Auf einen Blick

Das Neueste in Sachen WSN-Technologie (Wireless Sensor Netzwerke) sind Sensoren, die von Energie Harvesting gespeist werden und somit weder Batterie noch Akku benötigen. Gegenüber sonstigen drahtlosen Sensoren ergeben sich jedoch zusätzliche Anforderungen wie geringste Spitzenleistungsaufnahme und Standby-Ströme sowie andere zusätzliche Kriterien durch die neuen sich ergebenden Applikationen zum Beispiel in der Medizintechnik, im M2M-Bereich, dem Militär und so weiter. Um in diesen Bereichen eingesetzt werden zu können, müssen einige, in diesem Artikel aufgezeigte Kriterien erfüllt werden, wobei dem Short-Range-Radio-Transceiver eine Schlüsselrolle zukommt.

Anforderung an einen Ultra-Low-Power-Radio-Transceiver.

Anforderung an einen Ultra-Low-Power-Radio-Transceiver.Eurocomp

Die Anforderungen hinsichtlich der Stromversorgung des Transceivers spielen eine besondere Rolle beim Wireless-Sensordesign und dessen Applikationen. Da die meisten ULP-Sensoren an einer kleinen Batterie oder an Energy-Harvesting-Quellen arbeiten, werden Betriebsspannungen unter 2 V zwingend erforderlich. Transceiver, die an nur 1,1 V arbeiten, bringen zusätzliche Flexibilität zum Sensordesign und reduzieren Einschränkungen beim Powermanagement. Oft werden Versorgungsspannung, Verbrauch der Sendeendstufe und Datenrate der Funkstrecke ignoriert. Jedoch haben diese Faktoren einen großen Einfluss.

Ein bei 2,5 V arbeitender Transceiver benötigt im Vergleich zu einem, der bei gleichem Strom an 1,25 V arbeitet, doppelt so viel Energie. Ein Betrieb bei höheren Spannungen ist nur erforderlich, wenn eine Sendeleistung über 5 dBm benötigt wird. Bei Short-Range-Applikationen liegt die Sendeleistung jedoch nur geringfügig über 0 dBm. Zwar ist eine niedrige Versorgungsspannung der einfachste Weg, die Stromaufnahme eines Systems zu reduzieren, sie erfordert jedoch RF-ICs, die an solchen Spannungen arbeiten.

Der Spitzenstrom ist ein weiterer Schlüsselfaktor bei Transceivern. Nahezu alle WSN arbeiten mit zyklischer Übertragung, um Energie und Frequenznutzung zu sparen. Das führt zu Spitzen im Stromverbrauchsprofil des Sensors. Transceiver mit hohen Spitzenströmen führen zu Einschränkungen im Powermanagement und zu Rückwirkungen auf die Versorgungsquelle.

Energy-Harvesting-Transducers haben eine höhere Ausgangsimpedanz als Batterien. Der Micro-Powermanagement-Layer zwischen Transducer und Sensor passt die Versorgungscharakteristik an, einschließlich der Quellenimpedanz. Dafür gibt es bei einem Transceiver mit geringen Spitzenströmen keine Einschränkungen bei der Versorgung der Wireless-Sensoren.

Bei einem Sender kann der Stromverbrauch der Endstufe sehr groß sein. Viele 802.15.4- oder Bluetooth-Transceiver benötigen 25 bis 40 mW für eine Freiraumübertragung von 25 m, was einem Energieverlust von 95 Prozent entspricht. Bild 2 zeigt die Energie pro Bit verglichen zum Spitzenstrom einiger Lösungen zur Überbrückung von 25 m Freiraum. Bei Batterie- oder Energy Harvesting-Systemen liegt die optimale Kombination nahe der linken unteren Ecke im Bild 2.

Energie pro Bit versus Peak Power.

Energie pro Bit versus Peak Power.Eurocomp

Die Empfängerempfindlichkeit definiert die für die Übertragung benötigte Leistung. Bei den meisten Empfängern liegt die Empfindlichkeit zwischen –85 bis –95 dBm. Für den Strombedarf der Senderendstufe ergibt sich durch diese Spanne der Faktor zehn.

Empfindlichkeit, Trägerfrequenz und Ausgangsimpedanz sind die drei Faktoren mit dem größten Einfluss auf die Leistungsaufnahme des Empfängers. Diese Faktoren addieren sich und repräsentieren zwei Größenordnungen bei der Stromaufnahme der Sendeendstufe bei identischen Übertragungsentfernungen. Bild 3 vergleicht die Versorgungsspannung von Sender- und Empfängerstromaufnahmen populärer Transceiver. Andere IC-Spezifikationen wie Leckströme und die Wake-up-Zeit beeinflussen den Stromverbrauch ebenfalls. Da sie jedoch nur bei geringen Datenraten kritisch sind, verringert sich ihr Einfluss bei Datenraten über 10 bit/s.

Betriebsspannung sowie Leistungsaufnahme von Sender und Empfänger einiger derzeit erhältlichen Transceiver Lösungen.

Betriebsspannung sowie Leistungsaufnahme von Sender und Empfänger einiger derzeit erhältlichen Transceiver Lösungen.Eurocomp

Ein anderer wichtiger Parameter, der den Stromverbrauch der Endstufe beeinflusst, ist die Ausgangsimpedanz. Bei den meisten Sendern liegt der Wert unter 100 Ω. Eine geringe Impedanz wird nur für hohe Ausgangsleistungen zur Überbrückung großer Entfernung benötigt. Verglichen zu hochohmigen Ausgängen, die mehr zum Kurzstreckenfunk passen, führt dies jedoch zu einem fünf Mal höheren Strom als bei hochohmigen Ausgängen. Gleiche Empfängerempfindlichkeit und Effizienz der Sendeausgangsstufen vorausgesetzt, benötigt ein 900-MHz-Transceiver mit hoher Impedanz nur 1 mW in seiner Sendeendstufe zum Überbrücken derselben Entfernung. Ein 2,4-GHz-Transceiver mit 50 Ω Senderausgang benötigt dagegen 25 bis 40 mW.

Ein wichtiger Parameter bei der Auswahl eines Sendeempfängers ist die Trägerfrequenz. Innerhalb der ISM-Bänder gibt es die Optionen 2,4-GHz oder Sub-GHz-Frequenzen. Zusätzlich beachtet werden müssen Reichweite, Stromaufnahme, Datenrate, Antennengröße, Interoperabilität (Standards) und weltweiter Einsatz.

Wi-Fi-, Bluetooth- und ZigBee-Technologien bei 2,4 GHz werden am häufigsten eingesetzt. In Low-Power-Applikationen und solchen mit geringen Datenraten, wie Wireless-Sensoren und Medizin-Monitoring, Homesecurity/Automation und Smart-Metering, haben Sub-GHz-Wireless-Systeme verschiedene Vorteile. Dazu gehören größere Reichweite bei gegebener Leistung, reduzierte Stromaufnahme und geringere Erstellungs- und Betriebskosten.

Gegenüber 2,4-GHz-Lösungen hat die Nutzung von Sub-GHz-Trägerfrequenzen folgende Vorteile. Da die Dämpfungsrate mit der Frequenz zunimmt, schwächen sich 2,4-GHz-Signale mehr ab als Sub-GHz-Signale. Bei 2,4 GHz gibt es durch die Reflexion an massiven Oberflächen zudem mehr Schwund (Fading). In überfüllten, dicht bebauten Umgebungen werden GHz-Signale stark bedämpft, was die Signalqualität ebenfalls beeinflusst. Biologisches Gewebe absorbiert HF-Energie frequenzabhängig. Niedrige Frequenzen können in einen Körper leichter eindringen ohne absorbiert zu werden, das heißt eine Sub-GHz-Strecke ist verglichen zur 2,4-GHz-Strecke länger oder benötigt weniger Leistung. Obwohl sich Radiowellen geradlinig ausbreiten, werden sie abgelenkt, wenn sie auf eine feste Kante auftreffen. Mit abnehmender Frequenz nimmt dieser Ablenkwinkel zu. Dadurch können sich Sub-GHz-Signale besser um Hindernisse herum ausbreiten und der Blocking-Effekt reduziert sich.

Die Friis-Gleichung belegt die guten Ausbreitungsmöglichkeiten der Sub-GHz-Transceiver. Sie zeigt, dass Übertragungsverluste bei 2,4 GHz ganze 8,5 dB über denen bei 900 MHz liegen. Das hat eine 2,67-fach längere Übertragungsstrecke zur Folge, bei 900 MHz, da sich die Strecke mit jeder Erhöhung der Sendeleistung um etwa 6 dB verdoppelt. Um die Reichweite eines 900-MHz-Transceivers zu erreichen, benötigt eine 2,4-GHz-Lösung mehr als 8,5 dB zusätzliche Leistung. Außerdem treten mehr Interferenzen auf.

Die Umwelt ist überfüllt mit kollidierenden 2,4-GHz-Signalen verschiedenster Quellen wie Home- und Office-Wi-Fi-Hubs, Bluetooth-verbundenen Geräten und Handys sowie Mikrowellenöfen. Das führt zu vielen Interferenzen. Sub-GHz-ISM-Bänder werden dagegen meist zur zyklischen Übertragung mit geringem Duty-Cycle, ohne gegenseitige Störung, verwendet. Das ruhigere Übertragungsspektrum bedeutet einfachere Übertragung mit weniger Wiederholungen. Dies ist effizienter und spart Batterieenergie.

Powereffizienz und Systemreichweite sind beides Funktionen von Empfängerempfindlichkeit und Sendefrequenz. Die Empfindlichkeit ist umgekehrt proportional der Kanalbandbreite. Schmalere Bandbreiten führen zu höherer Empfindlichkeit und ermöglichen einen effizienten Betrieb bei geringeren Übertragungsraten. Zum Beispiel beträgt die Abweichung von Sende- und Empfangsquarz bei 300 MHz je 10 ppm, bedeutet dies einen Frequenzfehler von 3 kHz bei Sender und Empfänger. Für effiziente Sende/Empfangs-Applikation sollte die minimale Kanalbandbreite jedoch zweimal die Fehlerrate betragen oder 6 kHz, was ideal ist für Schmalbandapplikationen.

Dasselbe Szenario bei 2,4 GHz erfordert eine Bandbreite von mindestens 48 kHz, was für Schmalbandapplikationen nicht erforderlich ist und zudem mehr Leistung benötigt. Generell benötigen Funkschaltkreise, die bei höheren Frequenzen arbeiten, einschließlich rauscharme Verstärker, Leistungsverstärker, Mischer und Synthesizer, mehr Strom, um die Leistung zu erbringen, die bei niedrigeren Frequenzen erzielt werden.

Reichweite, geringe Interferenzen und geringerer Stromverbrauch sind die wesentlichen Vorteile von Sub-GHz-Applikationen im Vergleich zu 2,4-GHz-Applikationen. Ein Nachteil ist jedoch die im Vergleich zu 2,4-GHz-Lösungen größere Antenne. Die optimale Antennengröße bei 433-MHz-Applikationen kann bis zu etwa 18 cm betragen. Antennengröße und Frequenz sind jedoch umgekehrt proportional. Spielt die Größe eines Transceivers eine Rolle, können die Entwickler deshalb die Frequenz bis 950 MHz erhöhen, um so zu einer kleineren Antenne zu gelangen.

Ein weiteres wesentliches Kriterium für den Stromverbrauch eines Transceivers ist die für die Datenübertragung benötigte Zeit. Diese ist wiederum abhängig von der Datenrate und dem Protokolloverhead, der zum Aufbau der Verbindung erforderlich ist. Für den Verbrauch von zyklisch arbeitenden Funkstrecken ist die Datenrate der wichtigste Parameter, die Stromaufnahme betreffend. Die durchschnittliche Stromaufnahme ist in etwa umgekehrt proportional zur Datenrate. Ein Transceiver für 100 kbps benötigt bei gleicher Datenmenge nur halb so viel Leistung wie einer für 50 kbps. Bei einer vorgegebenen Datenmenge ist die Wahl einer höheren Datenrate deshalb ein Weg, um die Effizienz zu erhöhen.

Beim Leistungsvergleich von verschiedenen UHF-Transceivern ist die Energie pro Bit ein besserer Indikator als der Stromverbrauch. Transceiver für hohe Datenraten weisen jedoch oft höhere Spitzenströme auf. Damit sind diese Transceiver ungeeignet für Batteriebetrieb oder Energy Harvesting, da sie große Kondensatoren benötigen mit Hunderten von μF.

Standards wie 802.15.4 (ZigBee) oder Bluetooth bieten leistungsfähige Link- und Netzwerk-Layer. Jedoch machen diese Stacks 50 bis 75 Prozent des Transceiver-Verbrauchs aus und sie haben einen großen Overhead. Bei Ultra-low-power-Systemen ist die Standardisierungsoption „one size fits all“ nicht optimal. Dort sollten auf die Applikation zugeschnittene Protokolle zum Einsatz kommen.

In einem Netzwerk haben zudem die Anforderungen an die Latenz einen großen Einfluss. Der Zeitbedarf eines Knotens für Hören (Empfangen) oder Horchen ist eine Funktion der Latenz. Geringe Latenz bedeutet kontinuierliches oder häufiges Horchen. In Systemen mit großem Duty-Cycle ist der Stromverbrauch des Empfängers zum Horchen der größte Anteil am Gesamtbudget. In 802.15.4-Maschennetzwerken werden etwa neun Prozent der Systempower für den Empfang benötigt. Bei Systemen für hohe Datenraten verbraucht das Horchen nur einen geringen Teil, der Empfänger benötigt jedoch weiterhin über 50 Prozent des HF-Budgets.

Ultra-Low-Power-UHF-Transceiver für SDR-Band

Mit dem ZL70250 von Microsemi (Vertrieb: Eurocomp), einem Ultra-Low-Power-UHF-Sendeempfänger, lassen sich Sub-GHz-Funkstrecken für bis zu 50 m dort aufbauen, wo es auf geringste Stromaufnahme und geringsten Platzbedarf ankommt. Der sehr kleine IC (2 x 3 x 0,3 mm3 Chip Scale Package mit 36 Anschlüssen) arbeitet ab 1,2 bis 1,8 V an einer Knopfzelle oder an Energy-Harvesting-Techniken und deckt den Sub-GHz-Frequenzbereich 795 bis 965 MHz ab, so auch die ISM- und SDR-Bänder in den USA oder Europa. Er überträgt Datenraten bis 186 kBit/s und unterstützt Sprach- und komprimierte Audioübertragung sowie generell synchrone und asynchrone Übertragung. Für geringsten Stromverbrauch kann im zyklischen Betrieb der Duty Cycle reduziert werden.

Durchschnittliche Leistung versus Datenrate eines Wireless-Sensors mit Verwendung des ZL70250-Transceiver.

Durchschnittliche Leistung versus Datenrate eines Wireless-Sensors mit Verwendung des ZL70250-Transceiver.Eurocomp

Lediglich zwei externe Bauteile werden für den Betrieb des ICs benötigt (Quarz und ein Widerstand), Schnittstellen für das Zusammenspiel mit einem Low-Power-Mikrocontroller sind SPI und Zweidraht. Die derzeit mögliche Netzwerkkonfiguration ist das Sternnetzwerk.

Als Entwicklungsunterstützung werden der ZStar Protocol Stack und der proprietäre Stack von Microsemi angeboten. Alle Stacks laufen auf vielen Low-Power-µC-Familien.

Folgende MACs vereinfachen den Einsatz in der Applikation:

Clear Channel Assessment (Erkennen freier Kanäle), Horchen mit automatischem Empfängerstart oder Schlafmode, automatisches Clear-to-Send (Sendefreigabe), Turn-Around und Sleep, Empfänger AGC, Packetbildung, Präambelbildung und Rahmensynchronisation sowie Whitening (sicheres Verschlüsseln). Außerdem werden zur Entwicklungsunterstützung das ZLE70250 Application Development Kit und verschiedene ZStar-Reference-Designs geboten.

Weitere wesentliche Daten des ZL70250 sind:

  • Sendeleistung bis 0 dBm
  • Empfängerempfindlichkeit -90 dBm typ. bei 186 kbit/s
  • Stromaufnahme Sender typ. (bei 50 Ω Anpassung)
  • < 2 mA bei -13 dBm;< 5 mA bei -2 dBm

Die Stromaufnahme des Empfängers ist < 1,9 mA, im Schlafmode sogar nur < 500 nA. Bei einem durchschnittlichen Stromverbrauch des Transceivers von 4…5 mA kann zum Beispiel ein damit ausgerüsteter Kopfhörer für Audioübertragung an einer Zelle zehn Stunden laufen.

Mögliche Applikationen

Das Blockdiagram eines typischen Wireless-Sensors, basierend auf dem ZL70250, zeigt Bild 5. Zu den möglichen Applikationen zählen Smartcard, Datenlogger, Ultra-Low-Power Wireless-Audio, Umgebungsmonitoring, In-Vehicle-Sensoren, RFID, Gebäudeautomation, Homesecurity,Transporttracking, Sensoren basierend auf Thin-Film-Batterien, um nur einige zu nennen.

Blockdiagram eines typischen Wireless-Sensors basierend auf dem ZL70250.

Blockdiagram eines typischen Wireless-Sensors basierend auf dem ZL70250.Eurocomp