Die Wahl der richtigen Funktechnik

Teil 1: Frequenzbereich, Reichweite und Netzwerkaufbau

28. Februar 2022, 6:00 Uhr | Dan Clement
Die Wahl der richtigen Funktechnik – Teil 1
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Es kann schwierig sein, die richtige Funktechnik für eine bestimmte Anwendung zu wählen. In diesem Beitrag werden wichtige Kriterien beleuchtet, die Entwickler beachten sollten – für Wi-Fi (WLAN), Bluetooth Low Energy (BLE), proprietäre Funknetze und das Green-Power-Protokoll der CSA.

Bei der Wahl einer Funktechnik sind viele Aspekte zu berücksichtigen. Diese Überlegungen hängen oft voneinander ab, da immer wieder Kompromisse eingegangen werden müssen. Da die meisten Funktechniken auf Standards basieren und für bestimmte Anwendungen und Wirtschaftsökosysteme entwickelt wurden, sind sie mit vielen Kompromissen entstanden – optimiert für bestimmte Anwendungen und Interoperabilität.

Im Gegensatz dazu besteht der wesentliche Vorteil eines proprietären Protokolls darin, dass sich das Funkprotokoll weiter optimieren lässt, da Interoperabilität mit einem externen System nicht erforderlich ist. Die Protokoll-Verwaltung (Overhead) und die Sendezeit lassen sich auf die spezifischen Anforderungen der Anwendung minimieren. Proprietäre Funksysteme bieten die größte Flexibilität und sind meist die kostengünstigste Alternative mit der niedrigsten Stromaufnahme.

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Frequenzbereich

Wi-Fi, Bluetooth LE und Zigbee (IEEE 802.15.4) nutzen ein lizenzfreies Spektrum im 2,4-GHz-Band, es ist weltweit lizenzfrei nutzbar. Zusätzlich zu 2,4 GHz verwendet Wi-Fi der neueren Generation auch 5 GHz, um Überlastungen zu vermeiden und mehr Bandbreite bereitzustellen. Einige Länder, z.B. die USA und Deutschland, haben kürzlich ein weiteres Band bei 6 GHz mit noch mehr Bandbreite freigegeben. Andere Regionen auf der ganzen Welt folgen diesem Beispiel, und 6 GHz wird wahrscheinlich zu einem globalen Standard werden.

Technik Lizenziertes Spektrum Frequenz [GHz] Max. Reichweite [m] Max. Durchsatz [bit/s] Typ. Latenz [ms] Strom-aufnahme PHY-Standard Anwendungsbeispiele
Wi-Fi 6E Nein 2,4; 5/6 30–50 10 G 1–20 Hoch 802.11ax Internetzugang
Bluetooth LE Nein 2,4 10–400 1–2 M 6 Niedrig Verschiedene Sensoren, Mensch-Maschine-Schnittstellen, IoT
Zigbee Nein 2,4;
Sub-GHz
100–1000 250 k;
10–100 k
100 Niedrig 802.15.4 Beleuchtung, Smart Meter, Steuerung & Überwachung, IoT
Proprietär Gemischt 2,4;
Sub-GHz
Kurz bis lang bis <2 M Protokoll-spezifisch Gering bis niedrigst Proprietär Smart Meter, elektronische Regaletiketten, IoT, etc.

 

Es gibt regionale Sub-GHz-Bänder für die lizenzfreie Nutzung, aber leider gibt es kein weltweit einheitliches Frequenzband (Bild 1). Übliche Frequenzen sind 433 MHz in mehreren Ländern, 915 MHz in den USA und 868 MHz in Europa. Daher benötigen Hersteller für den weltweiten Vertrieb von funkbasierten IoT-Geräten separate regionale Versionen. Dies ist der Hauptnachteil des lizenzfreien Sub-GHz-Bereichs. Viele Anbieter von Funk-ICs wie Onsemi unterstützen jedoch die Entwicklung einer gemeinsamen Schaltung mit geringfügigen Stücklistenänderungen für die verschiedenen Regionen, sodass die Unterschiede oft minimal sind.

Weltkarte mit den wichtigsten SRD/ISM-Bändern im Sub-GHz-Bereich
Bild 1. Weltweit sind im Sub-GHz-Bereich Bänder lizenzfrei nutzbar, aber leider gibt es kein einheitliches Frequenzband.
© Onsemi

Zigbee unterstützt auch den Betrieb in Sub-GHz-Bändern, aber 2,4 GHz ist heute weiter verbreitet. Die größte Ausnahme ist Großbritannien, wo Zigbee im Sub-GHz-Band für Smart Metering verwendet wird.

Die Nutzung lizenzierter Frequenzen ist ebenfalls üblich, aber in der Regel nur für kritische oder groß angelegte Einsätze. Einige Beispiele umfassen Satellitennetze und Netze für Smart Meter. Auch kommerzielle Notdienste nutzen lizenzierte Bänder. Der Hauptgrund für die Nutzung lizenzierter Frequenzen sind Zuverlässigkeit und der Schutz vor Störungen. Aus diesem Grund nutzen auch Mobiltelefone lizenzierte Frequenzbereiche.

Reichweite

Die Reichweite ist ein kompliziertes Thema, das von vielen Parametern und physikalischen Eigenschaften abhängt, die den Rahmen dieses Beitrags sprengen würden. Im Großen und Ganzen hängt die Reichweite jedoch von folgenden Parametern ab:

  • Physikalische Übertragungseigenschaften der Umgebung (Kommunikationskanal),
  • Ausgangsleistung des sendenden Knotens,
  • Fähigkeit des Empfängers, sehr kleine Signale gegen sein Grundrauschen zu empfangen (Empfindlichkeit),
  • Vorhandensein von Störsignalen und die Fähigkeit des Empfängers, das gestörte Signal zu empfangen,
  • Richtwirkung der Antenne,
  • das Protokoll selbst.

Bei Wi-Fi, Bluetooth LE und Zigbee/802.15.4 sind die physikalischen Eigenschaften des Protokolls bereits auf die jeweilige Anwendung abgestimmt. Das Verständnis der Sendeleistung, der Umgebungsparameter und ihrer Auswirkungen auf das Funksignal, die Antennenparameter und die Empfindlichkeit des Empfängers und seine Robustheit gegenüber Störsignalen liegen jedoch immer noch in der Verantwortung der Systementwickler.

Die Reichweite ist umgekehrt proportional zum Frequenzband. Als Faustregel gilt, dass sich die Reichweite halbiert, wenn sich die Frequenz verdoppelt. Eine Erhöhung der Ausgangsleistung kann helfen, die Reichweite zu vergrößern, aber dies wird irgendwann unpraktisch. Grundsätzlich gibt es eine Grenze dafür, wie mehr Ausgangsleistung dabei helfen kann.

Ein weiterer Parameter, der die Reichweite begrenzt, ist die Datenrate. Wird versucht, Daten mit immer höheren Datenraten zu senden, wird es schwieriger, sie zu empfangen. Ähnlich wie bei der Sprachkommunikation: Wenn schnell gesprochen wird und die Zielperson es nicht versteht, hilft es auch nicht, lauter zu sprechen. Dies ist die grundlegende Prämisse der Informationstheorie in der Kommunikation.

Wenn Frequenzen und Datenraten steigen, müssen Protokolle etwas implementieren, das als MIMO (Multiple Input and Multiple Output) bezeichnet wird. Im Grunde bedeutet dies nur das Aufteilen der Informationen in parallele Nachrichten, wodurch mehr Informationen pro Zeiteinheit übertragen werden. Mit anderen Worten, durch das Senden paralleler Datenströme können mehr Daten gleichzeitig gesendet werden, wodurch sich die Datenrate effektiv erhöht, ohne die Reichweite zu verringern.

Die MIMO-Reihenfolge gibt die Anzahl der parallelen Kanäle an. Ein 4 × 4 MIMO bedeutet, dass es vier Sender und vier Empfänger gibt. Dieser Kompromiss zwischen Datenrate und Entfernung ist einer der Hauptgründe, warum für 5G so viel mehr Funkmasten erforderlich sind. Die 5G-Datenübertragungsraten sind viel höher als bei 4G, und es werden mehr Basisstationen mit MIMO benötigt, um das Netzwerk zu vervollständigen und die erforderliche Leistung bereitzustellen.

Die Besonderheiten proprietärer Protokolle werden durch die Regulierung begrenzt, die für das ausgewählte Band festgelegt sind. So ist in der EU im 868-MHz-Band die Ausgangsleistung auf +14 dBm begrenzt. Es gibt viele einstellbare Protokollparameter wie z.B.:

  • Länge der Präambel und Trainingssequenzen, mit denen der Empfänger auf das ankommende Signal eingestellt wird,
  • Daten- und Protokollnutzlasten,
  • Art der verwendeten Modulation,
  • Bandbreite und Datenrate,
  • Codierung und Fehlerkorrektur.

Diese Liste ist nicht vollständig, enthält jedoch einige der Parameter, die bei der Entwicklung eines proprietären Protokolls erforderlich sind. Aufgrund der möglichen Feinabstimmung ist ein proprietäres Protokoll eine der besten Möglichkeiten, die Stromaufnahme zu minimieren, da alle Parameter einstellbar sind.

Netzwerkaufbau

Mesh oder nicht Mesh, das ist hier die Frage. Diese uralte Diskussion führt bei vielen Entwicklern zu verschiedenen Meinungen. Es gibt einige unausweichliche Aspekte im Zusammenhang mit vermaschten Netzwerken, die vor einer Entscheidung zu berücksichtigen sind. Betrachten wir zunächst nur Bluetooth LE und Zigbee, die beide über Mesh-Funktionen verfügen.

Vermaschtes Netzwerk
Bild 2. Die Struktur eines vermaschten Netzwerks mit Bluetooth LE, auch als Bluetooth mesh bezeichnet.
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Bluetooth LE ist per Definition eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit kurzer Reichweite, und so wird es auch häufig verwendet. In den letzten Jahren hat die Bluetooth SIG jedoch ein Mesh-Protokoll definiert, das sich im Beleuchtungsbereich (Smart Lighting) immer mehr durchsetzt. Es ist u.a. deshalb so beliebt, weil es die direkte Kommunikation mit einem Mobiltelefon und den meisten Gateways ermöglicht.

Vermaschte Netzwerke sollten jedoch nur verwendet werden, wenn ihr Nutzen für einen bestimmten Anwendungsfall erforderlich ist. In einer Fabrik- oder industriellen Umgebung ist ein vermaschtes Netzwerk sehr wünschenswert, da mehr Knoten miteinander verbunden sind und die Vorteile einer erhöhten Zuverlässigkeit und das Fehlen eines zentralen Knotens geschätzt werden. Ein zentraler Knoten würde als kritische Komponente im Fehlerfall das ganze Netzwerk stilllegen. Die Maschen stellen zwar einen großen Vorteil dar, sie bedingen jedoch eine höhere Leistungsaufnahme, da Router-Knoten ständig mit Strom versorgt werden müssen. Ein weiterer Kostenfaktor ist die Latenz. Da die Nachrichten mehrere Knotenpunkte durchlaufen – was als Hops bezeichnet wird –, kann sich die Latenzzeit summieren. In einer Anwendung, die Echtzeitanforderungen erfüllen muss, kann dies zu einem Problem werden.

Ein weiterer, weniger offensichtlicher Vorteil vermaschter Netzwerke ist, dass durch die Maschen die Reichweite eines Netzwerks erhöht wird. Da die Reichweite nicht mehr durch eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung (P2P) eingeschränkt ist, kann ein vermaschtes Netzwerk auf viel größere Entfernungen skaliert werden, als dies mit einer einzelnen P2P-Verbindung möglich wäre. Der Preis liegt wiederum in der Latenzzeit, aber auch jeder Router-Knoten erfordert kompliziertere Software und größere Speicher, um nicht nur den Stack, sondern auch die Routing-Tabelle des Netzwerks zu speichern, was die Kosten erhöht.

Wenn möglich, ist ein Sternnetz (Punkt-zu-Mehrpunkt) am wirtschaftlichsten. Ein Sub-GHz-Sternnetz hat eine größere Reichweite und kann im Vergleich zu einem Mesh-Protokoll mit kurzer Reichweite oft eine wirtschaftlichere Alternative sein. Der Preis ist jedoch ein gewisser Verlust an Robustheit, da es nur einen Routing-Pfad von einem Endknoten zum zentralen Koordinator gibt.

Wi-Fi ist ein wenig anders, weil es hohe Datenübertragungsraten und eine gute Reichweite bietet, aber traditionell ein sternförmiges Netz (P2P) ist. Ein Grund für die größere Reichweite ist, dass die Sendeleistung von Wi-Fi-Netzwerken meist bei etwa +30 dBm (1 W) liegt. Ein Bluetooth-LE- oder Zigbee-Funksystem sendet zwischen 0 und +8 dBm, manchmal bis zu +20 dBm, was aber außer bei Gateways selten vorkommt. Ohne Mesh ist Bluetooth LE in der Regel auf etwa 10 m und Zigbee auf etwa 100 m begrenzt.

Mit der Erweiterung der Wi-Fi-Bänder im 5- und 6-GHz-Band hat sich die Reichweite verringert. Um weiterhin eine hohe Servicequalität zu bieten, wird Wi-Fi ebenfalls um Mesh erweitert, um die Reichweite zu erhöhen. Das Wi-Fi-Mesh-Zertifizierungsprogramm namens EasyMesh garantiert, dass Wi-Fi-Knoten und -Controller verschiedener Hersteller zusammenarbeiten und sich koordinieren können, um eine einheitliche und effiziente Abdeckung zu gewährleisten.

Im zweiten Teil dieses Beitrags werden weitere Überlegungen zur Auswahl der richtigen Funktechnik für ein System untersucht, darunter Stromaufnahme, Koexistenz und Sicherheit.

 

Der Autor

Dan Clement, Onsemi
Dan Clement, Onsemi (On Semiconductor)
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Dan Clement

ist Marketing-Ingenieur in der Solutions-Engineering-Organisation von Onsemi (On Semiconductor), die sich auf Wireless IoT konzentriert. Er begann vor über achtzehn Jahren in der Halbleiterindustrie. Clement war in verschiedenen Positionen mit zunehmender Verantwortung tätig, vom Analog/Mixed-Signal-IC-Entwicklungsingenieur über HF-Applikationsingenieur, Product Marketing Manager und Applications Engineering Manager für die Ultra-Low Power Wireless Business Unit bis hin zum Technical Marketing im Solutions Engineering Team.


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