Funk-Anwendungen des Internets der Dinge unter Verwendung des Sub-1GHz-Frequenzbandes verbinden

Funk-Anwendungen des Internets der Dinge unter Verwendung des Sub-1GHz-Frequenzbandes verbinden

 

Von Magnus Pedersen, Direktor, Atmel

Die Verwendung von drahtloser Datenkommunikation mit niedriger Leistungsaufnahme hat sämtliche Bereiche unseres vielbeschäftigten Lebens durchdrungen. Drahtlos gesteuertes Spielzeug, Babyüberwachungssysteme, automatisierte Haushaltsanwendungen: Viele dieser Designs nutzen das 2,4-GHz-Radiofrequenzspektrum und fallen so unter den IEEE 802.15.4 Standard. Dieser Standard wurde zur Unterstützung der zahlreichen Anwendungen, die kurze Reichweiten und niedrige Datenübertragungsraten benötigen entwickelt. Im Gegensatz zu WLAN und Bluetooth, zielt dieser Standard auf Produkte mit extrem niedrigem Energieverbrauch und einer mehrjährigen Lebensdauer ohne Wartung, die allein mit einer Batterie betrieben werden können.

Auch als ISM-Band (industrial, scientific and medical) bezeichnet, ist dieser spezielle Bereich des Frequenzspektrums mittlerweile vollkommen ausgelastet. Da dieser Bereich ebenfalls von Mikrowellenherden, WLAN-Routern und Bluetooth-basierenden Headsets genutzt wird, werden zunehmend weitere Frequenzen benötigt, um dem wachsenden Bedarf an zuverlässigen Funkverbindungen und Datenübermittlungsmöglichkeiten nachkommen zu können. Während die Verbindungsprotokolle mithilfe von Kanalumschaltung oder Bandbreitenspreizverfahren sehr Widerstandsfähig gegen Interferenzen ausgelegt wurden, können diese Verfahren jedoch die Datenübertragungsraten beeinflussen.

Als der erste IEEE 802.15.4 Standard im Jahr 2003 festgelegt wurde, ließen die Spezifikation 16 Kanäle bei 2,4 GHz, einen Kanal bei 868 MHz und 10 Kanäle innerhalb des 928-MHz-Frequenzbandes zu. Die jüngste Aktualisierung des Standards führte eine Erweiterung der Anzahl aller verfügbaren Sub-1GHz-Kanäle mit sich. Zunächst gilt dieser Standard nur für Europa und Nordamerika, wo die Anzahl der neuen Kanäle auf 3 Kanäle in Europa und 30 Kanäle in Nordamerika erhöht wurde.

Die neueste Version des IEEE 802.15.4 Standards bietet ebenfalls Unterstützung für zusätzliche Sub-1GHz-Bänder in China (779-787 MHz) und Japan (915-930MHz). Neben der Bereitstellung weiterer weniger überlasteten Frequenzbereichen für ISM-Anwendungen, bietet die Verwendung der 769-935 MHz-Frequenzen zuverlässigere Ausbreitungsmerkmale in Gebäuden und ist daher ideal für Anwendungen in Smart Metering, industriellen Beleuchtung und Umweltkontrollen. Jüngste Fortschritte bei den Modulationsverfahren des 802.15.4 Übertragungsprotokolls haben die Datenübertragungsraten von 20/40 KB/s auf 100 KB/s und 250 KB/s erhöht.

Die neuen drahtlosen Transceiver-ICs, wie beispielsweise das AT86RF212B von Atmel, führen die Entwicklung von Sub-GHz-Anwendungen weiter. Dieser 769–935 MHz-Transceiver mit niedriger Spannung und geringer Leistungsaufnahme wurde speziell für ZigBee/802.15.4, 6LoWPAN und ISM-Hochgeschwindigkeitsanwendungen konzipiert. Da bereits eine komplette SPI-Antennenlösung integriert wurde, beschränken sich die erforderlichen externen Komponenten auf die Glättungskondensatoren, einen Quarz und eine Antenne. Die analoge Funktechnik, digitale Modulation/Demodulation und Datenpufferung erfolgt direkt auf dem Chip. Der Transceiver verfügt außerdem über ein integriertes 128-Bit-AES-Verschlüsselungsmodul, das eine 16-Byte-Verschlüsselung innerhalb von 24 us erstellt.

 

 

Abbildung 1: Blockschaltplan des AT86RF212B – Sendeempfängers mit Einzelchip von Atmel

TX Power	TX Power
Voltage Regulator	Voltage Regulator
Configuration Registers	Configuration Registers
Mixer	Mixer
SPI (slave)	SPI (slave)
Frequency synthesis	Frequency synthesis
TRX Buffer	TRX Buffer
Control Logic	Control Logic
Analog domain Digital domain	Analog domain Digital domain

 

Neben der Unterstützung von aktuellen IEEE 802.15.4 Modulationssystemen, unterstützt der AT86RF212B auch proprietäre Datenübertragungsraten von bis zu 1.000 KB/s, ermöglicht daurch hochgeschwindigkeits ISM-Anwendungen.

Wie bei allen drahtlosen Designs, ist sowohl die HF-Leistung im Bereich der Empfängerempfindlichkeit als auch der Sendeleistung von entscheidender Bedeutung. Unter Berücksichtigung der beiden Parameter, definiert das „Link-Budget“ die Reichweite und Stabilität eines drahtlosen Systems. Je höher das Link-Budget, desto höher die maximale Reichweite; die zusätzliche Spanne verhilft zu einer stabileren Kontaktaufnahme. Das Link-Budget ist der dynamische Bereich zwischen der Empfindlichkeit des Empfängers und der Ausgangsleistung des Senders. Zum Beispiel hat der Atmel AT86RF212B Transceiver eine Empfangsempfindlichkeit von –110 dBm und eine Sendausgangsleistung von +10 dBm, sodass sein Link-Budget 120 dB beträgt. Ein weiterer Aspekt der Link-Budget-Metrik ist die Beeinflussung der Empfängerempfindlichkeit durch Datenübertragungsraten und Taktfrequenzen. Auch wenn die Empfindlichkeit für die Verwendung auf kurzer Entfernung nicht unbedingt von Bedeutung ist, kann sie doch Auswirkungen auf Designs haben, die so ausgelegt sind, dass sie den Anforderungen von Systemen in rauen Umgebungen entsprechen und jahrelangen wartungsfreien Betrieb mit nur einer Batterie erlauben. Beispiele hierfür sind unter anderem Gas- und Wasserzähler, industrielle Beleuchtungssteuerungen, Umweltüberwachungsmethoden und andere proprietäre Systeme mit bis zu 1000 KB/s. Die Auswahl der richtigen Datenübertragungsrate für das Design wirkt sich ebenfalls auf die Reichweite und den Stromverbrauch aus. Senkt man zum Beispiel eine Datenübertragungsrate von 1.000 Kbit/s auf 20 Kbit/s, dann kann die Reichweite um einen Faktor von 6x erhöht werden. Durch die Verringerung der Frequenz von 2.400 MHz auf 915 MHz, kann die Reichweite um den Faktor 2,6 erhöht werden.

Frequency band	Frequenzband
TX Power	TX-Leistung
Modulation	Modulation
Data Rate	Datenübertragungsrate
Sensitivity	Empfindlichkeit
Link budget	Link-Budget
Free space range	Freiraum-Reichweite
Unit	Einheit

 

Abbildung 2: Freiraum-Reichweite gegenüber Frequenz

Während das Hinzufügen einer externen Frontend-Stufe zu höheren Reichweiten und verstärkter Stabilität der Verbindung führt, erhöht sich aber gleichzeitig der Energieverbrauch. Daher sollte kontrolliert werden, in wie weit diese potentiellen Anwendungen und Einsatzbereiche sich während der eigentlichen Anwendung verwirklichen lassen. Weitere Steuerungskomponenten können zur Integration der Steuerung in den von Ihnen gewählten Transceiver notwendig sein. Der Atmel AT86RF212 zum Beispiel stellt die notwendigen Logiksignale zum Zweck der automatischen Steuerung eines externen HF-Frontend ohne die Notwendigkeit einer Firmware bereit.

Bei der Umstellung auf intelligente Verbrauchsmessungen, die innerhalb eines Gebäudes an beliebigen Stellen installiert werden kann, muss jedoch die Antennenposition des Systems berücksichtigt werden. Funksignale benötigen mehrere Pfade, und wie wir alle von unseren Erfahrungen mit WLAN gelernt haben, stellt der Gebrauch innerhalb eines Gebäudes vielerlei Herausforderungen dar. Die Signale nehmen oftmals mehrere Wege, bevor sie schließlich empfangen werden können. Jede dieser Reflektionen kann Phasenverschiebungen, zeitliche Verzögerungen, Dämpfungen und sogar Verzerrungen herbeiführen, wodurch es zu Störungen an der Apertur der Empfangsantenne kommen kann. Antennen-Diversity, bei der mehr als eine Antenne für den Empfang der Signale verwendet wird, ist besonders effektiv, Situationen der Reflektionen zu minimieren, da dem Empfänger durch die Nutzung mehrerer Antennen verschiedene Beobachtungsmöglichkeiten des gleichen Signals geboten werden. Jede Antenne erfährt dabei eine unterschiedliche Störungsumgebung. Wenn das Signal einer Antenne zunehmend schwächer wird, ist es wahrscheinlich, dass eine andere Antenne über ein ausreichendes Signal verfügt. Die Antennen eines solchen Systems bieten zusammen eine stabile Verbindung. Das AT86RF212B-Modul zum Beispiel verwendet zwei Antennen, um den zuverlässigsten HF-Signalweg wählen zu können. Dies geschieht im Vorfeld durch den Funk-Transceiver während der Suche ohne jegliche Interaktion mit der Anwendungssoftware.

 

Abbildung 3: Antennen-Diversity steigert die Zuverlässigkeit

Receive signal strength	Empfangssignalstärke
position	Position

 

Viele Entwicklungen des Internets der Dinge (IOT), sind batteriebetrieben und in den meisten Fällen sogar nur von einer einzigen Batterie. Die intelligenten Energie- und Gebäudesteuerungen benötigen wandmontierte Sensoren und ein extrem niedriger Energieverbrauch ist von grundlegender Bedeutung, damit ein Produkt die Akzeptanz unter Verbrauchern und innerhalb der Branche gewinnt. Entwickler müssen den gesamten Energiehaushalt sorgfältig profilieren und sämtliche Vorteile der Energiesparmodi des Host-Microcontrollers und des drahtlosen Sender/Empfänger voll ausnutzen. Das AT86RF212B-Modul verbraucht im Ruhemodus 0,2 uA, im Ein-Zustand des Empfängers/Senders 9,2 mA und 18 mA beim Senden mit 5 dBm.

Vor dem Beginn eines neuen IOT-Designs, müssen die Ingenieure sorgfältig alle erwarteten Gebrauchsvorkommnisse überprüfen und einen geeigneten drahtlosen Transceiver wählen. Während viele technische Überlegungen anstehen, müssen Entwickler auch sämtliche eventuell verfügbaren Tools in Erwägung ziehen, um eine schnellere Entwicklung zu ermöglichen.

Speziell unter dem Gesichtspunkt der Funkanwendung, sind Tools, die den Energieverbrauch analysieren und zusammen mit der Bibliothekskennung des Host-MCU Fehlerprüfungen durchführen, eine große Hilfestellung in der Entwicklung des Designs. Für die intelligente Verbrauchsmessung und andere Mesh-basierte Anwendungen, ist die Verfügbarkeit von untergeordneten IEEE802.15.4 MAC-Treibern und ein Mesh-Netzwerk-Stack von wesentlicher Bedeutung. Ein gut unterstützter drahtloser Transceiver sollte ebenfalls über eine Entwicklungs- oder Evaluationsplattform verfügen, auf der Prototypen kurzfristig getestet und vor der Fertigstellung des Designs von eventuellen Fehlern befreit werden können.

Viele Entwicklungen des Internets der Dinge (IOT), sind batteriebetrieben und in den meisten Fällen sogar nur von einer einzigen Batterie. Die intelligenten Energie- und Gebäudesteuerungen benötigen wandmontierte Sensoren und ein extrem niedriger Energieverbrauch ist von grundlegender Bedeutung, damit ein Produkt die Akzeptanz unter Verbrauchern und innerhalb der Branche gewinnt. Entwickler müssen den gesamten Energiehaushalt sorgfältig profilieren und sämtliche Vorteile der Energiesparmodi des Host-Microcontrollers und des drahtlosen Sender/Empfänger voll ausnutzen. Das AT86RF212B-Modul verbraucht im Ruhemodus 0,2 uA, im Ein-Zustand des Empfängers/Senders 9,2 mA und 18 mA beim Senden mit 5 dBm.

Vor dem Beginn eines neuen IOT-Designs, müssen die Ingenieure sorgfältig alle erwarteten Gebrauchsvorkommnisse überprüfen und einen geeigneten drahtlosen Transceiver wählen. Während viele technische Überlegungen anstehen, müssen Entwickler auch sämtliche eventuell verfügbaren Tools in Erwägung ziehen, um eine schnellere Entwicklung zu ermöglichen.

Speziell unter dem Gesichtspunkt der Funkanwendung, sind Tools, die den Energieverbrauch analysieren und zusammen mit der Bibliothekskennung des Host-MCU Fehlerprüfungen durchführen, eine große Hilfestellung in der Entwicklung des Designs. Für die intelligente Verbrauchsmessung und andere Mesh-basierte Anwendungen, ist die Verfügbarkeit von untergeordneten IEEE802.15.4 MAC-Treibern und ein Mesh-Netzwerk-Stack von wesentlicher Bedeutung. Ein gut unterstützter drahtloser Transceiver sollte ebenfalls über eine Entwicklungs- oder Evaluationsplattform verfügen, auf der Prototypen kurzfristig getestet und vor der Fertigstellung des Designs von eventuellen Fehlern befreit werden können.