Vorteile der Multiprotokoll-Multiband-Konnektivität im Internet der Dinge
12. Mär. 2018 | 14:00 Uhr | von Tom Pannell
Netzwerkarchitektur fürs IoT aufrüsten
Die Multiprotokoll-Technologie vereinfacht die Einbindung neuer drahtloser IoT-Geräte in ein historisch gewachsenes Netzwerk. Hochintegrierte SoC-Bausteine bewältigen dabei die Kommunikation über verschiedenste Funkprotokolle in einem weiten Frequenzbereich – und halten gleichzeitig die Kosten und Komplexität des Systems in einem sinnvollen Rahmen.
Bild 1: Im IoT-Netzwerk kommunizieren Geräte über verschiedenste Funkprotokolle in einem weiten Frequenzbereich. (Bild: Silcon Labs)
Bild 1: Im IoT-Netzwerk kommunizieren Geräte über verschiedenste Funkprotokolle in einem weiten Frequenzbereich. class="image-src">Silcon Labs
Das rasant wachsende Internet of Things (IoT) eröffnet viele neue Einsatzmöglichkeiten – und legt jetzt die Messlatte höher. Über Jahrzehnte gewachsene, komplexe Netzwerke von drahtgebundenen und drahtlosen Sensoren bilden die Grundlage des heutigen IoT. Sie zu ersetzen, wäre ein kostspieliges Unterfangen. Die Unterstützung von Altsystemen ist jedoch nicht die einzige Herausforderung, zu berücksichtigen sind auch die verwendeten, oft konkurrierenden Protokollstandards, um gleichartige Konnektivitätsprobleme zu lösen. Des Weiteren benötigt die bestehende IoT-Infrastruktur eine Erweiterung um neue drahtlose 802.15.4-Technologien.
Mit Einführung der Multiprotokoll-Technologie vereinfacht sich die Einbindung zusätzlicher drahtloser Sensorknoten in die bestehenden Netzwerke. Aktuelle Hardware- und Softwarelösungen versetzen ein einziges System-on-Chip-Bauelement (SoC) in die Lage, mehrere Drahtloseprotokolle wie Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee und Thread zu unterstützen – und das über eine breiten Frequenzbereich von Sub-GHz-Bändern bis zu 2,4 GHz (Bild 1).
Die Entwicklung neuer drahtloser IoT-Geräte und deren Einbindung in einem historisch gewachsenen Netzwerk mit unterschiedlichsten Übertragungsstandards ist eine Herausforderung. Multiprotokoll-Multiband-SoCs von Silicon Labs beherschen Zigbee, Thread, BLE oder proprietäre Protokolle und das drahtlos von Sub-GHz-Bändern bis zu 2,4 GHz. Universell einsetzbar verringern die energie-effizienten Bausteine die Komplexität des Hardware-Designs und bieten vielfältige funktionale wie auch wirtschaftliche Vorteile.
Universell und doch kostengünstig
Die Entwickler von IoT-Geräten stehen vor einem Dilemma. Sie sollen ein Einzelprodukt entwerfen, das mit allen möglichen Drahtlos-Standards arbeiten kann und gleichzeitig die Kosten und Komplexität der Materialliste des Systems minimiert. Nur sehr wenige Gerätehersteller haben die Ressourcen oder sind gewillt, einzigartige Designs für den Einsatz im IoT zu schaffen.
Multiprotokollfähige Multiband-SoCs befreien Entwickler aus dieser Problemlage, indem sie sowohl proprietäre Sub-GHz-Frequenzen als auch Standard-basierte Protokolle im 2,4-GHz-Band unterstützen – alles im Rahmen eines hochintegrierten Single-Chip-Bausteins. Im Idealfall verfügt ein Multiprotokoll-Multiband-SoC über einen Funk-Transceiver mit zwei Funkpfaden, einer für den Sub-GHz-Bereich und einer für 2,4-GHz-Übertragungen (Bild 2). Durch diese integrierte Funkarchitektur erhalten IoT-Entwickler zahlreiche Möglichkeiten für neue Einsatzfelder ihrer Systeme.
Bild 2: Der Multiprotokoll-Multiband-SoC EFR32xG1 Wireless Gecko enthält einen Funk-Transceiver mit zwei Funkpfaden. Silicon Labs
Eine optimierte Funkarchitektur
In Bild 2 ist die Signalkette eines typischen Multiband-Transceivers dargestellt, der in ein drahtloses SoC integriert ist. Manche Elemente des Funktransceivers werden gemeinsam genutzt, während andere separat arbeiten. Der HF-Teil arbeitet separat aufgrund unterschiedlicher Frequenzanforderungen, das Modem, bestehend aus Modulator, Demodulator sowie einem Teil der Verschlüsselungshardware, nutzt beide Funk-Frontends.
Diese Funkarchitektur ergibt einen hoch optimierten, durchgehenden und kostengünstigen Lösungsansatz für ein Multiprotokoll-Multiband-Design. Auf die Ressourcen des Modems können Protokoll-Stacks verschiedenartiger Kommunikationsstandards zugreifen. Zudem wird das Modem auch zwischen dem HF-Teil gemultiplext, um Pakete drahtlos zu empfangen und zu senden. Darüber hinaus ist die Architektur bestens für die Softwareentwicklung geeignet, da sie eine gemeinsame Schnittstelle für den Funk zur Verfügung stellt. Der Entwickler kann somit eine Funkkonfigurationsschicht schaffen, die von verschiedenen Protokoll-Stacks gemeinsam nutzbar ist.
Wirtschaftliche Vorteile trotz komplexer Software
Die zur Implementierung einer Multiprotokoll-Multiband-Lösung erforderliche Software ist recht komplex. IoT-Entwickler benötigen äußerst effiziente Wireless-Stacks, die in einer Vielzahl von Hardwareprodukten arbeiten, wenn sie in einer Multithread-Umgebung mit einem Echtzeitbetriebssystem (RTOS) zum Einsatz kommen.
Tabelle 1: Diese vier Arten von Multiprotokoll-Use-Cases sind in heutigen IoT-Anwendungen üblich. Silicon Labs
In einer Multiprotokollanwendung müssen die Stacks nahtlos gemeinsam oder unabhängig voneinander arbeiten. Laufen zwei Stacks auf dem selben SoC mit geteilter Hardware, muss sichergestellt werden, dass die Integrität des Netzwerks erhalten bleibt. Das erfordert optimierte Stacks die gut zusammen oder getrennt funktionieren, ohne dass es zu einer Aufblähung oder zu einer Ineffizienz kommt.
Multiprotokoll-Anwendungsbeispiele bieten den Herstellern von Endsystemen erhebliche wirtschaftliche Vorteile, indem sie ihnen helfen, die Lieferkette zu optimieren, die Systeminstallation zu vereinfachen und ohne zusätzliche Hardwarekosten einen Mehrwert für ihre Endkunden zu schaffen.
Begabt in vielen Sprachen
Tabelle 1 zeigt vier Arten von Multiprotokoll-Use-Cases, wie sie in heutigen IoT-Anwendungen üblich sind. Eine programmierbare Multiprotokoll-Konnektivität ist der am leichtesten zu erklärende und einzurichtende Anwendungsfall. Mit Blick auf Prozessoptimierung und Cashflow liegt es auf der Hand, dass die Verwendung einer zur Abwicklung vieler Dinge ausgelegter Komponente besser ist, als der Einsatz mehrer Geräte. Dies gilt besonders dann, wenn die zusätzlichen Entwicklungskosten vernachlässigbar gering ausfallen.
Die Wiederverwendung einmal erstellten Codes und der Einsatz eines einzigen Bausteins in vielen Endprodukten steigert die Effizienz zusätzlich. In diesem Szenario kann ein Ingenieur eine einzelne SoC-Teilenummer spezifizieren, auf der Zigbee, Thread, Bluetooth Low Energy oder proprietäre Protokolle laufen können. Während der Fertigung in der Fabrik des Kunden kann dieser entscheiden, ob das Produkt mit Bluetooth oder im Sub-GHz-Bereich betrieben wird. Mithilfe dieses programmierbaren Use-Cases lässt sich das finanzielle Risiko minimieren, dabei jedoch eine maximale Flexibilität in der Produktion beibehalten.
Bild 3: Per Switched Multiprotokoll kann ein IoT-Produkt seine Lebenszeit beispielsweise mit BLE beginnen und später auf Zigbee umkonfiguriert werden. Silicon Labs
Geschaltetes Multiprotokoll
Dem Endverbraucher bietet das geschaltete Multiprotokoll eine hohe Wertschöpfung. Diese Technologie ermöglicht es beispielsweise einem Installateur auf einer Baustelle, mit nur einem Produkt zu arbeiten, das sich über eine Smartphone-App konfigurieren und kalibrieren lässt. Dieses Feature ist besonders nützlich, wenn ein Thread- oder Zigbee-Knoten zum Einsatz kommt.
Die Konfiguration über ein großes Netzwerkspektrum kann schwierig sein. Die geschaltete Multiprotokoll-Technologie vereinfacht diese Aufgabe, indem sie ein IoT-Produkt in die Lage versetzt, seine Lebenszeit mit BLE zu beginnen, um dann auf ein anderes Protokoll wie Zigbee für ein Maschennetz umkonfiguriert und umgeschaltet zu werden (Bild 3). Der Vorteil des geschalteten Multiprotokolls gegenüber dem dynamischen Multiprotokoll liegt darin, dass es weniger Geräteressourcen benötigt, denn es besteht keine Notwendigkeit, mehrere Protokolle zwischen mehreren drahtlosen Geräten physisch zu speichern und auszuführen.
Komplexität und Kosten senken
Mit dem dynamischen Multiprotokoll ist es möglich, mit nur einem SoC und durch Time-Sharing physikalischer Geräteressourcen mit zwei (oder mehreren) Protokollen zu kommunizieren. Das dynamische Multiprotokoll setzt generell mehr Bausteinressourcen, wie etwa Flashspeicher ein, und es hat eine komplexere Softwarearchitektur. Außerdem erfordert es ein sorgfältiges Design des Funks, um Funkquellen zwischen ungleichen Protokollen dynamisch aufzuteilen.
Bild 4: Das Dynamic Multiprotocol ermöglicht den Betrieb von drei Kommunikations-Stacks auf einem einzelnen Funkmodul. Silcon Labs
Trotz der zunehmenden Nachfrage nach Hardwareressourcen sind dies kleine, inkrementelle Kompromisse im Vergleich zu dem Mehrwert, den die dynamische Multiprotokoll-Konnektivität schafft. In vielen Fällen verringert dieser Lösungsansatz sowohl die Komplexität des Designs als auch die Gesamtsystemkosten um mindestens 50 Prozent. Diese Einsparungen sind bei Verwendung von nur einem SoC-Baustein anstelle von zwei oder mehr ICs mit einer verteilten Rule-Engine und ungleichen Stack-Architekturen möglich. Ein einziges Multiprotokoll-SoC kann in Verbindung mit einem robusten RTOS, gut entwickelten Wireless-Stacks und der lokalen Anwendung ohne Weiteres ein IoT-Design implementieren, das mehrere Arten der Konnektivität beherrscht (Bild 4).
System-Ressourcen mehrfach verwenden
Das gleichzeitige Multiprotokoll ist von besonderem Nutzen in einem Gateway-Design, das Thread- und Zigbee-Netzwerke einsetzt. In diesem Multiprotokoll-Use-Case lassen sich viele der Soft- und Hardware-Ressourcen wiederverwenden, da Protokolle und Funkkonfiguration ähnlich sind. So nutzen beispielsweise Thread und Zigbee die PHY- und MAC-Schichten gemeinsam, wodurch nur noch eine minimale Neukonfiguration des Transceivers notwendig ist. Thread und Zigbee weisen außerdem einige gemeinsame Elemente im höher liegenden Kommunikations-Stack auf, was die gemeinsame Ressourcennutzung effizienter und unkomplizierter macht. In diesem Fall kommt ein Gerät mit einer kleineren Speichermontagefläche aus, was zur Kostensenkung im Endprodukt beiträgt.
Eine besondere Herausforderung liegt bei der Vereinfachung des Multiprotokoll-Wireless-Designs darin, dass die Wireless-Stacks nicht einzeln, sondern als Teil eines zusammengehörenden Gesamtsystems zu betrachten ist, in welchem die Stacks nahtlos miteinander arbeiten.
Zusammenspiel von Hard- und Software
Manchmal sind die Teams der Entwickler drahloser Systeme auf der ganzen Welt verstreut, verfolgen unterschiedliche Designziele oder sind Teil verschiedener Geschäftsbereiche. Diese Fragmentierung kann Hindernisse schaffen, die robuste, nahtlose Multiprotokoll-Designs verhindern. Es ist nahezu unmöglich, mehrere Stacks unterschiedlicher Firmen oder Gemeinschaftsquellen zuverlässig auf einem System mit eingeschränkter Energieversorgung und begrenztem Speicher zusammenzuarbeiten zu lassen.
Um CPU-Zyklen und Speicherquellen nicht unnötig zu vergeuden ist es wichtig, in einem eingeschränkten System effizient auf die Hardware zuzugreifen. Ein Stack muss in dieser Umgebung effizient mit der Hardware verbunden sein – und das auch beim Umschalten zwischen verschiedenen Stacks. Andernfalls entstehen Konflikte und/oder es wird Energie verschwendet. Vergeudete CPU-Zyklen können verheerende Auswirkungen auf die Akkulaufzeit haben. Ineffizienz in den Stacks kann zudem zu einem höheren Speicherverbrauch führen, was die Systemkosten in die Höhe treibt. Um eine nahtlose Integration zu gewährleisten, muss der Lösungsanbieter jede Komponente wie Hardware (SoC oder Modul), Funk-Scheduler, Stacks und RTOS sorgfältig prüfen, wenn er ein Produkt für ein angeschlossenes Gerät mit Multiprotokoll-Konnektivität herstellen möchte.
Die Notwendigkeit von Multiprotokoll-Multiband-Lösungen wird weiter zunehmen, weil kein einziges drahtloses Protokoll perfekt auf jede IoT-Anwendung zugeschnitten ist und sich die vielfältigen Anforderungen des IoT immer komplexer gestalten.
(jwa/na)
Tom Pannell
Senior Director von IoT Product Marketing bei Silicon Labs
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