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Bilder: Linear Technology
Analog-/Mixed-Signal-ICs
Coverstory
Bild 1:
Energie, die
erforderlich
ist, um ein
kurzes
IEEE-
802.15.4-Datenpaket
zu
übertragen
und den
Empfang zu
bestätigen.
Bild 3: Multipath-Fading beeinflusst die Qualität einer Verbindung sehr stark,
selbst wenn man den Empfänger nur einige Zentimeter bewegt.
Bild 4 (rechts): Die Entwicklung des Datenübertragungsverhältnisses einer
drahtlosen Verbindung über die Zeit.
einzusetzen oder viele Komponenten mit niedrigerer Leistung.
Beim Energy Harvesting ist weiterhin die Größe des Speicherkondensators
ein wesentlicher Kostenfaktor.
Herausforderungen
Aus Gründen von Interferenzen und Mehrwegeausbreitung ist
drahtlose Übertragung von Natur aus nicht so zuverlässig. Arbeiten
zwei Sender auf demselben Kanal beeinträchtigen sich die Signale
gegenseitig und müssen nochmals gesendet werden. Interferenz
kann auch innerhalb eines Netzes auftreten sowie bei benachbarten
Netzen, die im selben Funkband arbeiten oder bei Funkapplikationen,
die auf derselben Frequenz arbeiten. Diese „externe"
Interferenz tritt besonders im lizenzfreien 2,400...2,485 GHz ISM-
Band (Instrumentation-, Scientific- und Medical-Band) auf, in
dem sich auch Wi-Fi, Bluetooth und IEEE-802.15.4 tummeln.
Bild 2 zeigt eine Büro-Anwendung wo 45 Funkknoten zwölf
Millionen Pakete austauschen, die gleichzeitig über 16 Kanäle nach
IEEE-802.15.4 übertragen werden. Gezeigt wird das durchschnittliche
Datenübertragungsverhältnis des Kanals über den gesendet
wird; ein Kanal wird von Wi-Fi überlappt und hat dadurch ein
niedriges Übertragungsverhältnis.
Das zweite Phänomen ist das Multipath Fading, zu sehen in Bild
3. Ein gesendetes Datenpaket erreicht den Empfänger auf direktem
Weg oder über Reflexion. Störungen dieser Art werden „self-interference"
genannt und sind schwieriger zu quantifizieren. Laufzeitunterschiede
führen dabei zu einem Schwund zwischen 20 und 30
dB. Bild 3 wurde von einem Sender aufgenommen, der 1000 Pakete
zu einem 5 m entfernten Empfänger sendet und auf einer Fläche
von 35 cm x 20 cm unterschiedlich positioniert ist. Die z-Achse
zeigt das Datenübertragungsverhältnis der Funkstrecke. An einigen
Positionen gibt es keinen Empfang. Abhilfe schafft hier die
wiederholte Aussendung der Pakete auf einer anderen Frequenz.
In Bild 4 ist das Datenübertragungsverhältnis einer Funkstrecke
Bild 2: Interferenz
zwischen Wi-Fi und
IEEE-802.15.4 im
Frequenzband
2,400...2,485 GHz.
zwischen zwei Sensoren dargestellt, gemessen über 26 Tage und für
jeden der 16 verwendeten Kanäle. Es gibt Unterschiede zwischen
Arbeitstag und Wochenende. Die Zuverlässigkeit der Kanäle variiert
sehr stark. Selbst Kanal 17, der generell gut ist, zeigt eine Periode, mit
schlechtem Datenempfang. Das Verhalten sämtlicher Netzpfade ist
einheitlich jedoch mit unterschiedlicher Kanal-Performance, und
nicht jeder Kanal eignet sich für jede Stelle im Netz gleich gut.
Lösungen
Eine gut geeignete Lösung für WSN ist also IEEE-802.15.4 im
915-MHz-Band für die USA und im 2,4-GHz-ISM-Band weltweit.
Immun gegen Störungen ist der 2,4-GHz-Band Spreadspectrum-
PHY. Gerade für Niedrigenergie-Komponenten, die im überfüllten
ISM-Band arbeiten ein sehr wichtiges Kriterium. Auch definiert
dieser Standard einen zuverlässigen, bestätigten und Paket-
(oderFrame)-basierten MAC-Layer mit optionaler Verschlüsselung
und Authentifizierung. Diese flexible Lösung ist die Basis verschiedener
Proprietäts- und auf Standards basierender Protokolle.
Dazu gehört auch Zig Bee, das verwendet wird, um ein nichtsynchrones
Einkanal-Netz zu realisieren. IEEE 802.15.4 ist auch die
Basis des Wireless HART-Protokolls, das bei synchronen Mehrkanal-Netzen
eingesetzt wird.
Das Wireless HART-Protokoll wurde entwickelt, um drahtlose
Geräte in bestehende, kabelgebundene HART-Installationen integrieren
zu können. Wireless HART erweitert den HART-Application-Layer-Befehlssatz.
Befehle zum Managen von drahtlosen
Funktionen und zur Überwachung der korrekten Netzwerkfunktionen
wurden hinzugefügt. Diese sehr zuverlässig arbeitenden
Netzwerke werden zentral verwaltet. Die Wireless-Sensoren senden
die Statusinformationen an den Manager, der mit diesen Informationen
das Netzwerk aufbaut und optimiert.
Im Frühjahr diesen Jahres wurde der IEEE-802.15.4e-Standard
um Zeitschlitz- und Kanal-Hopping, wie sie im Wireless-HART
20 elektronik industrie 10/2012
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