Für und wider Standardprotokolle bei Sensorknoten-Netzen Sparsam funken

Standardsprotokolle - Bei Funkübertragung kosten Standards Energie
Standardsprotokolle - Bei Funkübertragung kosten Standards Energie

Standards sind angesagt: Die Spezifikationen sind getestet, Produkte verschiedener Hersteller können miteinander kommunizieren und der Kunde begibt sich nicht in eine Abhängigkeit. Ein großer Nachteil bleibt aber: Bei Funkübertragungen kosten Standards Energie. Wenn die knapp ist, gilt es abzuwägen.

Standards haben viele Vorteile. Einige der wichtigsten sind die Interoperabilität mit Produkten anderer Hersteller und damit die Chance, in einen bereits etablierten Markt vorzudringen. Außerdem haben sich bei Standards üblicherweise bereits viele Fachleute Gedanken über Probleme und Fallstricke gemacht und Methoden entwickelt, diese zu vermeiden. Wenn man einen Standard verwendet, kann man im Normalfall davon ausgehen, dass ein Produkt problemlos funktioniert. Des Weiteren gibt es oft schon vorgefertigte Soft- und Hardware, die verwendet werden kann.

Allerdings können Standards auch Nachteile haben. Oft ist ein Standard universell ausgelegt, um einen weiten Anwendungsbereich abdecken zu können. Obwohl eventuell nur ein kleiner Teil der Funktionalität gebraucht wird, muss ein vergleichsweise großer Teil des Standards in Software und Hardware implementiert werden, um die erwünschte Interoperabilität zu erreichen. Je nachdem, wie genau der Standard definiert ist, kann es auch unterschiedliche Auslegungen desselben geben. Ein Beispiel dafür waren die anfänglichen Probleme beim Zusammenschalten mehrerer WLAN Access Points verschiedener Hersteller. Hier gab der WLAN-Standard nicht eindeutig genug vor, wie dieses Problem zu lösen sei. Vor allem, wenn zusätzlich die Verschlüsselung aktiv war (WPA2), konnten Geräte unterschiedlicher Hersteller nur noch sehr bedingt miteinander kommunizieren. Diese Situation hat sich inzwischen glücklicherweise verbessert und viele der Lücken im ursprünglichen Standard wurden geschlossen.

Neue Low-Power-Standards

Ein recht junger Bereich ist die Low-Power-Funkkommunikation. Hier werden entweder vorhandene Standards benutzt oder es entstehen neue Standards, z.B. Bluetooth mit Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) oder auch das auf der Norm IEEE 802.15.4 aufbauende ZigBee. Sobald man die Grenzsituationen der Anwendungen betrachtet, kann die Verwendung dieser Standard-Protokolle aber auch nachteilig sein. Eine Herausforderung für viele Protokolle ist zum Beispiel immer noch die Stromaufnahme.

Zum Verständnis, warum gerade der Funkteil im Punkt Energiebedarf so genau betrachtet werden muss, sollte man sich zunächst ein System ansehen, in dem Energie ein kritischer Faktor ist; ein Sensorknoten ist ein typischer Anwendungsfall für ein solches System. Hier muss aus verschiedenen Gründen energiesparend gearbeitet werden. Je nach Anwendungsfall kann es sein, dass sehr viele Knoten angeschlossen werden, um z.B. eine großflächige Überwachung einer Messgröße aufzubauen. Alternativ ist es auch möglich, dass so ein Knoten aus einer Batterie betrieben wird oder sich gar aus seiner Umgebung per Energy Harvesting versorgt. Um den Verkabelungsaufwand zu verringern, wird vorzugsweise Funk eingesetzt.

Bild 1 zeigt eine typische Grundstruktur eines Sensorknotensystems mit Beispielwerten für den Stromverbrauch der einzelnen Komponenten. Als Energiequelle ist hier eine Harvesting-Quelle dargestellt. Solche Quellen liefern in der Regel nur wenig Energie. Die Energie muss daher meist gesammelt und gut eingeteilt werden. Der größte Verbraucher ist eindeutig der Funkteil. Bei diesem hängt der Verbrauch vor allem von der Zeit ab, in der empfangen oder gesendet wird, und damit maßgeblich von dem verwendeten Protokoll.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der vom Protokoll beeinflusst wird, sind die Zeiten, in denen der Funkteil komplett deaktiviert werden kann. Sind für das verwendete Funkprotokoll spezielle Verwaltungsinformationen zum Halten der Verbindung nötig, muss der Funkteil regelmäßig aktiviert werden. Soll der Knoten sogar ständig erreichbar sein, entfallen die Ruhephasen ganz.