ISSCC 2014 IEEE802.15.6-Low-Power-Transceiver für medizinische Anwendungen

Das zum belgischen Forschungszentrum IMEC gehörige Holst Centre hat zusammen mit Fujitsu Laboratories einen Transceiver entwickelt, der 802.15.6-konform ist, extrem wenig Leistung aufnimmt und dessen Datenübertragungsrate zwischen 11 KBit/s und 4,5 MBit/s skalierbar ist.

Mit der Neuentwicklung hat IMEC gleich drei Faktoren erfüllt, die im BAN-Bereich (BAN = Body Area Network) von entscheidender Bedeutung sind: Erstens ist der Transceiver IEEE802.15.6-konform (MICS-Band: 402 bis 405 MHz), zweitens unterstützt er einen eigenen Low-Power- sowie einen High-Speed-Modus und drittens zeichnet er sich durch eine sehr niedrige Leistungsaufnahme aus.

Der erste Punkt ist wichtig, weil mit dem IEEE802.15.6-Standard für drahtlose Body Area Networks ein weltweiter Standard zur Verfügung, was einerseits eine Interoperabilität gewährleistet, andererseits aber auch Kostenvorteile dank einer möglichen Massenfertigung verspricht. Darüber hinaus gilt der Standard als weniger störanfällig, so dass es zu keinen Interferenzen mit anderen Geräten kommt.

 

Die Leistungsaufnahme ist offensichtlich von hoher Bedeutung, denn bei einem implantierten Sensor verbietet sich ein häufiger Batteriewechsel von selbst. Und nachdem das Radio der größte Verbraucher in einem Sensorknoten darstellt, wirken sich dort erreichte Einsparungen besonders positiv aus. Harmke de Groot, Program Director ULP Circuits and Devices beim Holst Centre, erklärt: »Auf das Radio entfallen typischerweise zwischen 50 und 85 Prozent der Leistungsaufnahme, vorausgesetzt, dass kein Display im Sensorknoten steckt.« Das sei auch der Grund, warum bislang zum Großteil proprietäre Lösungen in diesem Bereich eingesetzt wurden, weil sie sich einfach durch die niedrigste Leistungsaufnahme ausgezeichnet haben.

Jetzt stehe aber eine Standard-konforme Lösung zur Verfügung, die selbst die besten proprietären Ansätze in Bezug auf die Leistungsaufnahme noch schlagen kann.

So hat es das Forschungsinstitut geschafft, mithilfe von Architektur- und Schaltungsoptimierungen die Leistungsaufnahme des Frontends auf 1,6 mW im Empfangsmodus und 1,8 mW im Sendemodus abzusenken. Um die Leistungsaufnahme so weit abzusenken, hat das IMEC auf eine maximal mögliche Vereinfachung der Architektur gesetzt. So wurde beispielsweise anstatt eines leistungshungrigen Mixers auf eine PLL-Schaltung mit Zweipunktmodulation (für FM/PM) und einen Leistungsverstärker mit Direktmodulation (AM) gesetzt. Der Transceiver zeichnet sich aber noch durch eine weitere Besonderheit aus, denn er unterstützt neben den 802.15.6-Modi noch zwei zusätzliche Modi: High-Speed- und Low-Power-Modus. Im ersten Fall beläuft sich die Datenrate auf 4,5 MBit/s, so dass die Datenübertragungsrate beispielsweise auch für eine EEG-Applikation ausreicht. Im Low-Power-Modus wiederum sinkt die Übertragungsrate auf 11,7 KBit/s, wodurch die Leistungsaufnahme noch einmal deutlich sinkt.

Gleichzeitig hat das IMEC eine hohe Empfindlichkeit realisiert. De Groot beziffert die Empfindlichkeit im Empfangsmodus mit -95 dBm (Low-Power-Modus) respektive -83 dBm (High-Speed-Modus). Die Ausgangsleistung liegt in allen Modi unter den geforderten -16 dBm.

Der Entwicklungspartner, Fujitsu Laboratories, will dieses Design als generelle Transceiver-Plattform einsetzen und damit nicht nur medizinische Anwendungen sondern auch Bereiche beispielsweise in der Landwirtschaft, oder für Überwachungssysteme etc. nutzen.

Mit diesem Transceiver beweist das IMEC abermals, dass es im Bereich der drahtlosen Kommunikation über viel Know-how verfügt und hier technologisch gesehen an vorderster Front mitspielt. Schaut man sich jetzt noch die Marktanalyse von ABI Research an, die besagt, dass aus den derzeit rund 1,7 Mrd. Short-Range-Radios bis zum Jahr 2020 auf 10,7 Mrd. Funklösungen werden sollen, dann kann sich das IMEC wahrscheinlich über großes Interesse an dem Transceiver seitens der Industrie freuen. De Groot abschließend: »Unser Transceiver erreicht mit seiner Übertragungsrate von 4,5 MBit/s nicht nur die höchste Übertragungsrate, sondern mit 0,51 nJ/Bit im Sendemodus und 0,49 nJ/Bit im Empfandsmodus auch noch die höchste Energieeffizienz.«