In der Gebäudeautomatisierung gewinnen niedrige Frequenzen an Attraktivität Statt 2,4 GHz - Renaissance für »Sub-1GHz-Systeme«

Analoger TRx mit umfangreicher Peripherie.
Analoger TRx mit umfangreicher Peripherie.

Neue Anwendungen setzten in der Vergangenheit auf höhere Betriebsfrequenzen. Die Gebäudeautomatisierung zeigt jetzt teils einen gegenläufigen Trend: In diesem Marktsegment gewinnen in Europa niedrigere Frequenzen unterhalb von 1 GHz an Attraktivität.

Höhere Betriebsfrequenzen sind nach Ansicht von Winfried Gellner, Field Applications Engineer von Future Electronics (Deutschland), nicht immer die bessere Wahl für neue Applikationen: »Während in den USA für die Gebäudeautomation das 2,4 GHz Band weit verbreitet ist, etablieren sich in Europa mehr und mehr proprietäre und Standard-basierte Systeme in den lizenzfreien sub-1GHz ISM-Bändern, hauptsächlich auf 868MHz«, erklärt der FAE. Betrachtet man die Anwendungsfelder der Automatisierung in Haushalten, Büro- und Industriegebäuden, müssen neben den klassischen HVAC-Funktionen auch Gebäudesicherheit, Fernsteueraufgaben sowie Smart Metering bewerkstelligt werden. So sind auch Feuer-, Rauch- oder Glasbruchmelder Teil des Gebäudenetzwerks. Fernsteuerungen zum Öffnen und Schließen von Türen lassen sich über eine einfache P2P-Verbindung ansteuern. Und bei Smart Grid Metering Netzwerken besteht der innerhäusige Anteil aus Sensoren, Routern und Datensammlern, die für die Verarbeitung der Verbrauchsdaten zuständig sind.

Hauptsächlich drei Faktoren sprechen laut Gellner für den Einsatz eines sub-1 GHz Systems anstelle einer 2,4 GHz Variante: Zum einen fällt die Funkfelddämpfung deutlich niedriger aus. Dadurch kann man in Gebäuden mit Stein- und Betonmauern beispielsweise bei 868MHz der Abstand zwischen 2 aktiven HF-Knoten wesentlich größer wählen. In ausgedehnten Netzwerken reduziert sich damit die Anzahl der notwendigen Repeater und infolgedessen auch die Produkt- und Installationskosten. »Wasserzähler befinden sich oft im Keller, insbesondere hier ist eine geringe HF-Dämpfung unabdingbare Voraussetzung für die Kommunikation zum Sensor. Außerdem verbraucht ein 2,4GHz Transceiver mehr Strom als ein sub-1 GHz Gerät vergleichbarer Funktionalität«, erklärt Gellner. »Weil insbesondere Anwendungen im Metering-Bereich eine Batterielaufzeit von bis zu 20 Jahren haben müssen, muss der Energieverbrauch möglichst gering sein. Und nicht zuletzt überzeugen die günstigeren Herstellungskosten.«

Die Miniaturisierung spricht für sub-1 GHz

Früher dominierte die unidirektionale Kommunikation, also zwischen einem Transmitter und Receiver.

Die Hard- und Software von RF-ICs hat sich seither aber deutlich verbessert. »Die Miniaturisierung der Siliziumstrukturen brachte einen wesentlich höheren Integrationsgrad und damit zusätzliche Funktionalität, und das bei vertretbaren Kosten«, so Gellner. In der Gebäudeautomation kann man jetzt Transceiver für die bidirektionale Kommunikation einsetzen. Gerade in Maschen-Netzwerken sind laut Gellner Transceiver für Repeater und Router-Funktionalität gefragt.

Fast alle nötigen Funktionen der Signalkette von der Antenne bis zum Basisband sind heute auf einem einzigen Die integriert. Angefangen vom LNA über PA, Tx/Rx-Schalter und integriertem PLL-Filter, bis zum integrierten Spannungsregler.

Die Miniaturisierung geht mit kleineren Halbleiterstrukturen auf dem IC einher. Das Ergebnis sind Transistoren mit höherer Ft (Transit-Frequenz), die die A/D-Wandlung vom Basisband in den RF-Bereich verschieben. Nahezu jede wichtige Transceiver-Funktion lässt sich damit digital abbilden. Z.B. digital einstellbare Filter-Bandbreiten, optimiert für die jeweilige Datenrate, oder die digitale Ansteuerung der Sendeleistung, um die ETSI-Regularien zu erfüllen. Ebenso läßt sich mit einer digitalen Verstärkungsregelung im Empfangspfad die AGC-Charakteristik effizient linearisieren. Dank Miniaturisierung kann in einem hochintegrierten Transceiver ein digitales Pre-Processing durchgeführt werden, wie z.B. CRC, Sync. Detektion, Kodierung/Dekodierung usw. »Dadurch wird der externe Mikrocontroller entlastet, und kleinere, günstigere MCUs sind einsetzbar. Und nicht zuletzt unterstützen die kleineren IC-Strukturen höhere Datenraten bis hin zu 600kbit/s in heutigen sub-1GHz Transceivern«, führt der FAE aus.