Funkkommunikation
Mehrere Funktransceiver kombinieren
Ein IoT-Gerät mit mehreren Funk-Transceivern auszurüsten, kann die Anwendung erweitern und neue Funktionen ermöglichen. Doch damit steigen die technischen Herausforderungen. Für einen optimalen Betrieb mehrerer Funktransceiver in einem Gerät sollten Entwickler einige wichtige Aspekte beachten.
Das Internet der Dinge ist so etwas wie ein Sammelbegriff, aber im Kern geht es darum, eine Kommunikationsverbindung zwischen elektronischen Geräten und dem Internet herzustellen. In einem Großteil der Fälle handelt es sich dabei um Funkkommunikation, denn häufig wird die Kommunikationsfunktion zu bestehenden Geräten hinzugefügt, und das Hinzufügen einer Funkverbindung ist um Größenordnungen einfacher als das Hinzufügen einer kabelgebundenen Infrastruktur.
Bei frühen IoT-Anwendungen wurde in der Regel eine einfache Verbindung zwischen einem Gerät und einem anderen System hergestellt. Da die Anwendungen jedoch immer ausgefeilter werden, umfassen sie zunehmend mehrere Funktransceiver.
Gemeinsame Nutzung des Funkspektrums
Jedes Funksystem muss seine Informationen auf einem Teil des Funkspektrums übertragen – und das Problem mit dem Spektrum ist, dass es begrenzt ist und davon nicht mehr erzeugt werden kann! Das bedeutet, dass die Frequenzen unter verschiedenen Nutzern aufgeteilt werden müssen und Regeln für eine »faire Nutzung« gelten. Darüber hinaus hat jeder Teil des Spektrums andere physikalische Eigenschaften, die zu unterschiedlichen Leistungsmerkmalen führen.
Daraus ergibt sich, dass die meisten Funkprotokolle bis zu einem gewissen Grad einen Kompromiss zwischen verschiedenen Leistungsmerkmalen darstellen – wobei in der Regel Reichweite, Durchsatz und Leistungsaufnahme die wichtigsten Messgrößen sind. Innerhalb dieser groben Kategorien gibt es weitere Details wie die Empfindlichkeit des Protokolls gegenüber der Umgebung, Hindernissen und Störungen durch andere Geräte sowie seine physische Größe und der Schaltungsaufbau. Diese Leistungsmerkmale sind entscheidend, damit ein Funktransceiver in der gewünschten Anwendung effektiv funktioniert.
Da es sehr schwierig ist, eine Lösung zu finden, die in allen drei Hauptleistungsmerkmalen optimal ist, enthalten anspruchsvollere IoT-Anwendungen nun oft zwei oder mehr Funktransceiver. Dies führt jedoch zu einer zusätzlichen technischen Komplexität des Entwurfs, da Funksignale von Natur aus allgegenwärtig sind und sich gegenseitig stören können.
Typische Doppelfunkgeräte
Eine der typischsten Doppelfunksysteme ist die Kombination von Wi-Fi und Bluetooth. Diese beiden Funkstandards arbeiten auf demselben 2,4-GHz-Band, obwohl Wi-Fi auch im 5-GHz-Bereich arbeitet. Wi-Fi bietet eine höhere Bandbreite, Bluetooth dagegen, insbesondere in seiner Low-Energy-Variante, ermöglicht eine extrem niedrige Stromaufnahme und eine viel einfachere Ad-hoc-Verbindung. So könnte ein IoT-Gerät einen aktiven BLE-Transceiver haben, um einen Verbindungswunsch zu erkennen, vielleicht sogar anfänglich ein paar Daten austauschen, z. B. für interaktive Verbindungen zum Nutzer eines Smartphones, und dann Wi-Fi einschalten, wenn eine Übertragung von großen Datenmengen erforderlich ist. Dieser Ansatz würde sowohl die Leistungsaufnahme als auch den Datendurchsatz durch eine sinnvolle Verwaltung der Funktransceiver optimieren.
Technische Fragen
Was sind die technischen Probleme bei der Realisierung eines solchen Systems? Da beide Funkstandards in denselben Frequenzbändern arbeiten (Bild 1), ist es im Allgemeinen nicht möglich, beide Transceiver gleichzeitig zu betreiben.
Würden beide einfach so betrieben, käme es häufig zu Kollisionen, wenn beide Funktransceiver versuchen, auf denselben Kanälen zu senden. Innerhalb des gesamten 2,4-GHz-Bandes überträgt Wi-Fi auf Kanälen mit 22 MHz Bandbreite, Bluetooth dagegen verwendet ein Frequenzsprungverfahren über alle oder einige der 79 Kanäle mit 1 MHz oder der wenigen 2-MHz-Kanäle.
In der Praxis bedeutet dies, dass in etwa 1/3 der Zeit mit Kollisionen zu rechnen ist und der parallele Betrieb beider Funktransceiver nicht funktionieren würde. Das Frequenzsprungverfahren von Bluetooth bedeutet, dass es relativ störungsunempfindlich ist, was ein wichtiges Entwicklungsziel ist, aber die WiFi-Verbindung würde mit hoher Wahrscheinlichkeit ausfallen.
Zeitmultiplexing
Die gebräuchlichste Lösung für dieses Problem ist die Verwendung eines zeitbasierten Konkurrenzmechanismus. In einem solchen System hat jeder Funktransceiver einen digitalen »Funk-Aktiv«-Pin, die miteinander verbunden sind. So wartet jeder Funktransceiver einfach, bis der andere seine Übertragung beendet hat, bevor er selbst mit der Übertragung beginnt.
Ein ausgeklügelterer Ansatz besteht darin, eine dritte Leitung für »Bluetooth-Priorität« hinzuzufügen. Mit ihr kann der Bluetooth-Transceiver den Wi-Fi-Transceiver auffordern, mitten in der Übertragung anzuhalten, damit der Bluetooth-Transceiver senden kann. Dies könnte nützlich sein, denn Bluetooth stellt eine eher zeitkritische Verbindung her, da das Protokoll auf Zeitmessung basiert, und Bluetooth wird für die Übertragung latenzempfindlicher Daten wie etwa Audiosignalen eingesetzt.
In einem solchen Szenario können die beiden Funktransceiver dieselbe Antenne verwenden, da immer nur einer von ihnen sendet. Dies erfordert natürlich einen HF-Schalter, um zu entscheiden, welcher Funktransceiver zu einem bestimmten Zeitpunkt sendet und mit der Antenne verbunden wird, was zu einem Verlust an Empfindlichkeit und Signalstärke führt.
- Mehrere Funktransceiver kombinieren
- Gleichzeitige Übertragung von Bluetooth und Wi-Fi