Bild 1: Eine vernetzte Systemarchitektur besteht aus einer Reihe von Funkknoten, die von einfachen Fernsteuerungen bis hin zu komplexen Funknetzen mit einem Internet-Gateway reichen können.

Bild 1: Eine vernetzte Systemarchitektur besteht aus einer Reihe von Funkknoten, die von einfachen Fernsteuerungen bis hin zu komplexen Funknetzen mit einem Internet-Gateway reichen können.Silicon Labs

MCUs und Funk-ICs sind die Grundbausteine eines IoT-Systems. Mikrocontroller für vernetzte Geräte (Bilder 1 und 2) bieten meist eine große Speicher- und Peripherieauswahl. Die Auswahl der Funk-ICs (Transceiver, Sender und Empfänger) ist genauso vielfältig, wenn nicht sogar komplexer. Sub-GHz-Bausteine arbeiten meist mit lizenzfreien, proprietären Protokollen, während eine Vielzahl von 2,4-GHz-basierten Bausteinen auf Standards basiert, zum Beispiel Zigbee, Bluetooth Smart und Wi-Fi. Es gibt keine universelle Lösung, wenn es um die Wahl des optimalen Funkprotokolls für eine bestimmte IoT-Anwendung geht. Jede Option hat ihre Vor- und Nachteile. Die Anwendung selbst, sei es ein Gateway oder ein batteriebetriebener Endknoten, entscheidet über die richtige Funkanbindung.

Bild 2: Ein typischer Sensorknoten im IoT besteht aus einer MCU sowie den Sensoren (rechts) und Funk-ICs (links).

Bild 2: Ein typischer Sensorknoten im IoT besteht aus einer MCU sowie den Sensoren (rechts) und Funk-ICs (links).Silicon Labs

Anwendungen, die Energieeffizienz, lange Batterielebensdauer (je nach Batterie fünf bis 15 Jahre) und einen weiten Empfangsbereich für entfernte Sensorknoten erfordern, verwenden meist proprietäre Sub-GHz-Protokolle oder den offenen Zigbee-Standard. Bluetooth ist als Kurzstrecken-Punkt-zu-Punkt-Verbindung für Smartphones und Tablets etabliert; dieses Funkprotokoll kommt ohne zusätzliche Infrastruktur aus. Wi-Fi wiederum ist das gängigste Protokoll für bandbreitenintensive Anwendungen wie Video-Streaming und Wireless-Hotspot-Anbindung. Für die stromsparende Langstreckenübertragung niedriger Datenraten eignet sich das Sub-GHz-Band ideal. Vernetzen kann man damit etwa Rauchmelder, Tür- und Fenstersensoren sowie Außenanwendungen wie Wetterstationen, Smart-Meter und Asset-Tracking.

Sub-GHz-Funkanbindung

Sub-GHz-Technik ist die beste Wahl für Funkanwendungen, die eine hohe Reichweite mit einem geringen Stromverbrauch erreichen müssen. Schmalbandübertragung kann Daten an entfernte Hubs übermitteln, die oft mehrere Kilometer entfernt sind, ohne eine Weiterleitung von Knoten zu Knoten durchlaufen zu müssen. Diese Langstreckenübertragung verringert die Zahl teurer Basisstationen oder Repeater. Mit proprietären Sub-GHz-Protokollen können Entwickler ihre Funklösung nach ihren Anforderungen optimieren, anstatt sich an einen Standard anpassen zu müssen, der zusätzliche Einschränkungen bei der Netzwerkimplementierung hervorruft.

Eckdaten

Geringer Stromverbrauch und hohe Reichweite sind wichtige Faktoren für ein Sub-GHz-Funksystem. Schnelle Signalerkennung, geringe Standby-Ströme im zweistelligen Nanoampere-Bereich, ein schnellerer Zustandsübergang und eine robuste Softwarelösung sind ebenfalls entscheidend, um die Effizienz auf Systemebene zu erhöhen.

Viele bestehende Sub-GHz-Netzwerke verwenden proprietäre Protokolle. Nur langsam nimmt der Markt standardbasierte, interoperable Systeme an. So wird der Standard IEEE 802.15.4g weltweit immer beliebter und von verschiedenen Konsortien wie Wi-SUN und Zigbee übernommen. Wie bei jedem Standard gibt es verschiedene obligatorische und optionale Spezifikationen. Entscheidend dabei ist, die richtigen Parameter vor der Bauteilauswahl herauszufinden.

Geringer Stromverbrauch

Entwickler stromsparender Funksysteme für batteriebetriebene Anwendungen müssen den Standby-Stromverbrauch, Stromsparmodi und Wakeup-Zeiten eines Funk-ICs mit berücksichtigen. Die beiden Sub-GHz-Transceiver EZRadio und EZRadio Pro von Silicon Labs eignen sich für diese Anwendungen: Die energieeffizienten ICs verbrauchen nur 40 nA Strom im Standby-Modus bei vollem Speichererhalt und wechseln in nur 440 µs aus dem Standby-/Sleep-Modus in den Empfangsmodus.

Bild 3: Während der autonomen Betriebszyklen wartet der Empfänger auf gültige Datenpakete, und weckt die Host-MCU erst bei Bedarf auf.

Bild 3: Während der autonomen Betriebszyklen wartet der Empfänger auf gültige Datenpakete, und weckt die Host-MCU erst bei Bedarf auf.Silicon Labs

Autonomiefunktionen sowie eine geringe Einschaltdauer helfen, den durchschnittlichen Stromverbrauch im Empfangsmodus noch weiter zu senken, vor allem bei Zeitschlitzverfahren. Dabei wird die Funkfunktion automatisch aus dem Sleep-Modus aktiviert und geht in den Empfangsmodus über – basierend auf einem programmierbaren, integrierten 32-kHz-Sleep-Takt. Der IC überprüft den Kanal und aktiviert die Host-MCU nur dann, wenn er ein Datenpaket gefunden hat (Bild 3). Die Entscheidung basiert auf einer Präambel-Erkennung oder auf der Stärke des Empfangssignals. Liegt kein gültiges Datenpaket vor, geht die Funkeinrichtung automatisch wieder in den Sleep-Modus über, ohne die Host-MCU zu unterbrechen oder zu aktivieren.

Faktoren summieren

Drei wesentliche Faktoren bestimmen den Stromverbrauch in Anwendungen mit festen Betriebszyklen: die Energie, die beim Übergang vom Sleep- in den Empfangsmodus erforderlich ist; die Zeit, die der IC zur Evaluierung eines gültigen Datenpakets benötigt, und die Stromaufnahme im Sleep-Modus. Der Präambel-Sense-Modus der EZRadio- und EZRadio-Pro-Transceiver verringert die Kanalzugriffszeit, ohne die Empfindlichkeit zu beeinträchtigen. Gleichzeitig verringert sich die durchschnittliche Stromaufnahme im Empfangsmodus. Die Funk-ICs benötigen nur eine 8-Bit-Präambel, um ein gültiges Paket zu erkennen. Andere Sub-GHz-Transceiver benötigen dafür 32 Bit. Die durchschnittliche Stromaufnahme im Empfangsmodus verbessert sich umso mehr, je länger die Präambel und je geringer die Datenrate ist.

Der Leistungsverstärker (PA; Power Amplifier) verbraucht am meisten Strom, so dass ein effizientes PA-Design ebenfalls für eine lange Batterielebensdauer entscheidend ist. EZRadio und EZRadio Pro enthalten einen PA mit +20 dBm, der nur 85 mA Strom verbraucht, was 40 mA weniger ist als bei anderen Bausteinen. Mit einer Ausgangsleistung von +10 dBm verbraucht der PA nur 18 mA, was einen Betrieb mit einer Knopfzelle ermöglicht.

Funkreichweite

Ein wesentlicher Vorteil der Sub-GHz-Funktechnik ist die große Funkreichweite des Frequenzbandes – selbst bei Hindernissen. Systeme mit großer Funkreichweite verringern die Installationskosten, da weniger Basisstationen und Repeater erforderlich sind, um die gleiche Anzahl an Geräten abzudecken. Eine Niederfrequenz-Übertragung kann bei einer bestimmten Ausgangleistung eine längere Strecke zurücklegen. Über die Friis-Gleichung lassen sich die Pfadverluste ermitteln:

  • Pr = Pt · Gt · Gr · (λ / 4πR)2
  • Dabei ist Pr die empfangene Leistung und Pt die gesendete Leistung; Gt und Gr sind der Antennengewinn am Sender und Empfänger, R der Abstand zwischen den Antennen und λ die Wellenlänge.

Als Faustregel gilt, dass eine Zunahme des Link-Budgets um 6 dB zu einer Verdopplung der Reichweite im Außenbereich führt (bei einer Sichtverbindung). Die erzielbare Reichweite im 169-MHz-Band ist daher besser als in den 868/915-MHz-Bändern – vorausgesetzt alle anderen Werte sind gleich.

Messwerte

Da Reichweitentests stark von der Umgebung und den Geräteparametern abhängen, ist es oft schwierig, die HF-Transceivern verschiedener Anbieter fair zu vergleichen. Der Tester muss sicherstellen, dass Funkparameter wie die Frequenz, Sendeleistung, Bandbreite, Paketstruktur, Antenne und die Berechnung der Bitfehlerrate (BER) oder Paketfehlerrate (PER) allesamt vergleichbar sind. Bei einem Sichtverbindungstest im Außenbereich bieten EZRadio-Pro-Bausteine eine Reichweite von 13 bis 16 km in Hoch- und Niederfrequenzbändern, wenn eine Standard-GFSK-Modulation (Gaussian Frequency-Shift Keying) zum Einsatz kommt. Das Link-Budget mit +20 dBm Tx für verschiedene Datenraten bei EZRadio-Pro-Transceivern beträgt:

  • 500 kBit/s: 117 dB
  • 100 kBit/s: 126 dB
  • 9,6 kBit/s: 136 dB
  • 100 Bit/s: 153 dB

Die Reichweite ist eine Funktion der Empfängerempfindlichkeit und der Übertragungsfrequenz. Die Empfindlichkeit ist umgekehrt proportional zur Kanalbandbreite, eine schmalere Bandbreite führt also zu einer höheren Empfängerempfindlichkeit. Die Kanalbandbreite hängt von drei Faktoren ab: Datenrate, Abweichung und Oszillatorgenauigkeit. Damit ein System effizient sendet und empfängt, muss die Kanalbandbreite gerade weit genug sein, um diese drei Faktoren zu berücksichtigen. EZRadio Pro bietet eine programmierbare Empfangsbandbreite von 200 Hz bis 850 kHz und ermöglicht somit Schmalband-Datenraten von 100 Bit/s mit -133 dBm Empfindlichkeit, was sich als ideal für Sensoren in Außenbereichen und eine hohe Reichweite erweist.

Bild 4: Schmalband- und Spreizband-Signale: Beim Spread Spectrum ist zwar die Störsicherheit höher als bei Narrowband-Signalen, dafür gibt es etliche andere Nachteile.

Bild 4: Schmalband- und Spreizband-Signale: Beim Spread Spectrum ist zwar die Störsicherheit höher als bei Narrowband-Signalen, dafür gibt es etliche andere Nachteile.Silicon Labs

Spread Spectrum

Einige Anwendungen nutzen Spreizband-Mechanismen anstelle der Standard-Schmalband-GFSK-Modulation. Die Spreizung eines Signals mit niedriger Datenrate (Bild 4) erfordert eine höhere Bandbreite und ist spektral ineffizient, erlaubt aber die Übertragung mit einer geringeren spektralen Leistungsdichte. Durch die erhöhte Bandbreite sinkt zwar die Empfindlichkeit; der Kodierungsgewinn kompensiert aber diesen Nachteil, wobei jedes Datenbit in mehrere Bits kodiert und über eine größere Bandbreite gesendet wird. Für die gleiche Nettodatenrate ergibt sich somit keine direkte Verbesserung der Empfindlichkeit im Vergleich zu einer Schmalband-GFSK-Implementierung.

Um die Daten aus dem Spreizbandsignal zu gewinnen, ist eine längere Präambel für die Synchronisation nötig. Dies erhöht die Übertragungsdauer des Pakets und verringert die Batterielebensdauer. Schmalbandsysteme bieten je nach Frequenzband eine hervorragende Kanaltrennschärfe im Bereich 60 bis 70 dB. Spreizbandsignale sind hingegen weniger anfällig gegen Störungen. Verschiedene Schmalbandsignale in der Nähe der Frequenz eines Breitbandsignals können jedoch die Reichweite des kodierten Systems erheblich verringern.

Ein Vorteil der Bandspreizung ist der Einsatz kostengünstiger Quarze anstelle eines teuren temperaturkompensierten Quarz-Oszillators (TCXO). GFSK-basierte Schmalbandsysteme benötigen normalerweise einen TCXO, um Frequenzgenauigkeit und hohe Reichweite zu garantieren. Der Kostenunterschied zwischen einem Standard-Quarz und einem TCXO sinkt zwar; Transceiver wie EZRadio Pro bieten aber auch eine automatische Frequenzkompensation (AFC), um die Auswirkungen von Frequenzverschiebungen zu minimieren.

Der Markt

Der IoT-Markt entwickelt sich rasch weiter, da eine Vielzahl hochintegrierter, stromsparender und kosteneffizienter Halbleiterbausteine für diesen Zweck zur Verfügung steht. Ultra-Low-Power MCUs und Funk-ICs mit flexiblen Architekturen unterstützen zahlreiche Protokolle und ebnen den Weg zu einem intelligenten, vernetzten und energieeffizienten Internet der Dinge.