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Welche Funktechnik für Wireless-Netze?
Bis zum Jahr 2020 sollen an die 50 Milliarden Geräte drahtlos kommunizieren. Laut der GSM Alliance werden dabei nur ein Viertel dieser Geräte Handys, Smartphones und PCs sein. Den Rest bilden autonom vernetzte Geräte, die ohne Benutzer-Interaktion mit anderen Einrichtungen oder Maschinen kommunizieren. Das Internet, wie wir es heute kennen, entwickelt sich rasch zu einem Web der vernetzten Wireless-Geräte - zum Internet der Dinge.
Die Möglichkeiten zur drahtlosen Anbindung von Geräten sind vielfältig. Zu den beliebtesten zählen WiFi, Bluetooth, ZigBee und proprietäre Funksysteme auf Basis von Sub-GHz-Techniken. Jede Funktechnik hat ihre eigenen Stärken und Schwächen, die in der Vielzahl bestehender Funksysteme nebeneinander bestehen müssen.
Einer der wichtigsten Treiber hinter dem Internet der Dinge ist das Aufkommen stromsparender Funksensoren. Diese Bausteine finden sich zunehmend in Anwendungen wie in Smart-Metering-Konzepten, im Transportwesen, in Sicherheitssystemen, in der Fernüberwachung und in der Gebäudeautomatisierung. Bei Funksensoren kommt es auf Skalierbarkeit, Reichweite, Ruhestrom und Zuverlässigkeit an. Die Anforderungen einzelner Endknoten an die Datenrate können dabei zwar relativ gering sein - die Echtzeitübertragung in großen Netzwerken aber kann zusammengefasst sehr hohe Datenmengen (Schlagwort „Big Data“) erreichen.
Wesentliche Voraussetzungen für Funksensor-Netzwerke
Skalierbarkeit ist in Funksensor-Netzwerken entscheidend. Ein einzelner Sensor kann Status-Updates zum Beispiel nur einmal pro s bereitstellen und dabei jedes Mal nur wenige Byte übertragen. Aber ein einzelnes Gebäude kann mit Zehntausenden von Sensorknoten ausgestattet sein. Das Hotel Aria in Las Vegas (Bild 1) ist dazu ein beeindruckendes Beispiel: mehr als 70.000 Knoten kommunizieren über ein ZigBee-Maschennetzwerk, um die Beleuchtung, Klimaanlage und viele andere Einrichtungen im Gebäude zu steuern.
In vielen Fällen sind Sensoren an Orten erforderlich, an denen eine direkte Verbindung zum Stromnetz unpraktisch wäre und ein Batteriebetrieb die einzige Wahl ist. Dafür wird eine robuste Netzwerkarchitektur benötigt, die große Mengen gesammelter Daten verarbeitet aber auch keine übermäßig hohe Stromaufnahme an den Sensorknoten verursacht.
Die Kombination aus Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Energieeffizienz stellt hohe Anforderungen an die Kommunikationstechnik, mit der Funksensorknoten ausgestattet werden. Systemintegratoren müssen nicht nur die Stärken und Schwächen der gewählten Topologien und Funkprotokolle prüfen, sondern auch die zugrunde liegenden physikalischen Eigenschaften der Funktechnik an sich. Betonwände und Mehrwege-Fading sind problematisch für jedes Funksystem; es gibt aber Möglichkeiten, deren Auswirkungen zu mildern. Erschwerend kommt noch hinzu, dass verschiedene Länder ihre eigenen Regeln bezüglich des Funkspektrums und der nutzbaren Frequenzen festgeschrieben haben.
Glücklicherweise wurde das unlizenzierte Frequenzband 2,4 GHz weltweit freigegeben. Damit ist das Design von Funksystemen möglich, die in allen großen Märkten weltweit betrieben werden können. WiFi ist zum Beispiel eine allgegenwärtige Kommunikationstechnik, die auf dem 2,4-GHz-Band basiert. WiFi überträgt schnell große Datenmengen zwischen zwei Punkten, erfordert aber relativ viel Versorgungsleistung und ist praktisch auf 15 bis 32 Knoten pro Zugriffspunkt (Sternkonfiguration) beschränkt. Bluetooth ist eine weitere 2,4-GHz-Technologie, die für tragbare Geräte optimiert wurde - aber vornehmlich als Punkt-zu-Punkt-Kabelersatz entwickelt wurde, der nicht mehr als zehn Knoten verwalten kann. ZigBee teilt sich das gleiche Funkspektrum wie Bluetooth und WiFi, wurde aber von Anfang an für die einzigartigen Bedürfnisse stromsparender Funksensorknoten entwickelt. Die Tabelle fasst die wesentlichen Leistungsmerkmale dieser gängigen Funknetzwerktechniken zusammen.
| Parameter | ZigBee | Sub-GHz | WiFi | Bluetooth |
|---|---|---|---|---|
| Physical Layer | 802.15.4 | Proprietär/802.15.4g | 802.11 | 802.15.1 |
| Anwendung | Monitoring/Regelung | Monitoring/Regelung | Web, Mail, Video | Kabel-Alternative |
| Batterie-Lebensdauer (Tage) | 100...>1.000 | >1.000 | 0,5...5 | 1...7 |
| Netzwerk-Größe (Anzahl) | 100...1.000 | 10 bis 100 | 32 | 7 |
| Übertragungsrate (kbit/s) | 20...250 | 0,5...1.000 | >11.000 | 720 |
| Reichweite (m) | 1...>100 | 1...>7.000 | 1...>30 | 1...>10 |
| Netzwerk-Architektur | Maschen | Punkt-Punkt/Stern | Stern | Stern |
| Optimierung für | Zuverlässigkeit, Stromersparnis, Preis, Skalierbarkeit | Reichweite, Stromersparnis, Preis | Geschwindigkeit | Preis, einfache Anwendung |
| Produkte von Silicon Labs | Ember ZigBee EM35x | EZRadio, EZRadioPRO, Si10xx Wireless MCUs | - | - |
Parameter verschiedener Funknetzwerk-Architekturen
- Welche Funktechnik für Wireless-Netze?
- ZigBee als optimale Lösung für Funk-Maschennetzwerke
- Sub-GHz: ideal für weitreichende und stromsparende Kommunikation
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