Wireless-Module: Probleme und Lösungen

Die Teilnehmer (von links): Bernd Hantsche (Rutronik), Antonio Zarcone (Renesas Mobile), Johan Nilsson (Rohde & Schwarz), Dirk Sollbach (IMST), Marian Kost (Silicon Labs), Dr.-Ing. Christian Benz (Municom), Stephan Bienert (Atlantik Elektronik).Redaktion elektronik industrie

Ein Expertengespräch zum Thema Wireless, früher Funktechnik genannt, hätte vor 30 Jahren wohl nur AM/FM-Radio, Fernsehen und das B-Netz umfassen können, abgesehen von den kommerziellen Anwendungen wie BOS, Militär und dem Amateurfunk. Wireless der heutigen Tage umfasst ISM, WLAN, Bluetooth, GSM/EDGE/GPRS/LTE, GPS, DAB und ein bisschen Zigbee. Diese Themen haben wir mit Bauelementeherstellern, Distributoren, einem Modulhersteller und Dienstleister sowie einem Vertreter der Messtechnik behandelt.

Aus aktuellem Anlass begann das Roundtable-Gespräch im 27.Stock des Hochhauses unserer Mutter Süddeutscher Verlag in München mit DAB. In einer gemeinsamen Pressemeldung von VDA, ZVEI und ADAC wurde am Tag des Roundtable mitgeteilt, dass mit DAB+ am 1.August 2011 das „Radio der Zukunft beginne und dass der Weg zur vollständigen Digitalisierung des Hörfunks begrüßt wird“.

Diesen Weg gibt es mit DAB (ohne +) schon seit 1995, nur keiner kennt ihn! Die mangelnde Akzeptanz, so die Runde, hat verschiedene Gründe. Einmal der Preis für die Geräte (speziell im Auto), dann die geringe Zahl der Programme und die Abdeckung. Ein weiterer Grund ist, dass der Sprung von UKW-Stereo auf DAB für den Hörer keine große Qualitätssteigerung bringt. Die Automobilindustrie und deren Zulieferer in Deutschland machen Druck und könnten, wenn sie DAB+ standardmäßig in ihren Fahrzeugen anbieten, durch hohe Stückzahlen und damit günstigeren Preisen dessen Verbreitung beschleunigen. Allerdings besteht die Gefahr, dass mit der zunehmenden Internetnutzung im Automobil digitale Radioprogramme und Zusatzdienste eher über 3G und LTE ins Auto gelangen.

Module für die ISM-Bänder

Was die Nutzung der ISM-Frequenzen angeht, gibt es einen breiten Bereich von Applikationen. Viele Firmen, die bislang mit Funktechnik wenig oder nichts zu tun hatten, müssen sich zwangsläufig mit dieser Technik befassen. Da sowohl für Module, wie auch für ICs eine Nachfrage besteht, kann man an der Vielzahl der Halbleiteranbieter und an den Line-Cards der beim Gespräch anwesenden Distributoren ableiten.

IMST, seit 1992 erfahrener Dienstleister für die Entwicklung von Funklösungen, benötigt für die Entwicklung und Serienreifmachung eines einfachen Funk-Moduls, so Dirk Sollbach, mit vier Ingenieuren ein halbes Mannjahr mit den entsprechenden Kosten von etwa 200 000 €. Die entstehen nicht nur durch die Hardwareentwicklung, die ja durch Hochintegration überschaubar ist. Das Modul muss auch den europäischen, internationalen und spezifischen Normen entsprechen, beispielsweise dem M-Bus Standard. Außerdem muss das Modul messtechnisch verifiziert und die Software entwickelt werden, die einen Anteil von etwa 70% hat und mit der das Modul zum Beispiel mit einem M-Bus-Stack in verschiedenen Applikationen einsetzbar ist. Will eine Firma selbst entwickeln, stellt sich auch die Frage nach der Messtechnik, einmal um zu entwickeln und zum anderen für die Zulassungsmessungen und die funktionalen Endtests nach der Produktion. Man sollte da zumindest über einen Spektrumanalysator verfügen und Messkabinen für die Antennen- und EMV-Messungen – oder auf einen Dienstleister wie IMST zugreifen – außerdem wird, so die Erfahrung,  oft der „erste Schuss“ im Entwicklungszyklus nicht sitzen.

Funk-Module selbst entwickeln oder fertig kaufen?

Man steht also vor der Frage, etwa 500 000 Euro (Inklusive der Messtechnik) für die Eigenentwicklung zu investieren oder erst einmal ein fertiges Modul zu kaufen. Angesichts dieser Summe, so Dirk Sollbach, muss, abhängig vom jeweiligen Businessmodell, abgeschätzt werden, wie hoch die Stückzahlen für meine Applikation sind. Sind diese sehr hoch, müssen noch der Endpreis, die Funktionalität und die Add-ons (und was man damit mehr verdienen kann) kalkuliert werden. Erst dann kann man entscheiden, den Transceiver-IC in eine eigene Lösung zu integrieren. Alle Kunden von IMST zum Beispiel, die kein sicheres Businessmodell haben, fangen eigentlich mit einem Modul an. Ein Modul, wie in diesem Beitrag zu sehen, kann bei steigenden Stückzahlen durch einen deutlich vereinfachten Integrationsprozess der Schaltung in verschiedenen Applikationen eingesetzt werden.

Durch Hochintegration kommt ein ISM-Funkmodul neben dem Transceiver-IC mit wenig externen Komponenten aus.IMST/SiLabs

So erreicht man bei hohen Stückzahlen eine Kostenoptimierung. Die Frage, wie bei dem gezeigten Modul die Produktionskosten im Verhältnis zu den Materialkosten stehen, wurde mit 1:3 beantwortet.

Zur Frage HF-IC eindesignen oder Modul kaufen beantwortet sich aus der Sicht der Chiphersteller, so Marian Kost, auf andere Weise. Beispielsweise stehen die Kunden vor dem Problem, einen Wasserzähler oder Heizkostenzähler drahtlos anzubinden. Und vor der Frage, wie bekomm ich das hin? HF-Know How und die Messtechnik ist meist nicht vorhanden. Zudem sind es meist Anwendungen, die noch nicht weit entwickelt sind und bei denen kleine Stückzahlen vorherrschen. Es gibt also wenige Firmen, die das Know How im Haus haben und die entsprechenden Stückzahlen für ein gesundes Businessmodell.

Marian Kost, SiLabs: Es gibt Industriekunden, die sich von dem WLAN/Bluetooth-Gedanken oder generell von 2,4-GHz verabschieden und alles im Sub 1-GHz-Bereich machen wollen, um eine höhere Störfestigkeit sicherzustellen.Redaktion elektronik industrie

SiLabs sieht deshalb, dass es bis Stückzahlen von 50 000 Sinn macht, ein Modul einzusetzen. Bei allem was darüber hinaus geht stellt sich die Frage: mach ich von vorne herein alles selber oder man versucht auf der Basis eines Moduls die Applikation zum Laufen zu bringen, um das Grundziel zu erreichen und dann mit einer zweiten Indikation auf die Main PCB und entsprechender Messtechnik inhouse die Expertise aufzubauen. Deshalb besteht die Partnerschaft von SiLabs mit IMST, die entsprechende Module entwickeln, die dann durch IMST oder deren Vertragsdistributoren vermarktet werden. SiLabs verkauft diese Module allerdings nicht, sondern promoten diese beim Kunden. Darüber hinaus gibt es Starterkits in enger Kooperation von SiLabs und IMST. Der Dienstleister IMST übernimmt auch die Zertifizierung der Lösung nach internationalen Normen. Das kann man mit externen Häusern auch bewerkstelligen, es ist aber besser, alles aus einer Hand zu bieten, da dann die Verantwortung nur beim Dienstleister liegt,

Dr. Christian Benz, Municom: Die ursprüngliche Idee, drahtlos Daten von Elektrizitäts- oder Gaszählern auszulesen, wird heute kombiniert mit Homeautomation. Redaktion elektronik industrie/S.Best

Municom hat sowohl Komponenten und Module im Programm, setzt aber den Fokus laut Dr. Christian Benz auf Highend-Komponenten, angefangen von passiven Bauteilen über Filter bis hin zum Verstärker. Die meisten Applikationen bei Municoms meist kommerziellen Kunden werden diskret aufgebaut, beispielsweise ganze Frontendlösungen von Sende- oder Empfangszügen, Modullösungen sind eher selten. Module sind dort zum Beispiel komplexe Synthesizer, bestehend aus VCO, Loopfilter und andere. Hier ist aber ein gewisser Widerstand am Markt bei Tier 1- oder Tier 2-Kunden zu erkennen, wenn beispielsweise im Haus die nötige Expertise vorhanden ist, um einen Synthesizer oder Downconverter selbst zu entwickeln. Hier gibt es wohl auch einen Modulansatz, aber das sind dann sehr komplexe Module, die nicht zu vergleichen sind mit ISM-Band Modulen, weder von der Kostenstruktur, noch vom Time-to-Market.  Kunden von Municom, die in den ISM-Bändern arbeiten, setzen aber Module ein und finden bei Municom auch die notwendigen Komponenten für die Außenbeschaltung, wie zum Beispiel Filter oder Antennenübertrager.

Ein breites Einsatzgebiet für ISM-Module ist Smart-Metering und da speziell  der M-Bus. Aufgrund der verwendeten Frequenzen sind ISM-Module in Europa für diese Anwendung bestens geeignet. In Europa gibt es immer mehr Koexistenzprobleme bei 2,4 GHz im Vergleich zu den 868 MHz auf denen der M-Bus arbeitet.Für den Metering Markt existieren momentan eine Vielzahl von proprietären Lösungen, die man aber nicht mit anderen Applikationen kombinieren kann. Deshalb ist ein Standard wie der M-Bus überlegen, und da wird der Markt gesehen. Die ursprüngliche Idee, drahtlos Daten von Elektrizitäts- oder Gaszählern auszulesen, wird kombiniert mit  Homeautomation. Als Beispiel kann man da die Rauchmelder nennen. Da kann der Service bei der Zählerfernabfrage gleichzeitig die Rauchmelder überwachen, die sowieso einmal im Jahr überprüft werden müssen. Firmen, die Zähler anbieten, verdienen wenig an den Geräten, aber mehr am Service, der dahinter steckt. Um solche Serviceleistungen zu kombinieren, bietet sich ein Standard wie z.B. der M-Bus an.

Bluetooth

Wann macht es wegen der doch hohen Lizenzkosten von 10 000 € bis 100 000€ Sinn, Bluetooth-Module einzusetzen anstelle proprietärer Funkmodule? Da muss der Kunde entscheiden, ob er diesen Standard will mit dem Vorteil, dass seine Geräte mit vielen anderen Geräten kompatibel sind. Wobei in der Runde unter Gelächter festgestellt wurde, dass es durchaus Probleme bei der Kommunikation zwischen Bluetooth-Geräten gibt.

B.Hantsche: Kompatibilitätsprobleme liegen meist an verschiedenen Profilen, also dem applikationsspezifischen Layern des Bluetooth-Stacks. Zum einen können die Layer des Stacks bei den Kommunikationspartnern unterschiedlich verschachtelt aufgebaut sein, zum anderen könnten auch nur verschiedene Versionsstufen die Inkompatibilität hervorrufen. Diese Kinderkrankheiten der Bluetooth-Evolution hat man inzwischen aber bereits gut in den Griff bekommen. Oftmals reicht die Bluetooth Hardware nur bis zu dem HCI (Host Command Interface). Die eigentlichen Applikationsprofile sitzen dann extern auf einem µC und müssen zu der Bluetoothhardware und dem Betriebssystem des Controllers passen. Besonders für Industrie- und Audioanwendungen bietet Rutronik aber auch Module an, die bereits gängige Applikationsprofile, wie beispielsweise SPP, A2DP, HID und HDP integriert haben und nur noch über AT-Befehle von jedem beliebigen Controller aus gesteuert werden müssen.

Bernd Hantsche, Rutronik: Kompatibilitätsprobleme bei Bluetooth liegen meist an den verschiedenen Profilen, also dem applikationsspezifischen Layern des Bluetooth-Stacks.Redaktion elektronik industrie

Gerade bei solchen „Sorglos-Modulen“ fällt auch der Zertifizierungskrieg weg. Die Module sind i.d.R. nicht nur CE, FCC und IC zertifiziert, sondern auch bei der Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group) bereits als Endprodukt gelistet. Somit benötigt man nur ein Adopter Membership und referenziert sein Gerät anhand des gelisteten Transceivers – beide Arbeitsschritte sind über das Internet in wenigen Minuten erledigt und völlig kostenlos. Dank integrierter Antennen werden weder HF-Wissen noch Gerätschaften benötigt. Antonio Zarcone: Beim Handy ist die Vorgehensweise anders. Da muss Bluetooth als komplettes System zertifiziert werden und wir müssen zusätzlich die EMV sicherstellen und dass es keine Interferenzen zwischen den verschiedenen Frequenzen gibt.

Antonio Zarcone, Renesas Mobile: Wie schaffen wir es, die Kosten auf ein Niveau runter zu bringen, mit denen es möglich ist, die drahtlose Kommunikation für den Konsumenten immer weiter zu verbreiten.Redaktion elektronik industrie

Wir bei Renesas Mobile entscheiden, welche Bluetooth-Komponenten auf das Handy kommen. Sind beispielsweise drei Lieferanten in Hardware, PCB-Platz und Kosten vergleichbar, gibt es immer noch Unterschiede beim Stack je nachdem wieviel Erfahrung bei den Firmen vorhanden ist. Einen reinen Bluetooth-IC zu entwickeln lohnt sich erst  ab Stückzahlen von vielen Millionen. Außerdem muss man ja noch die Software adaptieren – da gibt es genügend Anbieter –  und die Bluetooth IP programmieren und den Quarz abstimmen lassen. Neu ist Bluetooth LE Low Energy, die beschreibt die Peripherie für die kommenden Handys und spricht neue Applikationen an, wo Bluetooth heute zu viel Energie benötigt. Außerdem gibt es High Speed Bluetooth für Videoübertragung mit 24 MBit/s.

Dirk Sollbach stellt fest, dass das Handy mit seinen hohen Stückzahlen der Motor für Bluetooth war. Ohne diese Applikation wäre der Erfolg von Bluetooth nicht möglich geworden.

Stephan Bienert, Atlantik Elektronik verweist auf die Erfolgsgeschichte von Bluetooth, die gerade in Deutschland stark von Atlantik mitgetragen wurde.Redaktion elektronik industrie

Auch Stephan Bienert verweist auf die Erfolgsgeschichte von Bluetooth, die gerade in Deutschland stark von Atlantik mitgetragen wurde. Es hat sich eben als der Standard im Markt durchgesetzt, wobei eine kontinuierliche Weiterentwicklung des Standards notwendig war und stattfand. Da hat der Rückkopplungsmechanismus funktioniert. Ohne den Standard könnte heute nicht jedes Mobiltelefon mit einer Freisprecheinrichtung kommunizieren. Will ein Kunde also heute kompatibel sein mit anderen Geräten, tut er gut daran, sich hier nicht durch proprietäre Technik auszugrenzen. Die Frage nach dem Sinn für Lizenzgebühren stellt sich bei der Nutzung von vorzertifizierten BT-Module eigentlich meist nicht und wenn in großen Projekten ICs eingesetzt werden, ist die Umlage der Gebühren für die Lizenzierung auf die großen Stückzahlen berücksichtigt oder nicht mehr relevant. Auch Bluetooth Low Energy wird hier den Weg von Bluetooth weiterzeichnen und damit sowohl für den Hersteller als auch für den Endverbraucher große Vorteile bringen.

Zigbee

Bernd Hantsche zur aktuellen Situation: Zigbee hat bezüglich Smart Metering in Deutschland gegenüber Wireless M-Bus verloren, es wird mehr in Nordeuropa und in Italien eingesetzt. Schaut man sich, egal um welche Applikation es sich handelt, den Protokollaufbau und die Hardware an, gibt es energieeffizientere Lösungen mit oftmals schlankeren proprietären Protokollen und FSK-modulierten Transceivern. Aber letztendlich ist es eine Marketing-entscheidung Zigbee einzusetzen, beispielsweise wenn andere Marktbegleiter es tun und man Kompatibilität zu ihnen wünscht. B. Hantsche weiter: Generell sehen wir nur vereinzelt original Zigbee-Anwendungen – meist werden günstigere Protokolle gewählt – der Begriff Zigbee wird dann fälschlicherweise als Synonym für lokale Sensornetzwerke weiter verwendet, wenn die hardwarenahen Layern ebenfalls nach der IEEE802.15.4 spezifiziert sind.

Dirk Sollbach, IMST: Der Kunde steht vor der Frage, etwa 500 000 Euro für die Eigenentwicklung zu investieren oder erst einmal ein fertiges Modul zu kaufen?Redaktion elektronik industrie

Dirk Sollbach zur Situation zwischen Zigbee Pro und Zigbee 2006: Frustriert waren die Firmen, die komplette Systeme auf Zigbee 2006 entwickelt haben und die dann erfahren mussten, das es nicht aufwärts kompatibel ist. Die Entwicklung war ja so, dass die IEEE802.15.4. Hardware vorlag, es aber sehr lange dauerte, bis der Standard festgeschrieben wurde. Stephan Bienert: Der Hauptmarkt war von Anfang an im Bereich Home- und Buildingautomation zu finden, dies besonders in den USA, in Skandinavien und in England. In Deutschland tut sich Zigbee schwer, 868 MHz ist sehr verbreitet vom Energieversorger zum Zähler. Was den Weg in die Häuser angeht – da laufen ja einige Pilotprojekte, ist es spannend, welche Technologie sich durchsetzt: 868 oder Zigbee. Zum einen fehlt ein Massenprodukt wie das Mobiltelefon bei Bluetooth, zum anderen geht es um Produkte für die Industrie – nicht für den Konsumenten. Und da ist eventuell die Abgrenzung vom Wettbewerber wichtiger als die Nutzung eines Standards. Einspruch von Bernd Hantsche: Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, das Zigbee nur auf 2,4 GHz präsent ist. Er kennt mindesten zwei Hersteller, die Zigbee für das 868 MHz Band anbieten, z.B. ZMDI in Dresden. Der Stack ist jedoch nur „Zigbee ready“ und nicht „Zigbee certified“, da für eine Zertifizierung mindestens drei Anbieter im Markt kompatibel zueinander sein müssen. Dies wird aber nicht der einzige Grund sein, weshalb die Transceiver fast ausschließlich mit einem 6LoWPAN Protokoll eingesetzt werden, anstatt Zigbee.

Dirk Sollbach: Die Problematik ist der Duty Cycle von 1% im 868,3 MHz-Band. Wenn man auf dieser Frequenz ein vermaschtes Netz entwickelt, da stellt sich am Ende des Tages die Frage, was der Netzkoordinator bei diesem Duty Cycle mit so einem Netz noch tun kann. Von der Definition her war es unglücklich sich bei dieser Frequenz zu platzieren, da es dort nur einen Kanal gibt. Besser wäre die Nutzung anderer zugelassener Frequenzen wie 2,4 GHz oder in den USA 915 MHz, da hier mehrere Kanäle zur Verfügung stehen.  Senden die Sensoren zu viele Daten und es sind viele Sensoren angeschlossen, was ja nach Zigbee möglich ist, dann wird man irgendwann bei der 868-MHz den Duty Cycle überschreiten. Neben diesem Sachverhalt ist die fehlende weltweite Hamonisierung des Frequenzbandes ein Problem für unsere Kunden.

Johan Nilsson, Rohde&Schwarz: Das Problem ist, alle Dienste liegen frequenzmäßig sehr nah beieinander. LTE sendet mit wenig Leistung und kann das Fernsehband nicht stören. Das Problem ist aber der Fernsehempfänger, der keine gute Selektivität hat.Redaktion elektronik industrie

Ein großer Nachteil der Frequenz 2,4 GHz ist die Dämpfung durch Decken und Wände, deshalb der Ansatz sich im Sub 1GHz Bereich zu platzieren. In den USA, wo vorwiegend Holzhäusern gebaut werden, ist 2,4 GHz kein Problem. Allerdings ist für den weltweiten Einsatz die Nutzung des 2,4-GHz-Bandes erforderlich und man muss sich mit den WLAN-Netzen und dem Bluetooth der Handys herumschlagen. Besser wäre es, so Dirk Sollbach, weltweit ein Sub 1-GHz-Band einzurichten, das auch die nötige Bandbreite und Übertragungsraten von 2..3 Mbit/s bietet.

B. Hantsche weist auf eine alternative Technik hin: das 6LoWPAN (IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network). Das auf der IP-Netzwerkadressierung basierte Protokoll unterstützt UDP und könnte einigen Funkstandards auch aufgrund der Routingmöglichkeiten ins WLAN oder Internet den Rang ablaufen. Google ist einer der nennenswerten Markt- und Entwicklungstreiber für dieses Open-Source Projekt. In Verbindung mit den Betriebssystemen der Smartphones kann das ein großer Erfolg werden. Man kann dann wie bereits auf der EmbeddedWorld Messe von Rutronik demonstriert sämtliche Stromverbraucher von einem handelsüblichen Android-Smartphone über eine WLAN-6LoWPAN-Bridge steuern und nutzen somit die physikalischen Vorteile der <1 GHz Technik in Verbindung mit der bereits vorhandenen WiFi Infrastruktur.

(sb, jj)