORS, verteilt werden können. Für die Verteilung solcher Ströme innerhalb eines geschlossenen lokalen Netzwerkes, dem Local Area Network (LAN), reicht die Übertragung via Transmission Control Protocol (TCP). Möchte man derartige Datenströme über ein offenes Netzwerk, das Wide Area Network (WAN), verteilen, benötigt man ein Übertragungsprotokoll mit mehr oder weniger komplexen Sicherheitsmethoden, wie zum Beispiel Authentifizierung und Autorisierung. Das Protokoll Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (Ntrip) erfüllt diese Ansprüche und gilt bereits seit Jahrzehnten als der de facto Standard für die Übertragung von GNSS Datenströmen. Aufgrund der Versionsdefinitionen von Ntrip, Version 1.0 beziehungsweise 2.0, stellen diese Protokolle eine weitere Überlagerung auf dem Protokoll HTTP Version 0.9 beziehungsweise 1.1 dar, welche ausschließlich von einem speziell dafür zugeschnittenen ’Client’ verarbeitet werden können. Zu berücksichtigen ist, dass HTTP für die Übertragung von abgeschlossenen Inhalten konzipiert wurde. Binäre Datenströme können hiermit zweifelsohne übertragen werden, generell vorgesehen war es hierfür allerdings nicht. Hierfür gibt es Protokolle, die eigens für die Kommunikation zwischen Maschinen (M2M) definiert wurden. Zu solchen Protokollen zählen das Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) und das Advanced Message Queuing Protocol (AMQP). Im Vergleich zu HTTP besitzen diese einen einfacheren und kürzeren ’Header’ und zusätzliche Funktionalität wie ’Delivery Guarantee’, wodurch weniger Metadaten und Energie für MQTT benötigt werden. Diese Vorteile werden erst bei der entsprechenden Skalierung schlagend. Die Arbeit befasst sich mit der Implementierung und Evaluierung eines Prototypes, mit dem MQTT und Ntrip verglichen werden können. Dabei werden vier Aspekte beleuchtet: Die Latenz des übertragenen GNSS Datenstroms, die für die Übertragung benötigten Systemressourcen, die Schnelligkeit und Genauigkeit der erzielten Positionierung, sowie die Datenübertragungsrate. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass sich MQTT bzw. AMQP bestens für die Übertragung von GNSS Daten, zu einem oder beliebig vielen Endnutzern, eignen.

Currently, the common ways to distribute Global Navigation Satellite System (GNSS) data from a reference station, a so called CORS, are the protocols Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (Ntrip) and Transmission Control Protocol (TCP). Using TCP will be the adequate choice if the GNSS data source and their consumers are in the same Local Area Network (LAN). If data should be provided over the internet, the Wide Area Network (WAN), Ntrip will be the better choice. This protocol has simple security features such as authentication and authorization of connected clients and has been considered as the quasi-standard for GNSS data transmission for decades. As a matter of fact Ntrip version 1.0 respectively, version 2.0 are further abstractions over Hypertext Transfer Protocol (HTTP), version 0.9 respectively, version 1.1 which need a special client which is able to handle this protocol. Furthermore, its main design focuses on transmitting documents like websites instead of continuously streamed binary data. Using a protocol that is more suitable for Machine to Machine (M2M) transmission will improve the provision of GNSS data over the network. Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) or Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) are open and reliable protocols that meet this requirement. They have some advantages over Ntrip like a smaller header, delivery guarantees and a security layer to data transmission. Compared to Ntrip and due to its short header and high throughput, especially MQTT will reduce hardware resources to transfer the same amount of data and make it also more energy efficient. This thesis will mainly focus on the implementation and evaluation of a prototype to compare MQTT and Ntrip from four points of view: the latency of the delivered GNSS data, the system resources used for transmission, the position accuracy and fixing time of a connected GNSS receiver and the data transfer rate. Therefore, a suitable test scenario must be designed and implemented. In summary, the thesis deals with the question if MQTT is a suitable choice for the efficient distribution of GNSS data from one end point to one or many others.