Ein kurzer Leitfaden zu den wichtigsten Aspekten von Kurzstreckenfunktechnologien

Wenn Sie sich entschieden haben, dass Funkkonnektivität die beste Methode ist, um Ihr Produkt mit der Welt zu verbinden, dann haben Sie eine gute Entscheidung getroffen. Der Komfort, die Mobilität und die Flexibilität, die dies mit sich bringt, machen das Produkt für Ihre Zielgruppe weitaus interessanter. Aber nachdem Sie sich einen Moment lang selbst auf die Schulter geklopft haben, ist es an der Zeit, sich der harten Entwicklungsarbeit zu widmen.

Die Arbeit beginnt mit der Entscheidung, welche Form der Funkkonnektivität am besten zum Produkt passt. Nehmen wir an, Sie möchten Ihr Gerät mit einem anderen Funkprodukt und/oder mit dem Internet verbinden und es zum Teil des Internets der Dinge (IoT) machen. Gehen wir außerdem davon aus, dass Sie sich für eine Standardtechnologie entschieden haben (und nicht für eine der vielen proprietären Kurzstreckenlösungen), um die Interoperabilität mit Produkten anderer Hersteller zu nutzen. Nehmen wir schließlich an, dass Sie eine Funkverbindung über eine Reichweite von weniger als 100 Metern (m) herstellen möchten.

Das grenzt die Möglichkeiten schon einmal ein. Aber selbst innerhalb dieses eingegrenzten Bereichs kann die Wahl der Kurzstreckenfunktechnologie verwirrend sein. Um eine Lösung zu finden, muss methodisch festgelegt werden, wozu die Funkverbindung dienen soll.

Bei allen Funktechnologien mit geringer Reichweite besteht ein Kompromiss zwischen Reichweite, Durchsatz, Stromverbrauch und Störfestigkeit. Im Allgemeinen geht eine größere Reichweite und/oder ein höherer Durchsatz mit einem höheren Stromverbrauch einher. Eine gute Störfestigkeit – eine wichtige Voraussetzung für Funktechnologien, die in überfüllten Bändern des Funkfrequenzspektrums (z. B. im 2,4-GHz-Band) betrieben werden – kann auch dazu beitragen, Energie zu sparen, da Funkpakete, die nicht beim Empfänger ankommen, nicht ständig erneut gesendet werden müssen. Weitere wichtige Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, sind Maschennetzwerkfähigkeit und die Interoperabilität der Internetprotokolle (IP).

Die wichtigsten Funktechnologien für den Nahbereich

Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee und Thread (das wie Zigbee auf dem IEEE 802.15.4-konformen Funk beruht) sind die wichtigsten Kurzstreckenfunktechnologien. Dies ist jedoch bei weitem keine vollständige Liste der Funklösungen für den Nahbereich. Andere Technologien wie Ultrabreitband (UWB), Nahfeldkommunikation (NFC), Wireless M-Bus, Z-Wave und Wi-SUN sind für viele Nischenanwendungen eine Überlegung wert. Doch schauen wir uns zunächst einmal die gängigeren Optionen an.

Wenn Durchsatz und IP-Interoperabilität ganz oben auf der Liste der Spezifikationen stehen, dann ist Wi-Fi die führende Option. Die derzeit beliebteste Lösung ist Wi-Fi 5 (ehemals IEEE 802.11ac), das einen maximalen theoretischen Durchsatz von 3,5 Gigabit pro Sekunde (GBit/s) und eine maximale Reichweite in Gebäuden von 100 m bietet. Die Technologie basiert auf mehreren Kanälen, die den Durchsatz erhöhen und Probleme mit dem Mehrwege-Schwund (Störungen, die dadurch entstehen, dass der Empfänger mehrere Reflektionen eines einzigen Sendesignals wahrnimmt) überwinden. Der Wi-Fi-Stack enthält außerdem integriertes IPv6, sodass kein Router oder Gateway zusätzlich erforderlich ist, um Daten an die Cloud zu senden.

Abbildung 1: Wi-Fi beinhaltet IPv6, um eine nahtlose Verbindung mit dem Internet herzustellen. (Bildquelle: Netgear)

Der potenzielle Durchsatz von Wi-Fi erfordert eine hohe Sende-/Empfangsleistung, so dass diese Technologie nicht die richtige Wahl ist, wenn das Energiebudget begrenzt ist. Außerdem wurde Wi-Fi nicht für die Unterstützung von Dutzenden von vernetzten Geräten optimiert. Wi-Fi 6 (ehemals IEEE 802.11ax), das vor kurzem mit einigen Chips eingeführt wurde, behebt diese Nachteile bis zu einem gewissen Grad, indem es den spektralen Wirkungsgrad der Technologie verbessert.

Wenn ein niedriger Stromverbrauch der wichtigste Designparameter ist, dann sind Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee und Thread eine nähere Betrachtung wert. Es gibt viele Ähnlichkeiten zwischen diesen Technologien aufgrund der gemeinsamen DNS der oben erwähnten IEEE 802.15.4-Spezifikation. IEEE 802.15.4 beschreibt die Bitübertragungs- (PHY) und die Medienzugriffskontrollschicht (MAC) für persönliche Low-Rate-Funknetzwerke (low-rate wireless personal area networks, LR-WPANs). Die Technologien nutzen im Allgemeinen bei 2,4 GHz, obwohl es auch einige Sub-GHz-Varianten von Zigbee gibt.

Bluetooth LE ist eine stromsparende Version des „klassischen“ Bluetooth, der verbraucherorientierten Funktechnologie, die zuerst eine Nische für die Verbindung von Smartphones mit drahtlosen Headsets fand. Bluetooth LE wurde mit der Version 4.0 Teil des Bluetooth-Protokolls. Es verbraucht etwa ein Zehntel des Stroms von Bluetooth und bietet dennoch einen maximalen Rohdatendurchsatz von 2 MBits/s bei einer Reichweite von 50 m.

Die Technologie eignet sich für IoT-Anwendungen wie Smart-Home-Sensoren, bei denen die Datenübertragungen moderat sind und selten stattfinden. Geboten werden 40 Kanäle und ein ausgeklügelter Kanalauswahlalgorithmus (Channel Selection Algorithm, CSA) zur Verringerung von Störungen. Die Interoperabilität von Bluetooth LE mit den Bluetooth-Chips der meisten Smartphones ist ebenfalls ein großer Vorteil für verbraucherorientierte Anwendungen wie z. B. Wearables (Abbildung 2). Die größten Nachteile dieser Technologie sind die Notwendigkeit eines teuren und stromintensiven Gateways für die Verbindung mit der Cloud und die schwerfälligen Maschennetzwerkfunktionen, die im Vergleich zu Alternativen zu einer höheren Latenz führen.

Abbildung 2: Bluetooth LE ist mit Smartphones kompatibel und damit eine wichtige Wahl für Wearables. (Bildquelle: Nordic Semiconductor/DO Technologies)

Zigbee ist auch eine gute Wahl für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und niedrigem Durchsatz in der industriellen Automatisierung, im Handel und im Haushalt. Der Datendurchsatz ist mit 250 Kilobit pro Sekunde (KBits/s) geringer als bei Bluetooth LE, wobei die Reichweite und der Stromverbrauch ähnlich ausfallen. Zigbee ist weder mit Smartphones kompatibel, noch bietet es native IP-Fähigkeit. Es nutzt 16 Kanäle und ebenso wie Bluetooth LE einen Kanalwechselalgorithmus, um Störungen zu vermeiden. Ein wesentlicher Vorteil von Zigbee besteht darin, dass es von Grund auf für Maschennetzwerke entwickelt wurde, was es zu einer guten Wahl für Anwendungen wie intelligente Beleuchtung und andere Anwendungen macht, die eine geringe Latenzzeit erfordern.

Thread ist ein relativer Neuling im Bereich der Kurzstreckenfunkverbindungen und wurde erst 2014 eingeführt. Wie Zigbee nutzt es eine IEEE 802.15.4-konforme PHY und MAC und wurde entwickelt, um große Maschennetzwerke mit bis zu 250 Geräten zu unterstützen. Der Durchsatz ist mit 250 KBits/s der gleiche wie bei Zigbee, der Stromverbrauch ist ähnlich und die maximale Reichweite beträgt etwa 30 m. Thread unterscheidet sich von Zigbee durch die Verwendung von 6LoWPAN (einer Kombination aus IPv6 und stromsparenden WPANs), was die Verbindung mit anderen Geräten und der Cloud vereinfacht, wenn auch über ein Netzwerkrandgerät, einen sogenannten Border Router.

Kooperation statt Konkurrenz

Im Bereich der Kurzstreckenfunkübertragung ist man sich darüber im Klaren, dass keine einzelne Technologie dominieren wird, da jede Technologie zwangsläufig Kompromisse eingehen muss, um ihre Zielanwendungen zu erfüllen. Dieses Wissen hat zu einem ungewöhnlich hohen Maß an Zusammenarbeit zwischen Industriegruppen geführt, um die Interoperabilität zwischen vielen Nahbereichsfunkprotokoll-Stacks zu gewährleisten.

Ein Beispiel für diesen Geist der Zusammenarbeit ist Matter, eine Initiative der Connectivity Standards Alliance (CSA - ehemals Zigbee Alliance), zu deren 180 Mitgliedsunternehmen Apple, Amazon und Google gehören. Matter legt Wert auf Sicherheit und Interoperabilität. Es führt eine Netzwerkschicht ein, die Zigbee, Bluetooth und Wi-Fi miteinander verbindet, so dass die Geräte unabhängig von der Marke oder der Gerätefunktion zusammenarbeiten können. Kommerzielle Produkte mit dem Matter-Gütesiegel sollten bis Ende 2021 auf den Markt kommen. Das wird ein entscheidender Moment in der Kurzstreckenfunkübertragung sein.

Eine weitere Option für Entwickler, die beim Design einer einzigen Produktvariante maximale Flexibilität bei der Wahl des Protokolls wünschen, ist die Auswahl eines Funk-Chips mit mehreren Protokollen und kurzer Reichweite. Viele Halbleiteranbieter haben diese Einzelchip- oder Modullösungen im Angebot, wobei diese in der Regel Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee, Thread oder eine Kombination davon unterstützen. Die eingebetteten Mikroprozessoren der Chips übernehmen bei Bedarf den Protokollwechsel.

Fazit

Durch die Integration von Kurzstreckenfunk wird ein Produkt für den Endbenutzer attraktiver. Da den Entwicklern eine breite Palette von Technologien zur Verfügung steht, ist es nicht einfach, die beste Wahl zu treffen. Bei allen Funktechnologien mit geringer Reichweite besteht ein Kompromiss zwischen Reichweite, Durchsatz, Stromverbrauch und Störfestigkeit. Der Schlüssel zu einer optimalen Auswahl liegt in der sorgfältigen Abwägung der Verwendungszwecke des Endprodukts, der Bedeutung der Endbenutzererfahrung und der Wahl der Funktechnologie mit den entsprechenden Stärken.