Videopräsentation des Beitrags
Fraunhofer IIS – Der steigende Bedarf an drahtlosen fernauslesbaren Sensoren wie etwa für Smart Metering Anwendungen erfordert eine ressourceneffiziente Realisierung dieser Sensoren. Im Project Green ICT @ FMD beschäftigen sich Wissenschaftler des Fraunhofer IIS mit energieautarken Sensoren. Ein wesentliches Element dabei ist die Funkkommunikation. Mit Messungen im Labor können die Wissenschaftler des Fraunhofer IIS den Energiebedarf verschiedener Funktechnologien in unterschiedlichen Anwendungsszenarien ermitteln und miteinander vergleichen, um die für die Anwendung energieeffizienteste Lösung zu finden. Die von Fraunhofer IIS entwickelte Funkkommunikation mioty® zeichnet sich dabei durch hohe Energieeffizienz und Störfestigkeit aus.
Ein Beitrag von Josef Bernhard
Abteilung Energieautarke Funksysteme
Fraunhofer IIS
Zugriff auf den Funkkanal
Ein wesentlicher Unterschied der diversen Funktechnologien ist das Zugriffsverfahren auf das jeweilige Funkspektrum. So lässt sich zwischen koordinierten Verfahren wie bei LTE-Cat-NB1 (NB-IOT) und unkoordinierten Verfahren im lizenzfreien Spektrum (LPWAN) wie etwa bei mioty® unterscheiden. Für einen koordinierten Zugriff auf das Funkspektrum wird zu Beginn der Übertragung zwischen Endgerät (Sensor) und Basisstation (Gateway) die Berechtigung und der Zeitpunkt der Datenübertragung ausgehandelt. Dazu müssen zusätzliche Informationen übertragen werden, die zusätzlich Energie verbrauchen. Unkoordinierte Verfahren hingegen erlauben den Endgeräten beliebig, aber mit einer zeitlich begrenzten Dauer, Daten auszusenden. Für eine zuverlässige Übertragung werden zusätzliche Daten zur Redundanz übertragen. Im Gegensatz zu den koordinierten Verfahren benötigen also die LPWAN Verfahren wie mioty® nur die Energie für die Datenübertragung und sparen die zusätzliche Energie, die zur Netzwerkkoordination benötigt wird.
Analyse des Energiebedarfs
Für den Strombedarf während eines Sendevorgangs ist die Länge der Sendezeit (On-Air Time) – also die Zeitdauer, die der Sender aktiviert sein muss, ausschlaggebend. Bei Funktechniken wie NB-IOT wird der Energiebedarf bei kleinen Datenmengen im Wesentlichen von den Daten zur Verwaltung der Kommunikation (Overhead) bestimmt. Für die Charakterisierung des Energiebedarfs einer NB-IOT und einer mioty® Funkkommunikation hinsichtlich ihres Energiebedarfs wurde eine automatische Messung, kabelgebunden im Labor durchgeführt und die Ergebnisse verglichen (Abbildung 2).
Die Messung in Abbildung 3 zeigt den Verlauf der Stromaufnahme eines kommerziellen LTE-Cat-NB1- Modul über der Zeit für einen exemplarischen Anwendungsfall, aus dem sich der Energiebedarf ermitteln lässt. Der Stromverlauf kann in zwei große Teile gegliedert werden: einerseits die Datenübertragung vom Sensorknoten (UE, User Equipment) zur Basisstation (eNB, Evolved Node B) und andererseits die Wartezeit, in der Nachrichten vom eNB zum UE erwartet werden. Danach fällt das Modul wieder in den Idle Mode zurück, in dem mittels eDRX/PSM die Netzwerkverbindung aufrechterhalten wird. Nur für eine Übertragung ergibt sich ein Gesamtenergiebedarf von ca. 955 mJ.
Verglichen wird diese Messung mit der Stromaufnahme einer Funkübertragung mit dem mioty® Protokoll. Die einzelnen Strommesswerte wurden bei einem Gesamtenergiebedarf von 83,1 mJ auch hier wieder dem Übertragungsablauf zugeordnet.
Die Messung zeigt, dass die nichtsynchrone Übertragung von mioty® direkt mit der Datenübertragung beginnt und Anteile für das Netzwerkmanagement entfallen. Wegen der bidirektionalen Übertragung, bei der der Empfang der Sensordaten durch das Backend bestätigt wird, folgt nach dem Senden (Uplink) in einem festen zeitlichen Abstand eine Phase zum Empfang für eine einfache Bestätigungsmeldung, sowie eine weitere Phase in der optional Nutzdaten der Basisstation empfangen und verarbeitet werden. Bei einer unidirektionalen mioty®-Anwendung würden diese beiden letzten Abschnitte entfallen.
Anders als bei dem NB-IOT Verfahren, bei dem Anteile für Netzwerkmanagement und Synchronisation mit dem Mobilfunknetz notwendig sind, entfallen diese Schritte für die Datenübertragung bei mioty®. Bei unidirektionaler Übertragung können darüber hinaus im Endknoten alle Anteile für den Empfang (RX) im mioty® Protokoll entfallen und so der Energiebedarf nochmals wesentlich reduziert werden.
Diese Messungen zeigen, dass LPWAN Lösungen im lizenzfreien Spektrum nur etwa 1/10 der Energie einer Mobilfunklösung benötigen. Mit dieser Energieersparnis kann die Batterielaufzeiten signifikant erhöht werden oder der Betrieb über Energy Harvesting erleichtert werden, da weniger Energie aus der Umgebung geerntet werden muss.
Die Energieaufnahme ist bei LPWAN Lösungen im Wesentlichen nur noch von der zu sendenden Datenmenge abhängig. Weitere Arbeiten sollen untersuchen, wie diese Datenmenge durch Nutzung von embedded KI reduziert werden kann, um weitere Energie einzusparen.