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Welche Funktechnik für Wireless-Netze?

13. November 2013, 12:53 Uhr | Von Greg Fyke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Sub-GHz: ideal für weitreichende und stromsparende Kommunikation

Die Funkreichweite verhält sich umgekehrt proportional zur Frequenz: Im Kampf um geringe Stromaufnahme, hohe Reichweite oder einfach nur um die Fähigkeit, durch Wände hindurch zu übertragen, ist der Sub-GHz-Funk (unter 1.000 MHz) unschlagbar. Für viele Anwendungen sind 433 MHz eine praktikable, weltweite Alternative zu 2,4 GHz, obwohl die Frequenz in Japan nicht für drahtlose Anwendungen zugelassen ist. Designs auf Basis von 868 und 915 MHz können in den USA bzw. Europa betrieben werden. Für Systemintegratoren steht eine Vielzahl unlizenzierter und lizenzierter Bänder zur Verfügung, was eine sorgfältige Abwägung zwischen optimaler Leistungsfähigkeit in einer bestimmten Region und einem Systemdesign mit breiter geografischer Anwendung ermöglicht. Eine Folge dieser Vielfalt ist, dass Sub-GHz-Bänder weniger spektrale Verschmutzung aufweisen als 2,4 GHz. Weniger Störeinflüsse verbessern die gesamte Netzwerk-Performance, da sich die Anzahl wiederholter Übertragungsversuche bis zum Abschluss einer Transaktion verringert.

Third-Party- und standardbasierte Netzwerk-Stacks sind nun für Sub-GHz-Funk erhältlich, aber viele Anbieter entscheiden sich immer noch für eine proprietäre Lösung, um ihre spezifischen Anforderungen erfüllen zu können. Eine Herausforderung bei vielen Funkprotokollen ist, dass sie von der Schnittstelle verlangen, dauerhaft aktiv zu sein, um nach Daten auf dem Netzwerk „Ausschau zu halten“. Obwohl die Datensendung mehr Momentanleistung verbraucht als der Datenempfang, ist die durchschnittliche Leistungsaufnahme eines Senders langfristig wesentlich geringer, da die Übertragungen kurz und durch lange Intervalle getrennt sind. Bei vielen Funkprotokollen weiß der Empfänger nicht, wann eine Nachricht für ihn vorliegt. Der Empfänger muss also dauernd aktiv bleiben, um sicherzustellen, dass er keine Datensendung versäumt. Somit kann er nicht komplett abgeschaltet werden, um Energie zu sparen - selbst wenn er nichts zu tun hat. Dieses Szenario kann die Batterieautonomie eines Knotens drastisch einschränken und ein häufigeres Austauschen oder Aufladen der Batterien erfordern.

Interessant deshalb Sub-GHz-Transceiver wie Silicon Labs‘ Si446x EZRadioPRO IC: Er arbeitet bei Frequenzen von 119 bis 1050 MHz und hat ein Link-Budget von bis zu 146 dB. Trotzdem nehmen diese Transceiver nur 50 nA im Sleep-Zustand auf. Um die Folgen des Mehrwege-Fadings zu mildern, arbeitet der EZRadioPRO mit zwei Antennen und enthält einen Antennen-Diversity-Algorithmus. Durch die Kombination aus Frequenz-Hopping und Zeitsynchronisation können Systemintegratoren Sub-GHz-Netzwerke erstellen, die sich über viele Kilometer Reichweite erstrecken. Die Endpunkte sind dabei imstande, mit einer einzelnen Batterie mehr als zehn Jahre mit Strom versorgt zu werden. Eine solche Funktion und Flexibilität bietet Systemintegratoren die Möglichkeit, einen bestimmten Bereich mit weniger Koordinatoren sicher abzudecken und Endpunkte dort zu platzieren, wo Netzanschlüsse nicht zur Verfügung stehen.

Koexistenz der Funksysteme in der Cloud

Klar ist, dass es im Bereich der Funknetzwerke keine Lösung für alle Belange gibt. In großen, stromsparenden Netzwerken ist es nicht notwendig, nur eine Form eines Funknetzwerks zu wählen. Sub-GHz- und ZigBee-Funknetze können ohne Probleme nebeneinander existieren, da sie in völlig verschiedenen Teilen des Funkspektrums arbeiten und nach ihren jeweiligen Funktionen ausgewählt werden. In einer Betriebsstätte eignet sich 2,4-GHz-ZigBee am besten für die Gebäudeautomatisierung im Innenbereich, während Sub-GHz für Außenanwendungen wie Beleuchtung und Zutrittskontrolle vorgesehen ist. Die Möglichkeit, dabei die Daten zuverlässig und effizient zu sammeln, ist natürlich entscheidend. Um aber das gesamte Potenzial dieser Echtzeit-Informationen zu nutzen, zu analysieren, grafisch darzustellen und daraus mobile Dienste zu unterstützen, ist ein Pfad zur Cloud erforderlich.

Große Netzwerke nutzen meist Backhaul-Systeme, die den aus jedem Subnetz gesammelten Datenverkehr in das Medium übertragen, das heute den Großteil der Informationen dieser Welt handhabt: das Internet-Protokoll (IP). An jeder Sammelstelle kann eine zusätzliche Verarbeitung die empfangenen Daten so abändern, dass sie sich für eine Übertragung über Standard-IP-Frames eignen. Dabei werden die Header des Netzwerkprotokolls entfernt und das Datenpaket analysiert. Das Backhaul-System kann dann ein IP-Paket zusammenstellen, das die Originaldaten zusammen mit Quellen- und Zielinformationen enthält - aber ohne den Overhead, der für den Erhalt des Sensornetzwerks erforderlich ist. Diese IP-Datenpakete lassen sich dann auf gleiche Weise routen wie alle anderen Internet-gebundenen Daten. Serviceanbieter können diese Informationsvielfalt mittels Cloud-basierten Diensten analysieren und visualisieren. Damit bieten sie Endnutzern die Möglichkeit, mit ihren Daten über Tablet, Laptop oder Smartphone zu interagieren.

Fazit: Die Wireless-Zeiten sind aufregend, denn die Fortschritte in der stromsparenden Funktechnik bieten die Möglichkeit, unsere Umgebung zu vermessen, zu beobachten und zu steuern - und das in einem zuvor nicht geahnten Ausmaß. Funktechnik in so unterschiedlichen Bereichen wie beispielsweise in der Abfallwirtschaft und der Waldbrand-Erkennung steht zwar noch am Anfang, aber Anwendungen wie Smart Metering, Sicherheit, Gebäudeautomatisierung sind bereits etabliert, und Verbraucher profitieren von den Vorteilen wie Komfort und Effizienz. Dank ihrer jeweiligen Stärken bieten das ZigBee-Protokoll und Sub-GHz-Funksysteme letztlich optimale Lösungen für hoch skalierbare und zuverlässige, stromsparende Funksensor-Netzwerke.

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