Funktransceiver für kurze Übertragungsstrecken
Mit sehr wenig Energie senden
Drahtlose Netzwerke für kurze Übertragungsstrecken werden immer beliebter. Neben der Gebäudeautomatisierung sind Sensoren, die der Patient am Körper trägt und die ihn kontinuierlich überwachen, ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet. Solche Systeme benötigen jedoch ein ausgefeiltes Powermanagement, denn sie speisen sich meist aus kleinen, preiswerten Batterien oder aus der Umgebung per Energy-Harvesting gewonnener Energie.
Heutzutage kombinieren Anwender per Energy-Harvesting versorgte Sensorknoten für Industrieapplikationen mit Ultra-Low-Power-Funktransceivern für kurze Übertragungsstrecken, bei denen die Batterie nicht ausgetauscht werden muss. Andererseits können solche Transceiver auch die Laufzeit von medizinischen Geräten mit kleinen Batterien signifikant verlängern. Damit können diese Systeme zum Beispiel verschiedenste Vitalparameter ohne Batteriewechsel über Wochen hinweg kontinuierlich überwachen.
Jede Applikation ist also besonders darauf angewiesen, dass der Transceiver die vorhandene Energie im Netzwerk optimal einsetzt. In Fabriken, Industriekomplexen und Gewerbegebäuden kommen derartige Wireless-Sensor-Netzwerke zum Einsatz, um die Fertigungseffizienz, die Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie den Automatisierungsgrad und die Funktionssicherheit zu verbessern.
Das Anwendungsspektrum erstreckt sich von Zugangskontrollsystemen über Systeme zur Überwachung der Umgebung und flexible Smart-Cards für autonome eingebettete Sensoren bis hin zur Automatisierung in Industriegebäuden und der Sicherheitstechnik (Security). Strukturelles »Health Monitoring«, die Überwachung von Füllzuständen und Reifendrücken sowie drahtloses Verfolgen (Tracking) der Kühlkette für Arzneilieferungen sind weitere Anwendungsbeispiele.
Bis vor kurzem noch nutzten fast alle industriellen Sensornetze kostspielige leitungsgebundene Systeme für die Datenkommunikation und die Stromversorgung. Der Übergang auf funkbasierende Protokolle eliminierte jedoch die Verdrahtung für die Datenkommunikation. Allerdings ist noch immer eine Stromversorgung erforderlich.
Batterien wie AA-Zellen sind eine Lösung, allerdings kann es in manchen Fällen unvertretbar teuer werden, sie auszutauschen. Dies ist im Besonderen der Fall, wenn Sensoren hinter Wänden und Abdeckungen oder an anderen schwer zugänglichen Stellen installiert sind. Bei »Wireless Personal Area Networks« (WPANs) und »Wireless Body Area Networks« (WBANs) gibt es bezüglich Batteriewechsel ähnliche Herausforderungen.
WPANs und WBANs eignen sich auch für am Körper tragbare medizinische Systeme. Zu den Zielapplikationen gehören Systeme zur Patientenüberwachung vor Ort oder an einem entfernten Ort (Remote), verschiedene Formen der Bewegungstherapie und das Management von Erkrankungen wie Schlaf-Apnoe. Zum Einsatz kommen diese Systeme in Krankenhäusern und klinischen Einrichtungen, in der klinischen Gesundheitsüberwachung zu Hause (Clinical Home Monitoring), in ambulanten Einrichtungen sowie in Gesundheits- und Fitnesssystemen für Endverbraucher.
WPANs haben eine Reichweite von etwa 10 m Durchmesser um einen Patienten herum und werden mit Protokollen wie Bluetooth und ZigBee implementiert. WBANs dagegen sind kleiner und haben einen Durchmesser von etwa 1 m. Sie werden zur Sensorkommunikation in Verbindung mit dem menschlichen Körper verwendet. Applikationen für diese Sensornetzwerke haben sich von punktuellen Messungen mit hoher Zyklenzahl hin zu datenintensiven, kontinuierlichen Verbindungen entwickelt. Normalerweise wurden sie mit AA- oder AAA-Batterien versorgt, die sich nur schwierig und kostenaufwendig wechseln lassen.
Aufbau eines Funk-Sensorknotens
Das Ziel sowohl in industriellen wie auch in medizinischen Applikationen ist, herkömmliche Batterien zur Versorgung zu ersetzen. Bei industriellen Lösungen verfolgt die Branche meist ein Energy-Harvesting-Konzept, wohingegen bei medizinischen Anwendungen die Forderung nach kontinuierlichem Daten-Streaming die Unternehmen hin zu kleinen, preiswerten Knopfzellen oder Lithium-Ionen-Batterien bewegt. Dadurch kann jede Stromquelle in der Applikation lange eingesetzt werden, da die Schaltung insgesamt auf Leistungseffizienz optimiert ist.
Per Energy-Harvesting versorgte Sensoren stellen höhere Anforderungen an die Leistungseffizienz als herkömmliche drahtlose Sensoren. Mikrocontroller und Funksystem müssen, wann immer möglich, in Low-Power-Betriebsarten arbeiten, um die Laufzeit der Stromquelle zu maximieren. Deren Belastung kann vom Schlaf- oder vom aktiven Modus dominiert werden, abhängig vom Ruhestrom des Funksystems und des Mikrocontrollers sowie der Transmitter-Leistung und der Einschaltdauer. Außerdem spielen die Komplexität und die Zeitdauer einer eventuell erforderlichen Signalverarbeitung eine Rolle.
Bild 1 zeigt die Basiselemente in einem typischen mit Energy-Harvesting versorgten Sensorknoten. Dazu gehört zum Beispiel der Sensor, der verschiedene für die Applikation erforderliche Parameter erfasst und quantifiziert. Ein Energy-Harvesting-Transducer wandelt eine Form von »Umgebungsenergie« in Elektrizität. Ein Powermanagement-Modul »sammelt«, speichert und stellt die vom Sensor benötigte elektrische Energie bereit.
Normalerweise ist der Sensorausgang an einen Mikrocontroller angeschlossen. Dieser verarbeitet das erzeugte Signal, nachdem der interessierende Parameter (z.B. Temperatur, Druck oder Beschleunigung) gemessen wurde. Anschließend leitet der Mikrocontroller diese Information an das Funksystem weiter. Er aktiviert sich in vorgegebenen Zeitintervallen oder als Reaktion auf einen Interrupt durch einen HF-Wakeup-Empfänger.
Eine Möglichkeit, den Energieverbrauch zu reduzieren, bieten die Firmware-Algorithmen des Mikrocontrollers. Sie steuern die Power-up- und Power-down-Sequenzen, die A/D-Wandlungen und ereignisgesteuerte Interrupts. Doch dies ist nicht ausreichend. Zunehmend setzen funkbasierte Sensornetzwerke auf Ultra-Low-Power-Funktechnologie zur weiteren Optimierung der Energieeffizienz von medizinischen Sensoren, die mit kleinen Batterien versorgt werden können.
Kriterien für Funktransceiver
Viele Kriterien sind zu beachten, um einen Funktransceiver für kurze Übertragungsstrecken auszuwählen, mit dem man die Leistungseffizienz in Kurzbereichs-Industrie- und -Medizinsensornetzen optimieren möchte. Von diesen Kriterien spielt die Versorgungsspannung eine besonders große Rolle. Die meisten Sensoren arbeiten je nach Typ an nur einer Batteriezelle.
Versorgungsspannungen unter 2 V sind somit die beste Wahl, zumal die Ausgangsleistung nur selten 0 dBm übersteigt. Daher müssen solche Funktransceiver für den Low-Voltage-Betrieb entwickelt werden (idealerweise bis hinunter auf 1,1 V), um eine gute Designflexibilität zu gewährleisten und die Vorgaben hinsichtlich Powermanagement zu erleichtern.
Funksysteme, die auf dem höheren 2,5-V-Pegel arbeiten, verbrauchen doppelt so viel Energie wie solche, die bei gleicher Stromaufnahme bei 1,25 V arbeiten. Zu den weitere Kriterien, die in Verbindung mit der Stromversorgung zu beachten sind, gehören die Fähigkeit, die Transceiver- und Empfänger-Performance beizubehalten sowie ein Stromprofil, das zur Impedanz der Versorgungsspannung passt, ohne übermäßig hohe Spitzen zu verursachen.
Das zweite wichtige Kriterium ist der Spitzenstrom. Die überwiegende Mehrheit der drahtlosen Sensornetze berücksichtigt bis zu einem bestimmten Punkt die Einschaltdauer. Dies spart Energie, beschränkt aber den Funkbereich und führt zu Spitzen im Stromprofil des Sensors. Niedrige Stromspitzen im Funktrans-ceiver reduzieren die Einschränkungen bezüglich der Stromversorgung des Sensors. Dies ist besonders wichtig für Funksensoren, die mit »geernteter« Energie versorgt werden.
Oft haben Energy-Harvester-Transducer eine höhere Ausgangsimpedanz als Batterien. Die Powermanagement-Ebene zwischen Transducer und Sensor wandelt die Versorgungscharakteristik einschließlich Quellenimpedanz. Daher reduziert ein niedriger Spitzenstrom im Funk-transceiver die Anforderungen an die Stromversorgung des Funksensors.
Das dritte zu beachtende Kriterium ist die Leistungsendstufe des Funk-transmitters. Sein Energieverbrauch kann recht groß sein. Viele WPAN- (IEEE 802.15.4) oder Bluetooth-Funksysteme nehmen für einen Übertragungsbereich von 25 m eine Leistung von 25 mW bis 40 mW auf und verschwenden einen großen Teil davon. Einige der Hauptfaktoren, die sich auf die Leistungsaufnahme auswirken, sind die Endstufe des Transmitters, seine Ausgangsimpedanz, seine Trägerfrequenz und die Modulationscharakteristika.
Zusammen können diese sich addierenden Faktoren bei der Leistungsaufnahme der PA für einen identischen Bereich eine Abweichung bis zu zwei Zehnerpotenzen ausmachen. Die Empfängerempfindlichkeit ist daher besonders wichtig. Sie definiert, wie viel Leistung die Endstufe für einen bestimmten Bereich abstrahlen muss. Die meisten Funksysteme weisen einen Empfindlichkeitsbereich von -85 dBm bis -95 dBm auf. Dies ergibt einen Faktor 10 in der Leistungsaufnahme der PA.
Auch die Ausgangsimpedanz beeinträchtigt die Leistungsaufnahme der Endstufe und sie steht mit der Trägerfrequenz, der Schaltungs-architektur und anderen Parametern in Zusammenhang, während die Impedanz der Antenne von deren Größe und Form sowie von der Trägerfrequenz abhängt. Üblicherweise wird die PA über ein Anpassungsnetzwerk an die Antenne angeschlossen. Die Wahl der Versorgungsspannung, der Architektur der Endstufe, der Trägerfrequenz und des Antennendesigns beeinflussen den Aufbau des Anpassungsnetzwerks sowie die damit verbundene Einfügedämpfung. Dies kann in der Größenordnung von einigen Dezibel liegen.
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