Netzwerke können als simple Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufgebaut sein, als Stern- oder als Baumstruktur. Bei Maschennetzwerken liegt keine Hierarchie vor, alle Knoten vermitteln die Daten weiter.Farnell Element 14
In einer perfekten Welt wäre die Technik allein der ultimative Faktor bei jeder Design-Entscheidung: Netzwerkarchitektur, Reichweite und Bandbreiten wären wohl die wichtigsten Parameter für drahtlose Übertragungen. In der realen Welt kommen weitere Faktoren dazu: freie Frequenzen, etablierte Standards und verfügbare Module sind ebenfalls entscheidend, bis hin zur Komplexität einer Lösung und der erwartete Entwicklungsaufwand.
Die Netzwerkarchitektur ist nur ein Schlüsselfaktor bei der Entwicklung. Angefangen bei einer einfachen P2P-Verbindung (Point-to-Point), kann die räumliche Struktur der Netzwerke immer komplexer werden, abhängig von Anzahl, Anordnung und Funktionalität der kompatiblen Knoten.
Architektonische Besonderheiten
Wenn ein Entwickler zum Beispiel zusätzliche Knotenpunkte – häufig als Endpunkte oder Clients bezeichnet – zu einem der Endpunkte (dem Hub) einer P2P-Verbindung hinzufügt, dann wäre das Ergebnis eine Sternnetz-Architektur, die typisch ist für ein LAN (Local Area Network). Bei dieser Konfiguration ist der Hub für den Informationsaustausch zwischen allen Endpunkten verantwortlich.
Eckdaten
Welches Wireless-Protokoll darf’s denn sein? Eine erstes Ausschlusskriterium sind die möglichen Netzwerkarchitekturen. Je nach Protokoll gibt es Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, Stern- und Baumstrukturen sowie Maschennetzwerke. Als nächstes stehen Bandbreite und Reichweite sowie der Energieverbauch auf dem Plan, danach die genutzten Funkfrequenzen und die verfügbaren Bausteine und Module. Farnell Element 14 zeigt, was Wi-Fi, Zigbee, ANT, Bluetooth und Bluetooth Smart ausmacht, welche Bausteine sich jeweils eignen und wann der Entwickler keinen eigenen Entwurf wagen sollte, sondern lieber auf vorgefertigte und vorzertifizierte Module setzen sollte. Letztere sparen reichlich Entwicklungsarbeit und kürzen auch die Zulassungsverfahren ab, was wiederum Kosten spart.
Werden mehrere Sternnetze miteinander verbunden, dann ergibt sich eine komplexere Struktur, die als Baum bekannt ist. Ein WAN (Wide Area Network) ist ein Beispiel für ein solches Baumnetzwerk. Der Informationsaustausch findet in jedem örtlichen Stern-Cluster durch den jeweiligen Hub statt und Daten von Cluster zu Cluster werden zum Beispiel über eine Vielfachleitung (Bus) weitergeleitet.
Wenn der Endpunkt eines Clusters – beispielsweise eine Workstation in einem Büro – offline geht, dann funktioniert das Netzwerk weiterhin, doch die Kommunikation bei diesem speziellen Endpunkt endet. Alle anderen Workstations des Netzwerks bleiben aktiv. Sollte jedoch die zentrale Verbindung zwischen den Clustern fehlschlagen, weil beispielsweise die Drahtlosverbindung abgebrochen wurde, dann kann der gesamte Baum ausfallen.
Zuletzt gibt es noch Maschennetze. Hier kann jeder Knoten mit mehreren anderen Knoten direkt kommunizieren. Die Daten hüpfen drahtlos von Knoten zu Knoten und werden so von Punkt zu Punkt übertragen. Dadurch ist ein Maschennetz nicht nur unabhängig, es kann sich auch grundsätzlich „selbst heilen“. Wenn ein Knoten innerhalb des Netzwerks ausfällt, dann bestimmen die übrigen Knoten des Netzwerks über wechselseitige Kommunikation die beste Alternativroute, um die Daten von A nach B zu übertragen. Das heißt, je mehr Knoten im Teil eines Maschennetzes sind, desto mehr mögliche Pfade gibt es für die Datenübertragung und desto stabiler wird das Übertragungssystem.
Die Qual der Drahtlos-Wahl
Von den zahllosen Herausforderungen für Entwickler drahtloser Lösungen stellt die breite Auswahl an verfügbaren Technologien die vielleicht unmittelbarste dar.Farnell Element 14
Bei der Wahl einer passenden Drahtlostechnologie ist für den Entwickler wichtig, ob eine proprietäre Lösung gefordert ist, oder ob er einen Branchenstandard übernehmen soll. Er muss einen Frequenzbereich festlegen, genauso wie Wireless-Benchmarks für Sendereichweite, Stromverbrauch und Datendurchsatz. Innerhalb dieser Bezugswerte gibt es Kompromisse, vor allem beim Stromverbrauch. So hat beispielsweise der Datendurchsatz einen Einfluss auf den gesamten Stromverbrauch.
Ein 54 MBit/s schnelles Wi-Fi-Netzwerk hält mit einer einzelnen Lithium-Ionen-Quelle ein oder zwei Tage, während ein IEEE-802.15.4-basiertes Sensornetzwerk die Daten mit 250 KBit/s versendet und mit einer kleinen Batterie einige Jahre funktioniert. Andere Faktoren wie Systemkompatibilität und Netzwerkarchitektur haben ebenfalls einen Einfluss auf die meisten drahtlosen Connectivity-Designs.
Der Frequenzbereich
Mit dem Frequenzbereich haben viele Entwickler im Design zu kämpfen: Wenn man die zahlreichen, auf Standards basierenden Technologien mit einer Speisekarte vergleicht, dann entspricht die Wahl des Frequenzbereichs in etwa der Entscheidung, ob man sich für italienisches, thailändisches oder amerikanisches Essen entscheidet. Die Auswahl der geeigneten Hardware und Software fällt ebenfalls leichter, wenn sich der Entwickler für einen Frequenzbereich entschieden hat.
Jede der drei verbreitetsten Frequenzbänder – Sub-GHz, 2,4 GHz und 5 GHz – bringt für verschiedene Applikationen gewisse Vor- und Nachteile mit sich. Alles hängt vom Benchmark ab, für den das Design entwickelt wird. So halbiert sich in etwa die Reichweite, wenn sich die Frequenz verdoppelt. Dementsprechend sollten Anwendungen, die auf weite Strecken ausgelegt sind, mit einer Frequenz unter 1 GHz operieren.
Ein Kompromiss bei der Nutzung niedriger Frequenzen ist die Datenübertragungsrate, die zusammen mit der Frequenz sinkt. Zusätzlich können Duty-Cycle-Beschränkungen im Frequenzbereich unter 1 GHz ein weiteres Problem für Entwickler werden. Im Vergleich dazu bietet der 5-GHz-Frequenzbereich seinen Nutzern die höchste Übertragungsrate aller drei Optionen – auf Kosten der Übertragungsreichweite.
Sowohl Sub-GHz- als auch 5-GHz-Frequenzbereiche haben im Hinblick auf Datenstau einen Vorteil gegenüber 2,4 GHz: Überwiegend nutzen Verbrauchertechnologien diese Frequenz, die dadurch ziemlich überladen ist. Deswegen beginnen viele Entwickler, Verbraucherapplikationen auf Basis eines Frequenzbereichs von 5 GHz zu entwickeln. Doch trotz der Überladung bleiben 2,4 GHz nach wie vor die beliebteste Wahl für drahtlose Verbindungen. Der Frequenzbereich von 2,4 GHz hat eine angemessene Datenübertragungsrate, eine ordentliche Reichweite, keine Duty-Cycle-Beschränkungen und funktioniert vor allem weltweit. Das macht ihn zum Favoriten für Entwickler.
Die Standardtechnologien
Wi-Fi IEEE 802.11 a/b/g/n: Wi-Fi ist und bleibt der Marktführer im Bereich der drahtlosen Vernetzung. Aktuelle Zahlen sagen voraus, dass 2020 allein durch das IoT zirka 50 Milliarden Geräte miteinander vernetzt sein werden. Wi-Fi bietet eine sichere Verbindung mit großer Bandbreite und Internetanschluss für Applikationen in der Medizintechnik, der Industrie und Anwendungen für Endverbraucher, und das bei einer Geschwindigkeit von bis zu 54 MBit/s. Die Übertragungsreichweite kann bei 2,4 GHz 100 m erreichen. Das ist besser als bei Bluetooth und anderen Low-Energy-Lösungen, aber schlechter als bei Funkfrequenzen unter 1 GHz. Allerdings hat Wi-Fi im Vergleich zu andern 2,4-GHz-Drahtloslösungen einen relativ hohen Stromverbrauch: Es werden eher Lithium-Ionen-Batterien gebraucht als AAAs oder Knopfzellen. Doch es gibt auch einige neue Embedded-Wi-Fi-Lösungen, wie die bei Farnell Element 14 erhältliche Wi-Fi-Plattform Simple-Link von Texas Instruments. Solche Lösungen haben etwas weniger Leistung, doch sie funktionieren ein ganzes Jahr lang nur mit zwei AA-Batterien, und das bietet Wi-Fi ganz neue Möglichkeiten.
Bluetooth: Mit einer fest installierten Basis von über drei Milliarden Einheiten wurde Bluetooth für eine Datenübertagung zwischen Geräten entwickelt, die weniger Leistung verbraucht. Geräte mit Bluetooth können sich während inaktiver Phasen abschalten und helfen so, den Stromverbrauch zu minimieren. AAA-Batterien reichen als Energiequelle. Bluetooth arbeitet auf der industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen (ISM) Frequenz von 2,4 GHz bis 2,485 GHz. Diese ist in den meisten Ländern verfügbar und nicht lizensiert. Der Datendurchsatz fällt im Vergleich zu Wi-Fi geringer aus, liegt aber immer noch innerhalb des Bereichs von 2 MBit/s und unterstützt somit Applikationen mit höheren Datenraten, zu denen auch Multimedia-Produkte gehören
Bluetooth Low Energy (BLE): Um die gute Ausgangslage weiter zu verbessern, wurde Bluetooth Low Energy entwickelt, um den Ansprüchen von Ultra-Low-Power-Drahtlosanwendungen zu genügen, wie sie vor allem im wachsenden Markt von Wearables im Sport- und Wellnessbereich herrschen. Im Vergleich zu klassischem Bluetooth ist BLE ein verbindungsloses Protokoll, das die erforderliche Betriebszeit des Funks signifikant verringert. Entwicklungskits wie das CC2540DK-MINI von TI nutzen diesen Vorteil. Sie brauchen nur einen Bruchteil des Stroms normaler Bluetooth-Technologie und ermöglichen es Zielanwendungen, mit nur einer Knopfzelle über ein Jahr lang zu funktionieren.
Zigbee IEEE 802.15.4 und Zigbee RF4CE: Der Zigbee-Standard wurde entwickelt, um eine günstige, auf Standards basierende drahtlose Netzwerklösung zu schaffen, die niedrige Datenraten unterstützt und dabei wenig Strom verbraucht sowie sicher und verlässlich ist. Der Standard unterstützt selbstheilende Maschennetze und Zigbee 802.15.4 kommt speziell drahtlosen Sensornetzwerke zugute und kann deshalb für jede Monitoring- und Kontrollanwendung genutzt werden, die eine drahtlose Verbindung benötigt. Auch in diesem Bereich hat Farnell Produkte in petto, wie das Entwicklungskit CC2533DK von TI, das die RF4CE-Technologie nutzt. RF4CE wurde als Funkalternative zu Fernbedienungstechnologien wie Infrarot entwickelt, die eine direkte Sichtverbindung zum Geräte benötigen. Zusätzlich zu dieser Fernsteuerung ohne direkten Sichtkontakt bietet RF4CE eine große Übertragungsreichweite, lange Akkulaufzeiten und eine umfangreichere Kommunikation.
ANT: Einfache und günstige Ultra-Low-Power-Lösung für drahtlose Kommunikation von P2P und komplexeren Netzwerken. ANT ist mit einer breiten Auswahl von Anwendungen kompatibel und mittlerweile eine etablierte Technologie für das Sammeln automatischer Übertragungen und die Nachverfolgungen von Sensordaten in Bereichen wie Sport, Wellness-Management und Geräte für die Gesundheitsüberwachung im eigenen Haus. Im Gegensatz zu BLE besitzt ANT ein relativ einfaches Protokoll. Es nutzt 64-Bit-Security, während BLE mit 128 Bit arbeitet. Beide schaffen Datenraten von zirka 1 MBit/s, funktionieren über eine Reichweite von mehreren zehn Metern und kommen jahrelang mit einer Knopfzelle aus. Der vielleicht größte Unterschied liegt in den Netzwerkarchitekturen. Während BLE nur bei P2P und Sternnetzen eingesetzt werden kann, unterstützt ANT alle Topologien, auch Baum- und Maschennetz. Im direkten technischen Vergleich ist ANT die wohl ansprechendere Wahl für die Entwicklung von Wearables und IoT-Applikationen, hauptsächlich wegen der Kompatibilität mit Maschennetzen. Dennoch wirkt dieser Vorteil gegenüber der schieren Anzahl an Bluetooth-Geräten denkbar gering: Eine Basis von drei Milliarden Bluetooth-fähigen Geräten ist schwer zu ignorieren.
Eigenes Design versus Standard
Ob der Entwickler eine eigene Lösung findet oder eine Standardtechnologie wie Bluetooth verwendet, kommt oft darauf an, welche Funktionen er braucht. Für hochspezielle Funktionen ist eine eigene Umsetzung erforderlich, doch das wiederum verringert die Anzahl an Lösungen, die OEM-Supplier direkt anbieten.
Ein Vorteil einer solchen eigens entwickelten Drahtlosplattform ist, dass sie speziell für die jeweilige Applikation gemacht ist – was unter anderem den Software-Fußabdruck verringert. Und der zweischneidige Charakter eines eigenen Designs findet Anwendung in der drahtlosen Vernetzung: Eigens entwickelte Geräte sind unter Umständen einfacher zu programmieren, denn sie müssen nur an einem genau definierten Netzwerk funktionieren. Gleichzeitig sind sie aber nicht in der Lage, mit Handys und anderen Consumer-Geräten zu kommunizieren.
Texas Instruments Simple-Link Wi-Fi CC3100 Booster-Pack können Anwender einen externen Host-Mikrocontroller mit Wi-Fi-Funktionen ausstatten und somit die Basis für das eigene Internet of Things schaffen.Farnell Element 14
Bei standardbasierten Lösungen kann der Entwickler viele bequeme Vernetzungsmöglichkeiten nutzen. Er muss sich nur durch den Programmspeicher arbeiten und im Vergleich zur Eigenentwicklung einen möglicherweise höheren Stromverbrauch in Kauf nehmen. Doch neben diesen Einschränkungen haben OEM-unabhängige, interoperable Netzknoten einige Vorteile: Der Anwender hat die freie Wahl zwischen Produkten und mehr Möglichkeiten für eine Erweiterung des Netzwerks.
TIs Simple-Link-Portfolio beispielsweise ist eine Lösungsplattform, die das drahtlose Connectivity-Design erleichtert. Die Simple-Link-Familie bietet eigenständige Lösungen an, die die Entwicklung und Zertifizierung von Drahtlos-Lösungen vereinfachen sollen. Der Anwender braucht hier viel weniger Vorkenntnisse über Funktechnik als bei Eigenentwicklungen.
Der letzte Schliff
Einer der wichtigsten Parameter für drahtlose Connectivity-Designs ist die Übertragungsreichweite, die sich aus zwei Schlüsselelementen zusammensetzt: Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit. Das sind kritische Spezifikationen, die Entwickler berücksichtigen, wenn sie Technologien und dazu passende Halbleiter auswählen. Aber in der realen Welt wird die Auswahl von vielen weiteren Gesichtspunkten bestimmt, beginnend bei der passenden Netzwerkarchitektur über verfügbare Standards bis hin zu fertigen Bausteinen und Modulen, die viel Entwicklungsarbeit sparen können.
Simon Holt
(jck)
