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Bei der Herstellung eines robusten Sensornetzes gehören eine maximale Batterielaufzeit sowie eine optimale Reichweite zu den wichtigen Designzielen. Viele dieser Netze bestehen aus einfachen Knoten (Nodes), die Daten sammeln und diese dann zu einem zentralen Controller oder Konzentrator übertragen.
Datenrate und Reichweite
Die Datenübertragungsrate ist ebenfalls ein wichtiger Designpunkt, der viele Eigenschaften eines Netzes beeinflusst. Die Reichweite des Senders wird durch die Summe aus Empfängerempfindlichkeit und Ausgangsleistung, also dem Link-Budget bestimmt. Für alle Modulationsarten trifft zu: Je geringer die Datenrate ist, desto schmaler ist die Empfängerbandbreite und umso besser ist die Empfängerempfindlichkeit. FSK (Frequency Shift Keying) und GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) sind derzeit die am meisten verfügbaren Modulationsarten für günstige Wireless-Transceiver. Die Bandspreizmodulationstechnik ist in einigen Applikationen zu finden, erreichte aber jetzt erst aufgrund günstiger Kosten eine Verwendung in Sensornetzen. Kommerziell verfügbare Bandspreizmodulation verbessert gegenüber FSK-Systemen bei vergleichbarer Datenrate die Empfangsleistung um 8 bis 10 dB. Eine neue Transceiverserie (LoRa) von Semtech verfügt über eine Bandspreizmodulation.
Steigerung der Empfindlichkeit
Einige Bandspreizmodulationsverfahren sind gegenüber einem Frequenzoffset weitaus weniger empfindlich als andere Verfahren. Verursacht wird dieser Offset durch die Toleranz des Referenzoszillators. Erreicht werden dabei mit einer Empfängerbandbreite von 125 kHz und einem günstigen 20-ppm Oszillator Empfindlichkeiten von bis zu –140 dBm. Das entspricht theoretisch einer 5-fachen Verbesserung der Reichweite.
Auswahl des Frequenzbandes
Aufgrund der Bekanntheit mehrerer 2,4-GHz-Wireless-Standards wie Bluetooth, WiFi und Zigbee neigen viele Designer zu Standard-Protokollen und sehen 2,4 GHz als eine günstige Transceiver-Frequenz an. So bietet WiFi eine universell hohe Datenrate, während Bluetooth eine Kompatibilität mit Konsumerprodukten aufweist. Viele Applikationen zeigen aber nur eine relativ geringe Datenrate und operieren im geschlossenen Funknetz. Hier kann ein proprietäres Protokoll die Systemkosten durch vereinfachte Implementierung senken. So nutzen automatisierte Stromzähler Sub-GHz für ihre weiter reichenden Funknetze und 2,4 GHz für die Zähler-Haus-Kommunikation.
Die Wahl einer Stern- oder Maschentopologie für das Netz ist auch von Bedeutung. Die Sternversion ist die einfachste Architektur mit der geringsten Latenz und wird in der Regel dann gewählt, wenn jeder Knoten direkt mit dem Haupt-Controller kommunizieren kann. Ein Maschennetz kommt dann zum Zuge, wenn die Sternversion keine ausreichende Reichweite aufweist.
Semtech Sensor Networks: 06_15.01.pdf
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