Bluetooth-Low-Energy- und Sub-GHz-Integration praktisch nutzen

Wireless-Technologien, die mit Frequenzen unter 1 GHz (Sub-GHz) arbeiten, erfreuen sich seit dem Aufkommen von LPWAN (Low-Power-Wide-Area-Netzwerken) und WLAN-Standards wie Halow (IEEE 802.11ah) und White-Fi (IEEE 802.11af) zunehmender Beliebtheit. Dieser Trend liegt an der inhärenten Fähigkeit der Signale, Entfernungen von mehr als einem Kilometer zu überwinden. Gleichzeitig können sie eine bessere Durchdringung von Objekten sowie eine höhere Störfestigkeit gewährleisten. Die größere Reichweite hat weitreichende Auswirkungen beim IoT für Smart City, Gebäude- und Home-Automation, Smart Farming und IIoT (Industrial IoT).

Laut ON World sollen LPWAN-Dienste bis 2025 bis zu 75 Milliarden USD erreichen, wobei weltweit mehr als 30 verschiedene Anwendungen in einem breiten Spektrum an Marktsegmenten bedient werden sollen. Mit den bis 2021 prognostizierten mehr als 3 Milliarden vernetzten Geräten ist der Boom des Sub-GHz-Marktes keine große Überraschung.

Hindernisse durch Abhängigkeit von externem WLAN und Mobilfunknetzen

Während die Anzahl an IoT-Bausteinen anwächst, die das Sub-GHz-Spektrum nutzen, sind dem Fortschritt dieser Technologien durch die fehlende Kompatibilität zu vorhandenen Geräten, einschließlich Smartphones, Tablets und Laptops, immer noch beträchtliche Grenzen gesetzt. Typischerweise arbeiten Sub-GHz-IoT-Netzwerke in einer Sterntopologie, in der Sensorknoten Übertragungen mit einem Gateway oder einer Basisstation anstoßen, das beziehungsweise die fest verkabelt ist, um eine Verbindung mit hohem Durchsatz zu Netzwerkservern herzustellen.

Daher besteht oft die einzige Möglichkeit zur Steuerung eines Endgeräts oder Gateways aus der Ferne in einer entfernten Web-basierenden App oder CLI (Command-Line Interface, Befehlszeilenschnittstelle), die sich mit einem lokalen WLAN oder Mobilfunknetz verbindet. Es gibt aber möglicherweise Fälle, in denen diese Netzwerke nicht immer verfügbar oder zuverlässig sind. Für manche IoT-Anwendungen mag das kein Problem darstellen, aber für industrielle und kommerzielle Anwendungen ist es problematisch, wenn das Netzwerk genutzt wird, um die Geräteausstattung zu betreiben, warten und aktualisieren.

Vorteile einer Plattform mit mehreren Protokollen

Bild 1: Branchen, die Sub-GHz-Technologien und die entsprechenden Anwendungen ausnutzen. Silicon Labs

Bei den meisten LPWANs einschließlich Lo-Ra, Sigfox und NB-IoT ist für die Kommunikation mit vorhandenen Benutzergeräten ein zusätzlicher Funkkanal erforderlich. Bluetooth Low Energy (BLE) bietet eine Plattform, bei der Anwender die Geräteeinrichtung, ihr Betrieb und ihre Wartung lokal mit einem Smartphone oder Tablet vornehmen können. Außerdem lassen sich OTA-Aktualisierungen (Over-The-Air) der Firmware mit einer Bluetooth LE5-Verbindung (rund 2 MBit/s) mit höherem Durchsatz schneller durchführen als mit LPWAN-Narrowband (NB) oder Ultra-Narrowband (UNB), das nur Modulationsraten von 1 bis 100 kBit/s unterstützt.

Multiprotokoll-SoCs für die Einrichtung von Smart Metern

Sub-GHz-Frequenzen finden oft bei der Weitergabe von gesammelten Daten von einem System mit Smart Metern Verwendung, deren Anzahl sich im zwei- oder dreistelligen Bereich bewegen kann. Das könnte in Form eines proprietären FAN (Field Area Network) oder einer offenen LPWAN-Plattform stattfinden. Das FAN nutzt eine Sterntopologie in einer Many-to-one-Kommunikationsarchitektur, wobei mehrere Smart Meter drahtlos Daten an einen lokalen Server weiterleiten, der mit einem Gateway verbunden ist.  Über ein WAN (Wide Area Network) erfolgt dann die Übertragung der Daten an eine Geschäftsstelle oder ein Abrechnungssystem. Jegliche Aktualisierungen der Smart Meter müssen dann über das Gateway per Internet oder durch eine fest verkabelte Verbindung zum Messgerät selbst erfolgen. Typischerweise erfolgen Firmware-Upgrades per OTA, um die Funktionalität zu erweitern und um technische oder sicherheitsbezogene Probleme anzugehen. Da derartige Aktualisierungen wichtig für die langfristige Funktionalität von Smart Metern sind, müssen Versorgungsunternehmen in der Lage sein, bei ihren Planungen die Ausfallraten von OTA-Upgrades auf Basis von Verkehr, Störungen und einer Reihe anderer Parameter zu berücksichtigen.

Bild 2: Bluetooth Beacons haben Handels-basierende Anwendungen, wobei eine Telefonanwendung, die den Weg zu einem bestimmten Laden findet, auch Laden-spezifische Inhalte an das Smartphone senden könnte. Silicon Labs

Ein mit einem SoC (System-on-a-Chip) ausgestattetes Smart Meter, das sowohl mit Sub-GHz-Frequenzen als auch BLE (2,4 GHz) arbeitet, kann Wireless-Kommunikation über lange und lokale, kurze Strecken bereitstellen. Durch die zusätzliche Bluetooth-Konnektivität können Techniker von Versorgungsunternehmen mithilfe einer mobilen App Smart Meter im Einsatz steuern, mit ihnen kommunizieren oder sie aktualisieren. Diese Art von in das System eingebauter Redundanz kann den operativen Overhead von Versorgungsunternehmen reduzieren, da mehrere Backup-Pläne für die Durchführung von Wireless-Wartung eines Smart Meters zur Verfügung stehen. Diese Technologie kann auch in anderen vertikalen Märkten Anwendung finden und lässt sich bei landwirtschaftlichen und industriellen Anwendungen mit Messgeräten im Industriebereich einsetzen, die Parameter wie etwa die Durchflussmenge überwachen.

Mögliche Anwendungsgebiete finden Sie auf der folgenden Seite.

Anwendungen für Bluetooth Beacons und den Sub-GHz-Bereich

Bluetooth Beacons haben sich in der letzten Zeit zu der führenden Technologie im Bereich Näherungssensoren entwickelt. Rund 80 Prozent der weltweit in 2015 verbauten Näherungssensoren sind Bluetooth Beacons. Bis 2020 wird prognostiziert, dass die Marke von 400 Millionen ausgelieferten Bluetooth Beacons überschritten wird. Dieses exponentielle Wachstum ist auf ein breites Spektrum an Anwendungen zurückzuführen, einschließlich:

• Navigation innerhalb von Gebäuden
• Kontaktloses Bezahlen
• Proximity Marketing
• Automatischer Check-in
• Echtzeit-Ortungssysteme (RTLS, Real-Time Location Systems)
• Güterlokalisierung (Asset Tracking)

BLE-Beacons können bei Ortungsdiensten zum Einsatz kommen, die eine mittlere Genauigkeit über Kurzstrecken benötigen, wo ein Smartphone erkennen kann, dass es sich in der Nähe eines Beacons befindet und den allgemeinen Standort der Signalquelle kennt. Das kann etwa in Form von Promo-Aktionen für jemanden beim Einkaufsbummel erfolgen, der sich in der Nähe eines Geschäfts befindet, ohne dass eine Mobilfunkdatenverbindung notwendig wäre. Ein weiteres Beispiel ist das Tracking von hochwertigen Gütern in Echtzeit wie beispielsweise Fabrikwerkzeugen in industriellen Anwendungen, Versandcontainern in Logistikanwendungen oder Krankenhausausstattung bei Anwendungen im Gesundheitswesen.

Ein SoC, das in das Sub-GHz- und BLE-Funkmodul integriert ist, kann alle der oben genannten Anwendungen bedienen, da es das Sub-GHz-Spektrum oft ausnutzt, was dazu führt, Kosten für das Wireless-Subsystem zu senken. Wie in Bild 1 dargestellt kommen die Sub-GHz-Frequenzen in zahlreichen Anwendungen in den Bereichen Transport, Medizin, Konsumgüter, Versorgungsleistungen, Landwirtschaft und Industrie zum Einsatz und überlappen sich dabei mit vielen Bluetooth-Anwendungen.

Integrierte Bluetooth Beacons für ortsbasierende Dienste

Eine wichtige potenzielle Anwendung für Multiprotokoll-SoCs sind vernetzte Geräte für Beleuchtung mit Sub-GHz-Spektrum in Einkaufs- und Ladenzentren. Ein Chip, der Bluetooth- und Sub-GHz-Konnektivität gleichzeitig unterstützt, könnte einen Bluetooth Beacon für die Verteilung von lokalisierten Inhalten liefern, wobei aber auch die Fernsteuerung der Infrastrukturbeleuchtung möglich wäre (Bild 2). Vernetzte Beleuchtungsinfrastruktur lässt sich zur Erhöhung der Beacon-Dichte anstelle von dedizierten Beacons nutzen. Das verbessert die Ortungsgenauigkeit und forciert die Einbindung von Mobilgeräten. Ein vernetztes Beleuchtungsnetzwerk, das auch Beacon-Signale sendet, bietet eine skalierbare Plattform für Automatisierung, Energieersparnis und Echtzeit-Ortungssysteme in kommerziellen und industriellen Umgebungen sowie im Einzelhandel.

Wie können BLE und Sub-GHz auf einem Chip existieren?

Bild 3: Zeitpläne für BLE und Sub-GHz für Anwendungen mit mehreren Protokollen Silicon Labs

Die Integration von mehreren Funkmodulen auf einem Chip ist durch die Zuweisung von Zeit-Slots für einzelne Übertragungen möglich. Die meisten Sub-GHz-Systeme sind in der Lage, die Batterielaufzeit durch Narrowband-Modulationsverfahren sowie die nur sporadische Übertragung von den Sensorknoten zu verlängern. Dadurch können Endgeräte in einem Zustand arbeiten, der wenig Strom verbraucht, sowohl beim Empfangen als auch bei Inaktivität und im Ruhezustand. Während Sub-GHz-Endgeräte wie Smart Meter oder intelligente Beleuchtung im Empfängermodus arbeiten, können andere Geräte wie etwa Smartphones oder Tablets, die Bluetooth LE unterstützen, Daten an die Sub-GHz-Geräte übertragen. Dieser integrierte Zeitplan-Mechanismus (Scheduling) sorgt dafür, dass Bluetooth- und Sub-GHz-Protokolle auf demselben Chip optimal ausgenutzt werden können.

Für Anwendungen, die Näherungssensoren nutzen, benötigt ein typischer Bluetooth Beacon 1 ms für die Übertragung eines Beacon-Signals. Ein Beacon-Intervall, also die Frequenz, mit der ein Beacon ein Advertising-Paket sendet, ist üblicherweise ziemlich groß (größer 100 ms). Diese Zeitspanne ermöglicht, dass das Sub-GHz-Funkmodul sich die meiste Zeit in einem Empfangsmodus befindet, um die Beleuchtung zuverlässig zu steuern. Bei Smart-Meter-Anwendungen würde ein OTA-Firmware-Upgrade bei einer Bluetooth-Verbindung wahrscheinlich erheblich länger dauern. Nachhaltig ist dies aufgrund der nur sporadischen Durchführung eines lokalisierten OTA-Upgrades.

Fazit

IoT-Komponenten sind inzwischen in allen Branchen verbreitet und ermöglichen eine problemlose Methode zur Überwachung und Verfolgung von Parametern aus der Ferne. Sub-GHz-Frequenzen bedienen eine wenig genutzte Nische von Verbindungen über lange Entfernungen hinweg mit niedrigem oder mittlerem Durchsatz. Eine mögliche Herausforderung besteht darin, dass sich Knoten ohne ein IoT-Gateway nicht mit dem Internet verbinden lassen. Bluetooth bietet die Gelegenheit, die Funktionalität von Produkten, die über Sub-GHz angebunden sind, zu verbessern, weil es lokal Zugriff direkt auf diese Geräte bietet. Erreicht wird dies durch ein Multiprotokoll-SoC und einige raffinierte Zeitplan-Techniken. Darüber hinaus kann Bluetooth-Beacon-Technologie zusammen mit zahlreichen Sub-GHz-Technologien verwendet werden, was eine innovative Plattform für ortsbasierende Dienste zur Verfügung stellt.

(prm)