Wireless IoT Für reinen Batteriebetrieb

Die Kommunikationstechnik s-net
Für den Batteriebetrieb optimiert: Kommunikationstechnik s-net

Eine flexible und extrem stromsparende Kommunikation mit Lokalisierungsfähigkeiten hat das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen entwickelt. Mit der s-net genannten Kommunikationstechnik lassen sich vermaschte Funknetze realisieren, mit ausschließlich batteriebetriebenen Funkknoten.

s-net ist eine vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) entwickelte Technik für die extrem energiesparende Funkvernetzung von Objekten. Sie bildete in den letzten Jahren in immer mehr Projekten die Grundlage für die Interaktion zwischen Informationssystemen und der physischen Welt. In solchen cyber-physischen Systemen (CPS) können kontextbewusste Objekte über s-net ihre Anwendungs- und Umgebungssituation erfassen und übertragen, zusammen mit den Nutzern interaktiv beeinflussen und ihr Verhalten je nach Situation gezielt steuern. Die Integration kontextbewusster, vernetzter Gegenstände ebnet dabei den Weg für eine durchgängige Digitalisierung der Prozesssteuerung und damit für das IoT.

Die Funkkommunikationstechnik s-net bietet die kontinuierliche Erreichbarkeit aller Gegenstände über Funk, gepaart mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation und minimalem Energiebedarf.

Vergleich mit anderen Funkstandards

Die Kommunikationstechnik s-net schließt eine Lücke der existierenden Standards dort, wo viele mobile oder batteriebetriebene Funkknoten miteinander vermascht werden oder mit Server-Anwendungen Daten austauschen sollen. Typische Anwendungsgebiete sind Funknetzwerke in größeren Arealen oder funktechnisch schwierigen Umgebungen, bei denen sich der Anwender keine Gedanken über die Ausbringung oder Konfiguration der Netztopologie machen möchte, z.B.

  • flächendeckende sensorische Überwachung, Verbrauchswerterfassung (Smart Metering), mobile Sensorik,
  • lückenlose Auffindbarkeit von Objekten einschließlich sensorischer Überwachung und lokaler Anwendungslogik (Smart Tracking),
  • Steuerung der Produktionsumgebung durch Montageobjekte, Werker-Unterstützungssysteme (Smart Production),
  • Vernetzung von Objekten (IIoT) wie z.B. Behältern, Fachanzeigen.

Das typische Datenaufkommen eines s-net-Funkknotens liegt im Bereich Bytes pro Minute/Stunde/Tag. Damit gehört s-net zur Kategorie der Low Throughput Networks (LTN) mit Multi-Hop-Kommunikation. Folgende Eigenschaften zeichnen s-net aus:

  • Bidirektionale Multi-Hop-Kommunikation, d.h. Weiterleitung der Daten über Zwischenknoten.
  • Dynamischer Aufbau und Selbstorganisation des vermaschten Netzwerkes, um den Aufwand für Konfiguration und Wartung gering zu halten und eine hohe Robustheit zu erreichen.
  • Eindeutige Identifikation von Netzen und Teilnehmern mit bis zu 16.368 Teilnehmern (Knoten) pro Netz.
  • Unterstützung kommerzieller Funk-Transceiver-ICs, um Bauteilkosten niedrig zu halten und mehrere Frequenzbänder – 433 MHz, 868 MHz oder 2,4 GHz – nutzen zu können.
  • Die Reichweite zwischen zwei Knoten beträgt je nach Transceiver-IC, Antenne und Umgebung bis zu 50 m in Gebäuden und 500 m im Freifeld. Durch die Multi-Hop-Kommunikation beschränkt sich die Netzabdeckung nicht auf die Reichweite eines Funkknotens (Funkzelle), sondern kann sich auf Gebäude oder Areale erstrecken, z.B. Werksgelände, Produktionshallen, Innenstadtbereiche.
  • Extrem geringe Stromaufnahme der Funkknoten durch zeitliche Synchronisation des Netzes und Zeitmultiplex-Kommunikation. Dadurch wird ein Batteriebetrieb aller Funkknoten unterstützt, also auch der Knoten, die Informationen anderer Knoten weiterleiten. Werden Daten nur selten, beispielsweise im Stundenintervall, übertragen, lässt sich mit s-net eine durchschnittliche Stromaufnahme von unter 50 µA und somit Batterielaufzeiten von Jahren erreichen.

Energiesparende Funkkommunikation

Die Stromaufnahme eines Funkknotens wird durch seine Sende- und Empfangsvorgänge dominiert. Existierende Standards für Funknetzwerke haben hier Einschränkungen, die verhindern, dass eine Multi-Hop-Kommunikation mit batteriebetriebenen Funkknoten praxistauglich realisiert werden kann. Dafür gibt es mehrere Gründe.

Idle Listening

Das „untätige Zuhören“ ist der Zustand eines Funkknotens, wenn er empfangsbereit den Kommunikationskanal abhört, obwohl keine Kommunikation stattfindet. Dieser Zustand liegt bei nahezu allen asynchronen Zugriffsmethoden nach dem Konkurrenzverfahren (CSMA – Carrier Sense Multiple Access) vor, da ein Empfänger potenziell jederzeit mit Datenpaketen rechnen muss. Solche Verfahren werden bei WLAN, IEEE 802.15.4 im sogenannten Unslotted Mode oder bei Bluetooth Mesh für Funkknoten mit Weiterleitungsmöglichkeiten verwendet. Die typische Stromaufnahme dauerhaft aktiver Empfänger liegt im Bereich etlicher mA, was im Batteriebetrieb eine Betriebsdauer im Bereich von Tagen bedeutet. Bei s-net wurden die Idle-Listening-Zeiten durch die Einführung kurzer Aktivitätszyklen zum Senden und Empfangen reduziert (Bild 1). Damit lassen sich Funkknoten realisieren, die im Batteriebetrieb viele Monate bis Jahre arbeiten, ohne die Batterie wechseln zu müssen.