Die weiträumige Abdeckung der Applikationen im Internet of Things (IoT) und die Vermeidung von Interferenzen bei den Betriebsfrequenzen fordern die IoT-Systemdesigner heraus. Entsprechende Lösungsvarianten im 2,4-GHz-Band bieten nur eine relativ kurze Reichweite und erfordern deswegen eine Anbindung an höhere Routerebenen für die Abdeckung von Grossräumen. Das erhöht die Systemgesamtkosten, die Komplexität der Aufgabe und beeinflusst die Latenz und den Low-Power-Betrieb.
In einem interessanten Applikationsbericht (Frequency hopping for long-range IoT networks) beschreiben Ingenieure von Texas Instruments eine aktuelle Lösung des genannten Problems und zwar auf der Grundlage des TI-15.4-Stack-Software-Development-Kits (SDK). Dieses SDK bietet ein auf Standards basierenden Medium Access Protokoll (MAC), das sich besonders gut für die Cloud-Integration von Sensorkomponenten eignet. Der hierfür geeignete Anwendungsbereich erstreckt sich von der Gebäude- und der Herstellungsautomation bis hin zu industriellen Applikationen, Smart-Grids und dem Bereich der erneuerbaren Energien.
Software-Development-Kit für Sternnetze
Der TI-15.4-Stack ist ein auf dem Standard IEEE802.15.4e/g basierender SDK, der Sternnetze für Sub-1-GHz-Applikationen unterstützt. Die Stack-Software läuft auf dem firmeneigenen SimpleLink-Sub-1-GHz-CC1310-Wireless-Mikrocontroller und bietet so einige markante Vorteile, wie längere Reichweite im gewählten Frequenzband (915 MHz FCC, 863 MHz ETSI) sowie einen besseren Schutz gegen In-Band-Interferenzen durch die Implementierung des Frequenzsprungverfahrens (Wi-SUN für Field Area Networks). Es handelt sich hier praktisch um eine komplette Node-zum-Gateway Lösung.
Wireless Mikrocontroller und Frequenzsprungverfahren
Die hochintegrierte MCU CC1310 kombiniert einen flexiblen und Low-Power-HF-Transceiver mit einem leistungsstarken 48-MHz-Cortex-M3-Mikrocontroller in einer Plattform, die mehrere physikalische Ebenen und HF-Standards unterstützt. Ein dedizierter Radiocontroller (Cortex-M0) übernimmt die Low-level-Protokollbefehle, die in RAM oder ROM gespeichert sind. Dies ermöglicht einen extrem niedrigen Leistungsverbrauch und eine hohe Flexibilität, was aber nicht die HF-Performance einschränkt. Will ein Bauelement das Frequenzsprungverfahren einsetzen, wechselt es zu unterschiedlichen Zeiten seinen Empfängerkanal. Die Sprungsequenz für den Kanal basiert auf der Direct-Hash-Channel-Function (DH1CF), die in der Wi-SUN-FAN-Spezifikation erläutert wird. DH1CF erzeugt eine zufällige Folge von Kanälen, basierend auf der erweiterten Node-Adresse. Jeder Node ist damit einmalig und unterstützt zwei unterschiedliche Kanalsprungsequenzen: Unicast und Broadcast. Weitere Einzelheiten, auch über die Sleep-Mode-Funktion können dem Applikationsbericht entnommen werden. Neben der erweiterten Übertragungsreichweite kann das Frequenzsprungverfahren selbst bei Interferenzen eine robustere Kommunikation bieten. Da Daten dynamisch über bestimmte Frequenzkanäle ausgetauscht werden, sollte ein Datenpaket im Durchschnitt sein Ziel erreichen.
Robust gegen Interferenz lässt sich auf zwei Arten erreichen
Die Robustheit gegenüber Interferenzen kann man entweder durch die Erhöhung der Kanalzahl oder entsprechende Übertragungswiederholungen erreichen. Um die Effekte der Robustheit zu untersuchen, enthält der Stack-SDK das Beispiel einer Sensorapplikation mit einem Node-Paar.
Die Applikation bietet zwei Datenverkehrsmuster, und zwar Sensornachrichten, die periodisch vom Sensor zum Sammler gesendet werden, sowie Tracking-Nachrichten, die vom Sammler zum Sensor mit indirekten Übertragungen kommen. Der erwähnte Applikationsbericht steht zum Download bereit.
Applikationsbericht: 04_17.01.pdf
Infoservice
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