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16 Elektronik 12 2022 EmbEddEd SyStEmS dabei einen entscheidenden Anteil am Gesamtenergiebedarf und damit auch ein großes Potenzial hinsichtlich der Energieoptimierung haben Dabei muss entschieden werden wie diese Vernetzung umgesetzt werden soll und welche Rahmenbedingungen dafür gelten sollen Funktechniken wie LTE WLAN und Bluetooth sind etabliert und allgemein gut bekannt stoßen aber in vielen Szenarien an Grenzen wenn sehr hohe Reichweiten sehr viele Teilnehmer geringe Energieaufnahme extrem hohe Zuverlässigkeit oder Unabhängigkeit von lokaler oder anbietergebundener Infrastruktur gefordert ist »Niedrigenergie-Weitverkehrsnetze« Low Power Wide Area Networks LPWAN wie LoRa Mioty sowie LTE-Cat NB1 NB-IoT greifen diese Bedürfnisse für mMTC massive Machine Type Communication auf unterschiedliche Art und Weise für einzelne Fragestellungen aus den Bereichen Industrie 4 0 und Smart City auf Bei LPWAN handelt es sich um eine neue Klasse von Funkübertragungsprotokollen Zu den wichtigsten Leistungsmerkmalen gehören ➔ ➔ weiträumige Abdeckung von einigen Kilometern Maximum Coupling Loss > 150 dB ➔ ➔ stromsparender Betrieb mit sehr langen Batterielebensdauern ~10 Jahre ➔ ➔ hohe Teilnehmerkapazität mit einer großen Anzahl von Geräten – bis zu 1 Mio Geräte pro km 2 bei mMTC ➔ ➔ hohe Störresistenz Die Technik wird zumeist für stationäre Geräte mit geringer Komplexität und somit geringen Kosten sowie für Übertragungen von kleinen Datenmengen wie dies bei IoT-Sensoren der Fall ist verwendet Neben der Sensorik und Datenverarbeitung – sensornahe KI und Zustandserkennung – sind die Kommunikationstechnik sowie Energieversorgung des gesamten Sensorknotens entscheidende Aspekte für die effiziente Konzeptionierung und Umsetzung von Anwendungsszenarien Die Auswahl der Funktechnik sollte sich dabei für mobile Sensorknoten nicht nur an funktionellen Anforderungen orientieren sondern auch das Energieprofil der eingesetzten Techniken – Sensor Datenverarbeitung Kommunikation – einzeln und im Zusammenspiel betrachten Funktechniken müssen dazu im Hinblick auf Datenmenge und Reichweite den Anforderungen des Szenarios genügen Die endgültige Umsetzung muss aber auch den Energiebedarf für eine Übertragung betrachten Wird der Energieeinsatz eines Funksensorknotens betrachtet so lassen sich im Wesentlichen drei Betriebszustände unterscheiden ➔ ➔ die Erfassung und Verarbeitung der Sensordaten Data Acquisition ➔ ➔ die Übertragung der Daten über den Funkkanal RF active ➔ ➔ der Zustand in dem der Sensorknoten in einem stromsparenden Betrieb verweilt Standby Bild 1 zeigt exemplarisch den Energiebedarf für diese verschiedenen Betriebsmodi eines mobilen Sensorknotens mit LTE-Cat-NB1-Funkkommunikation Die Messung zeigt dass der Energieeinsatz hier am Beispiel Bild 1 Anteil der Betriebszustände am Gesamtenergiebedarf eines Sensorknotens mit LTE-Cat NB1 NB-IoT Bild Fraunhofer IIS % Anteil am Energieverbrauch Standby Data acquisition RF active Bild 2 Das Telegram Splitting in Mioty sorgt für eine robuste Kommunikation da Störsignale nur einzelne Subpakete und nie die ganze Kommunikation beeinträchtigen können Bild Fraunhofer IIS