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Echtes Low Power in Mesh-Netzwerken

»Zehn Jahre Batterielebensdauer« – geht das?

12. Juni 2020, 14:47 Uhr | Nicole Wörner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Das NeoMesh-Konzept

NeoMesh wurde entwickelt, um das Beste aus zwei Welten zu vereinen: Es bietet die Redundanz und Zuverlässigkeit, für die Mesh-Netzwerke bekannt sind. Zugleich ermöglicht NeoMesh ultra-niedrigen Stromverbrauch für alle Geräte im Netzwerk. Daher können u.a. Sensoren jahrelang von einer kleinen Batterie versorgt werden.

Wie ist das möglich? Die NeoMesh-Technologie wendet zwei Grundprinzipien an, die es den Knoten ermöglicht, als FFDs zu agieren und trotzdem mit einem sehr niedrigen Energiebedarf auszukommen. Das erste Prinzip ist die Synchronisation der Kommunikationszeitpläne. Das zweite ist eine hohe Baudrate auf der Funkebene, um ultra-kurze Übertragungsstöße zu erzeugen. Der synchronisierte Betrieb erlaubt allen Geräten im Schlafmodus zu bleiben und nur kurzweilig aufzuwachen um Housekeeping-Informationen auszuwechseln, bei Bedarf auch Nutzlastdaten. Da die Geräte eine relativ hohe Baudrate auf der Funkebene benutzen, ist die gesamte Einschaltdauer sehr gering. Das erlaubt den Geräten an dem Netzwerk teilzunehmen mit einem durchschnittlichen Stromverbrauch von wenigen Zehnteln Mikro-Ampere.

Betrachten wir die Aktivität eines NeoMesh-Knotens etwas näher. Das Backbone des Netzwerks ist die zeitplangemäße Datenübertragung. Jeder Knoten im Netzwerk überträgt Daten einmal pro geplantem Intervall. Dieses Intervall ist konfigurierbar und kontrolliert den allgemeinen Takt des Netzwerks und damit auch den durchschnittlichen Stromverbrauch. Die Knoten, die miteinander in Verbindung stehen, erfassen die zeitplangemäßen Übertragungen ihrer Nachbarn. Damit können sie sich synchronisierten und zudem auch den Überblick über naheliegende Knoten behalten. Wenn ein Knoten zum Beispiel vier Nachbarn hat, überträgt er einmal pro geplantem Intervall zeitplangemäße Daten und lauscht viermal – einmal pro Nachbar. Da die RF-Baudrate hoch ist und die Größe der zeitplangemäßen Daten gering, ist die Zeitdauer auch sehr gering.

Wenn Nutzlastdaten übertragen werden, sind sie piggybacked auf den geplanten Datenübertragungen. Das bedeutet, falls ein Knoten Daten übertragen muss, geschieht dies wenn es Zeit ist, geplante Daten zu übertragen. Die Steigerung im Stromverbrauch für das Senden von Nutzlastdaten ist gering. Die Obergrenze für Nutzlastdaten ist 19 Byte – das gibt bei 500 kBaud eine zusätzliche RF-TX-Zeit von 0,4 ms (inklusive zusätzlicher Headerinformation). Geringere Mengen von Nutzlastdaten ergeben ein geringeres Overhead. Aber im Allgemeinen, da die geplanten Datenübertragungen generell sehr langsam sind, ist der durchschnittliche Zuwachs im Stromverbrauch sehr gering.

Im Zusatz zum geplanten Datenverkehr übertragen die Knoten Beacons, die es ihnen ermöglicht, andere Knoten zu identifizieren. Der Takt dieser Beacon-Übertragung ist konfigurierbar und dieser Takt bestimmt, wie schnell Knoten einander erkennen können, das heißt, wie schnell ein Netzwerk sich bilden kann und wie schnell das Netzwerk neue Knoten, die in Reichweite geraten, identifizieren kann. Der Beacon-Takt beeinflusst auch den durchschnittlichen Stromverbrauch. Ähnlich wie die zeitplangemäße Übertragung von Daten sind auch die Beacon-Übertragungen sehr kurz, aufgrund der hohen RF-Baudrate und der geringen Datenmenge, die übertragen wird.

Das Konzept der zeitplangemäßen Übertragungen ist für NeoMesh einzigartig. Es ermöglicht 100 Prozent batteriebetriebene Mesh-Netzwerke, in denen alle Knoten Full Functional Devices sind und trotzdem jahrelang mit Batterien betrieben werden können. Die konkreten Anwendungsanforderungen bestimmen den Übertragungstakt der Nutzlastdaten und damit den Stromverbrauch. In Anwendungen wie z.B. Verbrauchsmessung, Messung von Temperatur und Feuchtigkeit und in anderen Sensoren, wo der Messungstakt langsam ist, ist NeoMesh die ideale Konnektivität-Lösung.