Auch in traditionellen Sensor-Netzwerk-Applikationen spielt niedriger Stromverbrauch eine immer wichtigere Rolle.

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Möglichkeiten und Einschränkungen Niedriger Stromverbrauch in drahtlosen IoT-Systemen

11.11.2019

Drahtlose Konnektivität mit sehr geringem Energiebedarf ist ein wichtiger Baustein auf dem Weg zum IoT. Viele drahtlose Technologien versprechen ultraniedrigen Stromverbrauch und damit jahrelangen störungsfreien Batteriebetrieb. Wenn man jedoch versucht, die realistische Leistung verschiedener Technologien zu quantifizieren und vergleichen, stößt man schnell auf Hindernisse.

Dieser Beitrag beschreibt eine Reihe von Fallgruben, auf die man bei der Auswahl von drahtloser Konnektivität für ein batteriebetriebenes Produkt achten sollte. Außerdem beschreiben wir, wie zum Beispiel die NeoMesh-Technologie von Neocortec Low Power in einer drahtlosen Konnektivität-Lösung ermöglicht.

Netzwerklösungen – ein Überblick

Drahtlose Technologien für Applikationen mit geringem Stromverbrauch – oder noch spezifischer: Applikationen zur Übertragung von vergleichsweise geringen Datenmengen, wie es oft der Fall ist bei IoT- und Sensor-Produkten, können je nach ihrer Topologie eingeteilt werden, also der Art, wie die Geräte verbunden sind. Punkt-zu-Punkt-Verbindung oder P2P wird angewendet in Applikationen, wo Daten allein zwischen zwei Geräten übertragen werden. Das wäre zum Beispiel ein Temperatursensor, der Messdaten zu einem Gateway sendet.

Sterntopologie ist eine Erweiterung von P2P. Hier kommuniziert eine größere Anzahl von Geräten mit einem Master-Gerät. Eine typische Applikation für Sterntopologie ist ein Sensornetzwerk. Neuerdings sind LPWAN-Technologien entstanden wie zum Beispiel LoRaWan, ein Beispiel einer Sterntopologie. Hier bedient ein Gateway eine Anzahl von Slave-Geräten.

Mesh-Topologie wird definiert als ein Netzwerk von Geräten, die mit einer bestimmten Dichte angebracht sind, sodass die einzelnen Knoten mit ihren Nachbarknoten kommunizieren können. Auf diese Weise entsteht eine Struktur, die Datenübertragung von einem Senderknoten zu einem Empfängerknoten über eine Anzahl von dazwischenliegenden Knoten ermöglicht, ohne dass Sender und Empfänger notwendigerweise in der Lage sind, direkt miteinander zu kommunizieren.

Je nach Applikation kann jede dieser Netzwerk-Topologien relevant sein. Geht es aber um Sensornetzwerke und industrielle IoT-Applikationen, sind Stern- und Mesh-Topologie die am besten geeigneten Kandidaten. Für welche von diesen zwei Möglichkeiten man sich entscheidet, hängt von der vorliegenden Anwendungsimplementierung ab.

Einschränkungen der drahtlosen Netze

In jeder der beschriebenen Topologie-Gruppen gibt es eine Anzahl von konkurrierenden Technologien, die alle ihre Vor- und Nachteile haben. Beim ersten Blick könnte man den Eindruck bekommen, dass sie alle vermarktet werden, als ob sie optimale Performance für alle nur denkbaren Applikationen bieten. Das trifft natürlich nicht zu, und es ist wichtig, dass man gründlich die konkreten Vor- und Nachteile freilegt, bevor man sich auf eine Technologie für ein spezifisches Produkt festlegt. Bei der Auswahl kann man eine Reihe von Kriterien anwenden. Besonders muss man auf Folgendes achten:

  • Die Größe (Byte) von Nutzlastdaten, die über das Netzwerk zu übertragen sind

  • Übertragungszeitplan: Wie oft sollen Nutzlastdaten übertragen werden

  • Einweg- oder bidirektionale Kommunikation

  • Leistungsfähigkeit der Stromversorgung

  • Gerätetopologie: Anzahl der Geräte, welche Distanz, dynamisch oder statisch et cetera

Ultrageringer Verbrauch in drahtlosen Netzen

Kabellose Kommunikation erfordert Funkwellen, die von einem Gerät erzeugt, übertragen und von einem anderen Gerät empfangen werden. Dieser Prozess benötigt elektrische Energie im Transmitter und auch im Empfänger.

Ganz allgemein erfordert es mehr Energie, je länger der Kommunikationsweg ist. Lange Kommunikationswege können erzielt werden durch eine Erhöhung der Sendeleistung – diese ist oft durch behördliche Vorschriften beschränkt. Ebenso lässt sich der Sendeweg durch eine Erhöhung der Sensitivität des Empfängers verlängern. Das gleiche gilt für Mesh-Netzwerke, die dafür Zwischenstationen (Hops) nutzen. Potenziell kann man so die Reichweite um viele Kilometer verlängern oder Verbindungen etablieren, die ins Innere von Gebäuden führen.

Ganz gleich wie man die Reichweite eines Systems erzielt, die Batterielebensdauer ist bestimmt von dem durchschnittlichen Stromverbrauch der Sender und Empfänger im Netzwerk. Der durchschnittliche Stromverbrauch besteht aus den Übertragungen von konkreten Nutzlastdaten sowie aus Housekeeping-Aktivitäten, die notwendig sind, um den Kommunikations-Link bereitzuhalten. Diese nicht nutzlasthaltigen Aktivitäten unterscheiden sich wesentlich von Technologie zu Technologie und sind auch von der konkreten Anwendung abhängig.

Der Stromverbrauch zum Übertragen von Nutzlastdaten ist auch stark von der eingesetzten Technologie abhängig. LPWAN-Technologien zum Beispiel, die Kommunikationslinks von bis zu 10 km anwenden, arbeiten mit sehr hoher Ausgangsleistung und einem sehr sensitivem Empfänger. Die hohe Sensitivität wird durch eine Reduzierung der Sendegeschwindigkeit (Baud-Rate) in der Funkverbindung erreicht. Der Nachteil ist aber eine Zeitverlängerung für die Übertragung einer bestimmten Nutzdatenlast. Daraus resultiert ein höherer Stromverbrauch am Sender und am Empfänger.

Bei Mesh-Netzwerk-Technologien sieht das anders aus. Sie sind dadurch charakterisiert, dass jeder Knoten im Netzwerk Strom verbraucht, nicht nur für sich selbst, sondern auch in Auftrag von anderen Knoten im Netzwerk. Daher werden Mesh-Netzwerke üblicherweise nicht verwendet, wenn es um ultraniedrigen Stromverbrauch geht.

Mesh-Netwerke und Sendeleistung

Wie erwähnt ist die Energieeffizienz der einzelnen Knoten in einem Mesh-Netzwerk potenziell gering. Das liegt daran, dass ein Knoten, der Daten routet, im Auftrag von anderen Knoten Aufgaben übernimmt, die nicht direkt mit seiner eigenen Anwendungsebene verbunden sind.

In Legacy-Mesh-Netzwerken wie ZigBee, Z-Wave, Thread, Bluetooth und dergleichen wird dieses Problem bewältigt, indem man das Mesh-Netzwerk in einem „Mesh of Stars“ organisiert. Jeder Sternpunkt wird als Full Functionality Device (FFD) oder Konzentrator und die dem FFD zugeordneten Knoten als Reduced Functionality Devices (RFD) oder End-Knoten bezeichnet. Die RFDs können mit ultraniedrigem Stromverbrauch auskommen, da sie nur ihren Sender aktivieren, wenn ihre eigene Anwendungsebene Nutzlastdaten ausstrahlt. Die übrige Zeit verbringen sie im Schlafzustand mit sehr geringem Verbrauch.

Da die RFDs im asynchronen Modus arbeiten, müssen aber die FFDs ständig „mithören“, um zu sichern, dass alle Übertragungen empfangen werden. Der Stromverbrauch zum Empfangen ist in diesen Kurzstreckenradios oft fast genau so groß wie der Verbrauch zum Senden. Daher können die FFDs an sich nicht mit Batteriespannung auskommen und müssen oft an das Stromnetz angeschlossen werden. Außerdem, da die RFDs nur aktiv sind, wenn ihre eigene Anwendungsebene aktiv ist, sind sie nicht imstande, Nutzlastdaten zu routen. Daher sind sie nicht im eigentlichen Sinne Teil einer Mesh-Struktur.

NeoMesh-Technologie der zweiten Generation

Die NeoMesh-Technologie will das Beste aus zwei Welten vereinen: Sie bietet die Redundanz und Zuverlässigkeit, für die die Mesh-Netzwerke bekannt sind. Zugleich ermöglicht NeoMesh ultraniedrigen Stromverbrauch für alle Geräte im Netzwerk. Daher können etwa Sensoren jahrelang von einer kleinen Batterie versorgt werden.

Wie ist das möglich? Die NeoMesh-Technologie nutzt zwei Grundprinzipien, die es den Knoten ermöglicht, als FFDs zu agieren und trotzdem mit einem sehr niedrigen Energiebedarf auszukommen. Das erste Prinzip ist die Synchronisation der Kommunikationszeitpläne. Das zweite ist eine hohe Baudrate auf der Funkebene, um ultrakurze Übertragungsstöße zu erzeugen. Der synchronisierte Betrieb erlaubt, alle Geräte im Schlafmodus zu bleiben und nur kurzweilig aufzuwachen, um Housekeeping-Informationen auszuwechseln, bei Bedarf auch Nutzlastdaten. Da die Geräte eine relativ hohe Baudrate auf der Funkebene benutzen, ist die gesamte Einschaltdauer sehr gering.

Lassen Sie uns die Aktivität eines NeoMesh-Knotens etwas näher betrachten. Das Backbone des Netzwerks ist die zeitplangemäße Datenübertragung. Jeder Knoten im Netzwerk überträgt Daten einmal pro geplantem Intervall. Dieses Intervall ist konfigurierbar und kontrolliert den allgemeinen Takt des Netzwerks und damit auch den durchschnittlichen Stromverbrauch. Die Knoten, die miteinander in Verbindung stehen, erfassen die zeitplangemäßen Übertragungen ihrer Nachbarn. Damit können sie sich synchronisieren und zudem auch den Überblick über naheliegende Knoten behalten.

Wenn ein Knoten zum Beispiel vier Nachbarn hat, überträgt er einmal pro geplantem Intervall zeitplangemäße Daten und lauscht viermal – einmal pro Nachbar. Da die RF-Baudrate hoch und die Größe der zeitplangemäßen Daten gering ist, ist die Zeitdauer auch sehr gering.

Wenn Nutzlastdaten übertragen werden, sind sie „piggybacked“ auf den geplanten Datenübertragungen. Das bedeutet, dass falls ein Knoten Daten übertragen muss, es dann geschieht, wenn es Zeit ist, geplante Daten zu übertragen. Die Steigerung der Sendeenergie ist dabei gering. Die Obergrenze für Nutzlastdaten ist 19 Bytes – das ergibt bei 500 kBaud eine zusätzliche RF-TX-Zeit von 0,4 ms (inklusive zusätzlicher Header-Information). Geringere Mengen von Nutzlastdaten ergeben ein geringeren Overhead.

Im Allgemeinen gilt: Da die geplanten Datenübertragungen sehr langsam sind, ist auch der Zuwachs im Stromverbrauch sehr gering. Im Gegensatz zum geplanten Datenverkehr übertragen die Knoten Beacons, die es ihnen ermöglicht, andere Knoten zu identifizieren. Der Takt dieser Beacon-Übertragung ist konfigurierbar und bestimmt, wie schnell Knoten einander erkennen können und wie schnell ein Netzwerk sich bilden kann, aber auch wie schnell das Netzwerk neue Knoten, die in Reichweite geraten, identifizieren kann.

Der Beacon-Takt beeinflusst dabei den durchschnittlichen Stromverbrauch. Ähnlich wie die zeitplangemäße Übertragung von Daten sind auch die Beacon-Übertragungen sehr kurz, aufgrund der hohen RF-Baudrate und der geringen Datenmenge, die übertragen wird.

Äpfel nicht mit Birnen vergleichen

Wenn es um die konkrete Ermittlung des Stromverbrauch in drahtlosen Sensoren und IoT-Geräten geht, ist nicht allein die Performance der entscheidende Faktor. Zudem gibt es keine allgemeingültige Definition. „Zehn Jahre Batterielebensdauer“ werden oft versprochen, wenn es um die Performance einer Technologie geht. Aber zehn Jahre aus einer 3-V-D-Batterie herauszuholen, ist natürlich etwas anderes, als zehn Jahre Lebensdauer mit einer ½-AA-3-V-Batterie.

Natürlich können Verbesserungen im Design von integrierten Schaltkreisen den Radio-TX- und Radio-RX-Stromverbrauch senken. Ein Großteil der Funktechnologien nutzen die neuesten Weiterentwicklungen in der Funktechnik, und daher ist die tatsächliche Anlagenleistung durch das Kommunikationsprotokoll bestimmt, das heißt wie die Funkverbindung genutzt wird und wie viel Overhead-Verbrauch für Housekeeping-Aktivitäten dazukommt.

NeoMesh ist ein synchrones Mesh-Netzwerk, in dem alle Knoten Full Functional Devices sind, und das damit fähig ist, Nutzlastdaten zu senden, zu empfangen und weiterzuleiten. Dies erfolgt in einem konfigurierbaren Takt.

Die Bestimmung dieses Taktes ist ein Kompromiss zwischen Meldungsverzögerung, Netzwerkkapazität und durchschnittlichem Stromverbrauch. Der schnellste Takt ist eine Sekunde und der langsamste 30 Sekunden lang. Im langsamsten Takt ist der durchschnittliche Stromverbrauch eines Knotens niedriger als 20 μA. Diese Konfiguration ist oftmals schnell genug für drahtlose Messuhren und Sensoren für Temperaturmessungen und dergleichen mit einem Messintervall von ungefähr 15 Minuten.

Für bestimmte Anwendungen, die eine höhere Messfrequenz benötigen, kann die Taktrate des Netzwerkes gesteigert werden. Eines der Werkzeuge für die Konfiguration von NeoMesh-Knoten stellt sogar die Möglichkeit zur Verfügung, den exakten durchschnittlichen Stromverbrauch einer bestimmten Netzwerk-Konfiguration zu ermitteln.

Bildergalerie

  • Die verschiedenen Sensoren senden ihre Daten an eine zentrales Gatewway zur weiteren Verarbeitung und Analyse der Informationen.

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