Bild 1: Im IoT-Netzwerk kommunizieren Geräte über verschiedenste Funkprotokolle in einem weiten Frequenzbereich.

Bild 1: Im IoT-Netzwerk kommunizieren Geräte über verschiedenste Funkprotokolle in einem weiten Frequenzbereich. Silcon Labs

Das rasant wachsende Internet of Things (IoT) eröffnet viele neue Einsatzmöglichkeiten – und legt jetzt die Messlatte höher. Über Jahrzehnte gewachsene, komplexe Netzwerke von drahtgebundenen und drahtlosen Sensoren bilden die Grundlage des heutigen IoT. Sie zu ersetzen, wäre ein kostspieliges Unterfangen. Die Unterstützung von Altsystemen ist jedoch nicht die einzige Herausforderung, zu berücksichtigen sind auch die verwendeten, oft konkurrierenden Protokollstandards, um gleichartige Konnektivitätsprobleme zu lösen. Des Weiteren benötigt die bestehende IoT-Infrastruktur eine Erweiterung um neue drahtlose 802.15.4-Technologien.

Mit Einführung der Multiprotokoll-Technologie vereinfacht sich die Einbindung zusätzlicher drahtloser Sensorknoten in die bestehenden Netzwerke. Aktuelle Hardware- und Softwarelösungen versetzen ein einziges System-on-Chip-Bauelement (SoC) in die Lage, mehrere Drahtloseprotokolle wie Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee und Thread zu unterstützen – und das über eine breiten Frequenzbereich von Sub-GHz-Bändern bis zu 2,4 GHz (Bild 1).

Eckdaten

Die Entwicklung neuer drahtloser IoT-Geräte und deren Einbindung in einem historisch gewachsenen Netzwerk mit unterschiedlichsten Übertragungsstandards ist eine Herausforderung. Multiprotokoll-Multiband-SoCs von Silicon Labs beherschen Zigbee, Thread, BLE oder proprietäre Protokolle und das drahtlos von Sub-GHz-Bändern bis zu 2,4 GHz. Universell einsetzbar verringern die energie-effizienten Bausteine die Komplexität des Hardware-Designs und bieten vielfältige funktionale wie auch wirtschaftliche Vorteile.

Universell und doch kostengünstig

Die Entwickler von IoT-Geräten stehen vor einem Dilemma. Sie sollen ein Einzelprodukt entwerfen, das mit allen möglichen Drahtlos-Standards arbeiten kann und gleichzeitig die Kosten und Komplexität der Materialliste des Systems minimiert. Nur sehr wenige Gerätehersteller haben die Ressourcen oder sind gewillt, einzigartige Designs für den Einsatz im IoT zu schaffen.

Multiprotokollfähige Multiband-SoCs befreien Entwickler aus dieser Problemlage, indem sie sowohl proprietäre Sub-GHz-Frequenzen als auch Standard-basierte Protokolle im 2,4-GHz-Band unterstützen – alles im Rahmen eines hochintegrierten Single-Chip-Bausteins. Im Idealfall verfügt ein Multiprotokoll-Multiband-SoC über einen Funk-Transceiver mit zwei Funkpfaden, einer für den Sub-GHz-Bereich und einer für 2,4-GHz-Übertragungen (Bild 2). Durch diese integrierte Funkarchitektur erhalten IoT-Entwickler zahlreiche Möglichkeiten für neue Einsatzfelder ihrer Systeme.

Bild 2: Der Multiprotokoll-Multiband-SoC EFR32xG1 Wireless Gecko enthält einen Funk-Transceiver mit zwei Funkpfaden.

Bild 2: Der Multiprotokoll-Multiband-SoC EFR32xG1 Wireless Gecko enthält einen Funk-Transceiver mit zwei Funkpfaden. Silicon Labs

Eine optimierte Funkarchitektur

In Bild 2 ist die Signalkette eines typischen Multiband-Transceivers dargestellt, der in ein drahtloses SoC integriert ist. Manche Elemente des Funktransceivers werden gemeinsam genutzt, während andere separat arbeiten. Der HF-Teil arbeitet separat aufgrund unterschiedlicher Frequenzanforderungen, das Modem, bestehend aus Modulator, Demodulator sowie einem Teil der Verschlüsselungshardware, nutzt beide Funk-Frontends.

Diese Funkarchitektur ergibt einen hoch optimierten, durchgehenden und kostengünstigen Lösungsansatz für ein Multiprotokoll-Multiband-Design. Auf die Ressourcen des Modems können Protokoll-Stacks verschiedenartiger Kommunikationsstandards zugreifen. Zudem wird das Modem auch zwischen dem HF-Teil gemultiplext, um Pakete drahtlos zu empfangen und zu senden. Darüber hinaus ist die Architektur bestens für die Softwareentwicklung geeignet, da sie eine gemeinsame Schnittstelle für den Funk zur Verfügung stellt. Der Entwickler kann somit eine Funkkonfigurationsschicht schaffen, die von verschiedenen Protokoll-Stacks gemeinsam nutzbar ist.

Wirtschaftliche Vorteile trotz komplexer Software

Die zur Implementierung einer Multiprotokoll-Multiband-Lösung erforderliche Software ist recht komplex. IoT-Entwickler benötigen äußerst effiziente Wireless-Stacks, die in einer Vielzahl von Hardwareprodukten arbeiten, wenn sie in einer Multithread-Umgebung mit einem Echtzeitbetriebssystem (RTOS) zum Einsatz kommen.

Tabelle 1: Diese vier Arten von Multiprotokoll-Use-Cases sind in heutigen IoT-Anwendungen üblich.

Tabelle 1: Diese vier Arten von Multiprotokoll-Use-Cases sind in heutigen IoT-Anwendungen üblich. Silicon Labs

In einer Multiprotokollanwendung müssen die Stacks nahtlos gemeinsam oder unabhängig voneinander arbeiten. Laufen zwei Stacks auf dem selben SoC mit geteilter Hardware, muss sichergestellt werden, dass die Integrität des Netzwerks erhalten bleibt. Das erfordert optimierte Stacks die gut zusammen oder getrennt funktionieren, ohne dass es zu einer Aufblähung oder zu einer Ineffizienz kommt.

Multiprotokoll-Anwendungsbeispiele bieten den Herstellern von Endsystemen erhebliche wirtschaftliche Vorteile, indem sie ihnen helfen, die Lieferkette zu optimieren, die Systeminstallation zu vereinfachen und ohne zusätzliche Hardwarekosten einen Mehrwert für ihre Endkunden zu schaffen.

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