Bild 1: System ohne Koexistenz-Mechanismus: Bei gleichzeitiger Nutzung stört die Wi-Fi-Einheit den BLE-Betrieb.

Bild 1: System ohne Koexistenz-Mechanismus: Bei gleichzeitiger Nutzung stört die Wi-Fi-Einheit den BLE-Betrieb. (Bild: Texas Instruments)

Reden in einem voll besetzten Saal viele Menschen gleichzeitig, sind nur die lautesten Stimmen herauszuhören. Ergreifen die Personen dagegen einzeln das Wort, ist jede Stimme gut zu verstehen, auch wenn sich die Zahl der Menschen im Saal nicht verringert hat. Ganz ähnlich ist es im Funkspektrum mit seinen immer zahlreicher werdenden, drahtlos kommunizierenden Geräten.

Das 2,4-GHz-Band, das im Gebäudeautomatisierungs- und Medizintechnik-Bereich sehr gebräuchlich ist, ist ein solch dicht besetzter Frequenzbereich. Ein hohes Aufkommen an Störungen und Interferenzen kann so bei Wi-Fi- und BLE-Geräten zu Übertragungsfehlern führen. In einem Patientenüberwachungs-Gateway etwa könnte eine Wi-Fi-Funkeinheit mit höherer Leistung Interferenzen mit einem schwächeren, mit BLE arbeitenden Sender auslösen, der zur Kommunikation mit gleichzeitig aktiven, zur Patientenüberwachung dienenden Fernsensoren benutzt wird. Kommen hier keine Koexistenz-Mechanismen zum Einsatz, können sich ernste Auswirkungen auf die Patientendaten einstellen.

Koexistenz koordinieren

Es kann daher sehr wichtig sein, die Koexistenz zwischen Wi-Fi und BLE entsprechend zu koordinieren, denn eine betriebssichere und verlässliche Kommunikation ist bei diesen konkurrierenden Protokollen unverzichtbar. Die Koexistenz zwischen zwei Funkeinheiten minimiert das Risiko von Interferenzen, wenn beide gleichzeitig im selben Frequenzband genutzt werden. Eine Zwei-Chip-Lösung mit zwei Funkeinheiten sorgt außerdem für eine robuste Funk-Performance, weniger Stromverbrauch und verbesserte Sicherheitseigenschaften.

Ein HLK-Gateway (Heizung, Lüftung, Klima) oder ein Patientenüberwachungssystem sind gute Beispiele für Anwendungsfälle, die von einer Lösung aus Wi-Fi und BLE profitieren können. Wi-Fi wird zur sicheren Anbindung des Systems an die Cloud für die Überwachung und Steuerung aus der Ferne verwendet. Darüber hinaus kann BLE dazu dienen, die Wi-Fi-Verbindung der HLK-Steuerungen dem lokalen Netzwerk zur Verfügung zu stellen. Ebenso ist es per BLE möglich, verschiedene Low-Power-Sensorknoten zu überwachen und die Daten in der HLK-Steuerung oder im Patientenmonitor zu sammeln, damit diese zur Weiterverarbeitung in die Cloud gelangen können.

Unabhängige Funkeinheiten

Müssen Wi-Fi und BLE gleichzeitig aktiv sein, lässt sich der Traffic mit den Koexistenz-Mechanismen der Systeme so koordinieren, dass die Interferenzen minimal ausfallen. Unterbleibt dies, wirken sich die Interferenzen allerdings bei BLE am stärksten aus, da die Wi-Fi-Einheit mit deutlich mehr Leistung arbeitet (Bild 1).

Mit geeigneten Koexistenz-Maßnahmen können die Geräte besser gleichzeitig kommunizieren, während der Betrieb anderenfalls wegen des simultanen Betriebs im 2,4-GHz-Band gestört würde. Die Verwendung unabhängiger Funkeinheiten mit Koexistenz-Unterstützung minimiert dieses Problem, da das Traffic-Management, wie in Bild 2 gezeigt, vom Koexistenz-Algorithmus koordiniert wird. Eine aus zwei Chips bestehende Lösung für Wi-Fi und BLE 5.x mit integrierter Koexistenz-Unterstützung kann dank ihrer unabhängigen, optimierten Architekturen zusätzliche Vorteile bieten. Die separaten Funk-Architekturen ermöglichen eine höhere Empfindlichkeit, was gegenüber einer Single-Chip-Funkeinheit und einer kompletten Sicherheitsausstattung für mehr Reichweite und weniger Stromverbrauch sorgt.

Bild 2: Ein System mit integriertem Koexistenz-Mechanismus minimiert die gegenseitige Beeinflussung der 2,4-GHz-Funkeinheiten, wenn beide zur gleichen Zeit betrieben werden.
Bild 2: Ein System mit integriertem Koexistenz-Mechanismus minimiert die gegenseitige Beeinflussung der 2,4-GHz-Funkeinheiten, wenn beide zur gleichen Zeit betrieben werden. (Bild: Texas Instruments)

Darüber hinaus ist der Stromverbrauch ein wichtiger Faktor für batteriebetriebene Systeme, die mit Wi-Fi und BLE funken. Die Wi-Fi-Einheit besitzt konfigurierbare Low-Power-Profile, wie etwa einen Hibernate-Modus mit 4,5 µA Stromaufnahme sowie einer schnellen, sicheren, binnen weniger als 200 ms nach dem Aktivieren aufgebauten TLS/SSL-Verbindung zum Access Point. Mit ihrem speziellen Netzwerk-Lernmechanismus unterstützt sie ferner eine beständige und zuverlässige, stromverbrauchsarme Verbindung zu einer Vielzahl von Access Points (Stand heute sind es mehr als 230). Ähnlich ist es bei Bluetooth Low Energy: diese Einheit bietet eine sehr niedrige Standby-Stromaufnahme von 0,94 µA bei einer sehr guten Empfindlichkeit von -97 dBm, was zusammen mit der maximalen Ausgangsleistung von +5 dBm für mehr Reichweite sorgt.

Mehr Sicherheit mit Zwei-Chip-Architekturen

Die Zwei-Chip-Architekturen ebnen nicht zuletzt den Weg zu mehr Sicherheit, indem sie sich auf die Security-Features von Wi-Fi und BLE stützen: Hardware-Verschlüsselung, Secure Boot, Application-Level Security und sichere OTA-Lösungen (Over The Air). Die Wi-Fi-Einheit enthält außerdem den aktuellsten WPA3-Support auf der Personal- und Enterprise-Ebene sowie TI Root-of-Trust Public Key. Verschlüsselte und authentifizierte Executables ermöglichen außerdem die Abwehr von Cloning- und Hacking-Versuchen. Die Integration der Koexistenzfähigkeit mithilfe einer einadrigen Schnittstelle zwischen den Bausteinen bewirkt ferner, dass mehr I/O-Leitungen für weitere Sensoren und Peripheriefunktionen verfügbar sind.

Ähnlich wie Gateways, können auch andere Produkte im Heimautomations- und Medizintechnik-Bereich von dem auf die Security aufsetzenden Koexistenz-Feature und der optimierten und zuverlässigen Low-Power Kommunikation eines Zwei-Chip-Systems profitieren. Beim Design kommt es deshalb heute mehr denn je darauf an, gewissenhaft vorzugehen, eine robuste Kommunikation zu gewährleisten und für minimale Interferenzen in dem dicht besetzten, durch hohes Störaufkommen gekennzeichneten 2,4-GHz-Band zu sorgen.

Noch mehr Vorteile bei der Zwei-Chip-Lösung erhalten Entwickler mit dem Referenzdesign von Texas Instruments, mit dem sich das Design vereinfachen lässt. Insgesamt steht außerdem ein breit gefächertes Portfolio an skalierbaren Bauelementen, EVMs und Tools zur Verfügung. (na)

Johnsy Varghese

Product Marketing Engineer bei Texas Instruments

Kevin Koestler

Product Marketing Engineer bei Texas Instruments

Sie möchten gerne weiterlesen?

Registrieren Sie sich jetzt kostenlos:

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Sie sind bereits registriert?

Unternehmen

Texas Instruments Deutschland GmbH

Haggertystraße 1
85356 Freising
Germany