Industrielles Internet of Things Die Funktechnik Mioty für batteriebetriebene IoT-Geräte

Die Zahl der IoT-Sensoren und -Anwendungen nimmt ständig zu. Dies führt zu einer zunehmenden Belastung der lizenzfreien Sub-GHz-Bänder, die häufig für IoT-Netzwerke genutzt werden. Für industrielle und urbane Anwendungen bietet sich Mioty mit einer Batterielebensdauer von bis zu zehn Jahren an.

Die Funktechnik Mioty LPWAN (Low-Power Wide Area Network) basiert auf einem neuen PHY- (Physical-Layer-) und MAC-Ansatz (Medium-Access-Control-), der als Telegram Splitting bezeichnet wird und in einem offenen Standard definiert ist. Mioty wurde für umfangreiche kommerzielle und industrielle IoT-Einsätze konzipiert, da es zuverlässig arbeitet und zuverlässig skalierbar ist.

LPWAN zielt auf Anwendungen ab, bei denen die Endgeräte über ein weites Gebiet mit Übertragungsmöglichkeiten über große Entfernungen eingesetzt werden. Sie sind in der Regel batteriebetrieben und senden relativ selten mit niedrigen Datenraten an eine Basisstation oder einen Collector, um ein bis mehrere hundert Bytes an Informationen an Rechenzentren zu senden. Das verwendete Spektrum kann lizenziert oder nicht lizenziert sein.

Der Aufbau eines LPWAN-Netzes ist meist sternförmig, aber es gibt auch andere Optionen wie NB-IoT (Narrow Band IoT), LTE-M (Long Term Evolution for Machines) oder MESH wie bei Wi-SUN. LPWANs können proprietär oder standardbasiert sein und öffentliche oder private Netze für den Einsatz unterstützen.

Hintergrund: Das LPWAN-Netz und die ISM-Bänder

Die lizenzfreien ISM-Bänder (Industrial Scientific Medical) im Sub-GHz-Bereich sind regional in verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt. Zum Beispiel die Bänder 169, 433 und 868 MHz in Europa, das Band 915 MHz in den USA und die Bänder 434, 490 und 920 MHz in Asien. Für die ISM-Bänder gelten regional unterschiedliche Regelungen in Bezug auf Sendeleistung, Sendezeit oder Einschaltdauer der einzelnen Geräte.

Mioty ist eine offene, auf dem ETSI-Standard basierende LPWAN-Technologie mit Sterntopologie, die ein spezielles Übertragungsverfahren (Telegram Splitting) verwendet, um eine zuverlässige Kommunikation in den überlasteten ISM-Bändern zu ermöglichen und gleichzeitig mit anderen derzeit verfügbaren LPWAN-Technologien koexistieren zu können.

• Telegram Splitting: Bei dieser Funktion wird ein Datentelegramm in mehrere kleinere Telegramme aufgeteilt und über mehrere Kanäle gleichzeitig übertragen. Dies macht Mioty robust gegenüber Störungen und ermöglicht eine höhere Datenrate.

• Adaptive Frequenzmodulation: Diese Funktion passt die Frequenzmodulation an die aktuelle Signalstärke an. Dies verbessert die Reichweite und den Stromverbrauch.

• Ressourcenplanung: Die Ressourcenplanung in Mioty ist effizient und fair. Das verhindert, dass einzelne Geräte die Bandbreite monopolisieren.

Da es sich bei Mioty um eine noch in der Entwicklung befindliche Technik handelt, werden in Zukunft neue Geräteklassen (wie Klasse B) und Funktionen eingeführt und dem Standard hinzugefügt, um neue Anwendungen zu ermöglichen.

Ein Blick auf Mioty

Mioty ist eine offene standardisierte drahtlose LPWAN-IoT-Technologie, die auf den LTN-Standards (Low-Throughput-Networks) basiert. LTN-Systeme werden in drei Dokumenten behandelt: ETSI Technical Report TR 103 249 [1] , ETSI TS 103 358 [2] und ETSI TS 103 357 [3].

Die wesentliche Neuerung in Mioty ist Telegram Splitting Multiple Access (TSMA). In bisherigen Standards wird die kontinuierliche Übertragung in einem Kanal von LPWANs genutzt, um die für eine vollständige Nachricht vorgesehenen Anwendungsdaten zu senden. Der Schutz gegen Interferenz basiert auf FEC (Forward Error Correction). Die Immunität gegen Selbstinterferenz wird durch verschiedene Maßnahmen wie unterschiedliche Modulationsarten und/oder Datenraten erreicht.

Die physikalische Schicht von Mioty führt stattdessen ein neues Verfahren ein: Telegram Splitting. Dabei wird ein 100 kHz Kanal in 24 oder 25 Unterkanäle mit einer Breite von 3 kHz aufgeteilt und die Anwendungsdaten in Form von Funkbursts als Teilpakete nach einem pseudozufälligen Muster übertragen.

Besserer Schutz gegen Störungen im Zeit- oder Frequenzbereich

Dieses Frequenzsprungverfahren bietet einen besseren Schutz gegen Störungen im Zeit- oder Frequenzbereich oder in beiden Bereichen. Im Falle einer Selbststörung können nur Teilpakete kollidieren, wobei die Wahrscheinlichkeit aufgrund der kurzen Bursts und der langen Pausen zwischen den Bursts geringer ist. In Kombination mit einer 1/3 FEC können die Anwendungsdaten selbst im Grenzfall, in dem 50 Prozent der Teilpakete verloren gehen, wiederhergestellt werden. Somit bietet Mioty eine robuste Funkkommunikation in rauen HF-Umgebungen und unterstützt den Einsatz umfangreicher IoT-Anwendungen.

Um eine kostengünstige Lösung anzustreben, wurde für TS-UNB PHYs die Modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) mit Vorcodierung und FEC gewählt, die für fast alle IoT-Halbleiterbausteine verfügbar ist und den Einsatz effizienter nichtlinearer HF-Leistungsverstärker ermöglicht. Neben den ISM-Bändern gibt es keine Einschränkungen bei der Nutzung anderer Bänder, und alle zulässigen Bänder sind von 133 von 966 MHz möglich. Es können Kanalbandbreiten von 25, 100 und 725 kHz verwendet werden, die durch den Trägerabstand des TSMA-Musters definiert sind.

Zwei Modulationsraten von 2380,371 und 396,729 Symbolen/s können die Modi ULP (Ultra Low Power) und ER (Extended Range) abdecken. Die Bruttodatenraten betragen 512 und 85 Bit/s für die beiden Modi.

Effizienter SoC für Mioty-Anwendungen

Um den Anforderungen des IoT gerecht zu werden, entwickeln Halbleiterhersteller funkbasierte System-on-Chip-Bausteine (SoCs) für Mioty mit sehr niedrigem Stromverbrauch. Der EFR32FG23 [4] von Silicon Labs beispielsweise bietet eine optimierte Kombination aus sehr geringer Sende- und Empfangsleistung und erstklassiger HF-Technik, die es IoT-Endknoten ermöglicht, eine Funkreichweite von mehr als 1,6 km zu erreichen und dabei zehn Jahre oder länger mit einer Knopfzelle auszukommen.

Ausgehend von einer 2200-mAh-Batterie als Endpunkt-Stromversorgung und unter Verwendung der Datenblattparameter des EFR32FG23 haben wir die Batterielebensdauer für drei Beispiele mit unterschiedlichen Anwendungsdatengrößen berechnet: 10, 50 und 200 Byte. Der Ladungsverbrauch pro Nachricht wurde in Mikroamperestunde berechnet.

Low-Power-Berechnungen für Mioty – Beispiele, die bei einer Batteriekapazität von 2.200 mAh eine Lebensdauer von 15 Jahren erreichen können (msg = Messages/Nachrichten):

Die Tabelle zeigt die entsprechenden Übertragungsintervalle, die möglich sind, wenn eine Batterielebensdauer von 15 Jahren erreicht werden soll. Diese Zahlen basieren auf einem Ruhestrom von 1,2 µA, wenn sich der SoC im Ruhezustand auf EM2-Power-Level mit 16 kB RAM-Retention befindet. Wir haben den Sendeleistungspegel für die europäische Region von +14 dBm verwendet, bei dem der SoC 25 mA für die Übertragung der Funkbursts verbraucht. Bei einer jährlichen Selbstentladung der Batterie von einem Prozent wurde eine Selbstentladung von 20 Prozent über einen Zeitraum von 15 Jahren berechnet.

Betrachtet man diese Übertragungsintervalle und die Größe der Anwendungsdaten, eignet sich Miioty für Smart Metering seitens Versorgungsunternehmen, wo nur einige Uplinks pro Tag ausreichen. Hinzu kommt die Umweltüberwachung, wo mehrere Nachrichten pro Stunde benötigt werden. Beispielsweise 10 Byte Anwendungsdaten alle 12 Minuten. Die pro Nachricht benötigte Ladung zeigt, dass Mioty auch für Energy-Harvesting-Anwendungen eingesetzt werden kann, da die Energiewerte im nutzbaren Bereich solcher

Die Zielmärkte von Mioty

Mioty ermöglicht eine zuverlässige und energiesparende Kommunikation mit dem TSMA-Verfahren. Bis zu 3,5 Mio. Uplink-Nachrichten pro Gateway und Tag können in einem Radius von 2,5 km übertragen werden. Pro Gateway können 110.000 Geräte eingesetzt werden. Mit dieser Skalierbarkeit und einer Reichweite von 5 km in städtischen Gebieten und 15 km in ländlichen Gebieten kann die Überwachung der Infrastruktur in einem großen Gebiet unterstützt werden, einschließlich kritischer Punkte wie Flughäfen, Brücken und Straßeninstandhaltung.

Da Umweltbelange immer wichtiger werden, bedeutet dies, dass Sensoren für Temperatur, Luftqualität und andere Arten von Sensoren in großem Umfang eingesetzt werden. Sie können durch Energy Harvesting mit Strom versorgt werden, was die Wartungskosten senkt und die Verschwendung von Batterien verringert.

Die Nachhaltigkeit intelligenter Gebäude kann durch die Überwachung des Energieverbrauchs von Gebäuden mithilfe von Umgebungssensoren und die Steuerung von Energiemanagementsystemen gewährleistet werden. Mit Multicast-Gruppennachrichten kann Mioty auch die Straßen- und Gebäudebeleuchtung abdecken.

Warnungen von Anwendungen für die vorausschauende Wartung in Kombination mit maschinellem Lernen (ML) helfen, die Wartung von Maschinen zu optimieren oder Wasser- und Gaslecks aufzuspüren. Dadurch werden die Reaktionszeiten für die Einleitung von Reparaturen verkürzt und die Verschwendung von Wasser und Gas verringert.

Über den Autor

András Gnandt ist für Wireless Technologies bei Silicon Laboratories zuständig.

Referenzen

[1] Technische Spezifikationen ETSI TS 103 357.
[2] Technischer Report ETSI TR 103 249.
[3] Technische Spezifikation ETSI TS 103 358.
[4] Funkbasierter System-on-Chip-Baustein EFR32FG23.

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