Sensornetze

Drahtlos in die Zukunft

24. September 2010, 12:27 Uhr | Helmuth Lemme

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Protokoll stark abgespeckt

Drahtlos in die Zukunft 4
Bild 4. Struktur des Kommunikationsprotokolls »Slotted MAC«, ganz auf Energieeinsparung ausgelegt. (Quelle: Fraunhofer IIS) Bild 6. Empfänger für »On/Off Keying« (OOK) mit nur 10 μA Strombedarf.
© Fraunhofer IIS

Eigens für diese Hardware-Basis wurde am IIS ein extrem energiesparendes Kommunikationsprotokoll entwickelt. Es setzt sich aus mehreren Modulen zusammen (Bild 4): Kernstück ist das Medienzugriffsprotokoll »Slotted MAC«, bestehend aus zwei Schichten, der Medienzugriffsschicht (MAC) und der Datensicherungsschicht (DLC). Es vereint die Effizienzvorteile eines Zeitmultiplex-Systems mit der Skalierbar keit von konkurrierenden Produkten. Damit werden jetzt in Multihop-Netzen sehr viel kürzere Latenzzeiten möglich. Die wichtigsten Eigenschaften sind: selbstorganisierende Baumstruktur, schneller Datentransport durch das Netz, Stromersparnis durch Zeitmultiplex-Kommunikation, inhärente Lokalisierungsfähigkeit der Knoten und mobiler Einsatz aller Knoten. Basis und Taktgeber ist der zentrale Zugangsknoten (Master), auf dessen periodisches Synchronisationssignal (Beacon) sich das gesamte Netz synchronisiert. Ein Übertragungsrahmen ist in drei Bereiche unterteilt: Synchronisationsbereich, Datenbereich und Informationsbereich (Bild 5).

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Bild 5. Übertragungsrahmen bei »Slotted MAC«.
© Fraunhofer IIS

Weiterhin hat man sich unter sämtlichen Modulationsverfahren für das effizienteste entschieden: »On/Off Keying« (OOK), bei dem bei logischen »Nullen« der Sender ganz abgeschaltet wird (wie schon in uralten Zeiten beim Funken mit Morsezeichen), was noch einmal eine Menge Strom spart. Dazu passend wurde am IIS ein OOK-Empfänger entwickelt, der mit einem Betriebsstrom von nur 10 μA auskommt (Bild 6). Damit kann er ständig in Betrieb bleiben; eine durchschnittliche Knopfzelle hält damit Jahre durch. Die Empfindlichkeit liegt bei –30 dBm und wird sich noch auf –50 dBm verbessern lassen. Er enthält außer dem Empfangsteil auch einen Decoder, der Übertragungsfehler erkennt und korrigiert. Theoretisch ist eine Bitfehlerrate bis 20 % zulässig.

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Bild 6. Empfänger für »On/Off Keying« (OOK) mit nur 10 μA Strombedarf.
© Fraunhofer IIS

Mit seinem extrem niedrigen Strombedarf eignet er sich als »Aufweckempfänger« (Wake-up Receiver) für die restliche Schaltung einschließlich des eigentlichen Empfängers für die Daten. Dadurch wird für den gesamten Knoten eine sehr lange hohe Betriebsdauer möglich – bei gleichzeitig niedriger Latenz und kurzer Reaktionszeit. Bei Bedarf ist das Netz sehr schnell aktiviert, und trotzdem erreicht es eine hohe Betriebsdauer: bis zu einem Jahr bei Reaktionszeiten von 3 s, bis zu fünf Jahren bei 11 s – für schnelle Alarmmeldungen meist ausreichend. Ist das Netz dann einmal aufgewacht, kommen die Datenpakete gleich um mindestens fünf Knoten weiter, statt wie bisher nur um einen. Und mobile Knoten synchronisieren sich an neuen Positionen sehr viel schneller wieder ein. Auch am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg sind drahtlose Sensornetze ein wesentliches Arbeitsthema (www. ims.fraunhofer.de/ 192.html). Hier wurde bereits vor Jahren ein Multihop-Netz für eine Klimasteuerung in ausgedehnten Gewächshausanlagen aufgebaut [4].


  1. Drahtlos in die Zukunft
  2. Standardlösungen zu ineffektiv
  3. Protokoll stark abgespeckt
  4. Aufwecken im richtigen Moment
  5. Immer mehr konkrete Einsatzfälle