Energiezuinige Dect-variant mikt op sensornetwerken

30 september 2010

Draadloze sensornodes moeten jarenlang op een batterij blijven fungeren. Er is een keur aan low power netwerkstandaarden beschikbaar. Sitel Semiconductor en RTX Telecom deden een voorstel voor een low-power-uitbreiding op de bestaande Dect-standaard, speciaal voor dit soort toepassingen. Dect Ultra Low Power heeft gunstige eigenschappen op het gebied van bandbreedte, interferentie en netwerktopologie, betoogt Steven Leussink van Sitel.

De markt voor draadloze netwerken in het huis is de afgelopen decennia gestaag gegroeid. Onderzoekersbureau Instat voorspelt dat in 2011 wereldwijd maar liefst 300 miljoen huishoudens een netwerk hebben geïnstalleerd. Op het moment zijn de netwerken van computers en bijbehorende accessoires al ingeburgerd, maar de categorie van huisautomatisering, beveiliging en thuiszorg is sterk in opmars. Deze toepassingen hebben als doel om het dagelijks leven makkelijker, veiliger en meer energie-efficiënt te maken.

Tussen elke categorie (en zelfs binnen een categorie) zijn er duidelijke verschillen in technische vereisten zoals bereik, vermogen, quality of service en aantal nodes. Een veelvoud aan draadloze technologieën is opgekomen in een poging aan de verschillende vragen te voldoen. Duidelijke winnaars binnen computernetwerken zijn Bluetooth, Ethernet, USB en WLan. In nieuwe markten moet nog blijken welke technologieën zullen overblijven uit het aanbod van onder meer 6Lowpan, Homeplug, Insteon, Lonworks, M-bus, Power Line, RF4CE, X10, Wavenis, Zigbee en Z-Wave.

Een technologie in deze categorie die vaak vergeten wordt, is Dect. Deze standaard wordt onlosmakelijk verbonden met draadloze telefonie. Dect heeft zichzelf als duidelijke winnaar in dit veld bewezen met een geschat totaal van 250 miljoen geïnstalleerde systemen. Dect is echter meer dan alleen telefonie. Hele steden in Brazilië en Roemenië worden door een Wireless Local Loop (WLL) Dect-netwerk bedekt en aangepaste Dect-technologie wordt gebruikt in Microsofts XBox en de welbekende Guitar Hero-spellen.

De technologie staat ook niet stil. De opvolger heet officieel Cat-IQ (Cordless Advanced Technology – Internet and Quality), alhoewel de term voor deze nieuwe generatie nog niet zo is ingeburgerd. Cat-IQ wordt bijvoorbeeld al geïntegreerd in DSL-routers van serviceproviders, zodat hun klanten draadloos kunnen bellen via Voip. De technologie biedt een aantal nieuwe diensten zoals dataservices of een centraal telefoonboek.

Slaaptijd

Dect Ultra Low Power (ULP) is het antwoord van het Deense RTX Telecom en het Bossche Sitel Semiconductor op de vraag naar draadloze sensornodes die jarenlang op een batterij kunnen opereren. Het lage stroomverbruik wordt op dezelfde manier gerealiseerd als bij andere low power-systemen: door het IC het grootste deel van de tijd in slaapmodus te laten verkeren. Deze slaapstand is een service binnen Cat-IQ. Doordat het een extensie is van de standaard, gaat het lage stroomverbruik niet ten koste van de bewezen betrouwbaarheid en flexibiliteit.

Dect werkt in de frequentieband van 1880 tot 1900 MHz, hoewel buiten Europa ook de banden van 1910 tot 1930 MHz en 1900 tot 1920 MHz worden gebruikt. Deze 20 MHz van het radiospectrum wordt verdeeld in tien kanalen met een tussenruimte van 1,728 MHz. Naast een opdeling in frequenties (Frequency Division Multiple Access ofwel FDMA) knipt Dect de beschikbare ruimte ook op in tijdsloten (Time Division Multiple Access ofwel TDMA), in totaal 24 per frequentieband (twaalf down en twaalf up). Op elk van de tien frequentiebanden kunnen in totaal 100 frames per seconde worden verstuurd.

Dect-apparaten kunnen een kanaal opzetten door een specifieke slotcombinatie te kiezen op een bepaalde frequentie. Een draadloze telefoon kan bijvoorbeeld na scannen concluderen dat downlink-slot 2 en uplink-slot 14 in frequentieband 2 (1885,248 MHz) beschikbaar zijn voor communicatie. Door de twaalf beschikbare slotcombinaties en tien frequentiebanden is een totaal van 120 radiokanalen beschikbaar. De capaciteit kan nog verder worden opgerekt door meerdere basisstations te gebruiken. Zolang de basisstations zo ver van elkaar af staan dat ze elkaar niet storen, kan elk van deze zenders zijn eigen gebied beheren. Dichtheden van 100 duizend gebruikers in een enkele kantooromgeving zijn daarbij mogelijk. Anders dan bij veel andere low power-technologieën is frequentieplanning hierbij niet nodig, omdat het systeem dynamisch uitzoekt welke frequentie en slotpaar het best gebruikt kunnen worden.

Elke 10 milliseconden stuurt het basisstation een timingbaken uit om alle nodes in het systeem te synchroniseren. Als een applicatie geen verbinding heeft, staat deze in stand-by en luistert – om de batterij te sparen – slechts om de 640 milliseconden naar het baken. Deze zogenaamde low scan paging mode is het resultaat van een afweging tussen batterijverbruik en reactietijd van het systeem. Immers, een telefoon moet regelmatig luisteren naar het basisstation in verband met een inkomend gesprek.

Bij sensoren ligt dat anders. Laag vermogensverbruik is hier mogelijk doordat sensoren het grootste deel van de tijd niets doen en dus kunnen slapen. Door de low scan paging mode op te rekken van 640 milliseconden tot 20 seconden en de stroom tot enkele microampères te verlagen tijdens deze periode kan de node jarenlang opereren op batterijen. De slaaptijd van 20 seconden is een praktische overweging tussen vermogensverbruik en de timingvereisten. Bij een langere slaap zou de node de slot-timing kunnen kwijtraken.

Dect deelt het beschikbare spectrum zowel in de tijd als in de ruimte op. In totaal zijn er tien frequentiebanden en voor zowel de up- als de downlink zijn er twaalf sloten beschikbaar. Het protocol schrijft voor dat Dect-apparatuur het netwerk eerst scant, en naar aanleiding daarvan de beste combinatie van frequentie en tijdsloten selecteert.

Deurbel

Het feit dat ULP een uitbreiding is van Dect levert een aantal karakteristieke verschillen op met de bekende low power-technologieën wat betreft bereik, bandbreedte, interferentie en netwerkopbouw. Elke applicatie vereist weer een ander bereik. Veel low power-standaarden gebruiken mesh-technologie om het probleem van de beperkte range per node op te heffen. Voor de meeste applicaties binnen bijvoorbeeld de consumentenelektronica, thuiszorg of huisbeveiliging geldt dat het hele pand moet worden afgedekt. Een gangbare maatstaf om bereik te definiëren is het verschil tussen zendvermogen en ontvangstgevoeligheid oftewel het linkbudget. Om een heel huis af te dekken is normaliter een minimum linkbudget nodig van 115 dB. Tabel 1 zet het linkbudget van een aantal standaarden op een rijtje.

Omdat Dect een zendvermogen van 250 mW toestaat, is een linkbudget van 123 dB mogelijk bij 1 Mbit/s. Dit is ruim voldoende om een typisch huis af te dekken, wat ook bewezen is in de markt. Dect ULP biedt dus de mogelijkheid om met een enkel basisstation (sternetwerk) een heel huis af te dekken in plaats van de complexiteit van een mesh te hoeven gebruiken. Het vermijden van mesh-routers die moeten worden gevoed door het lichtnet en op strategische plekken moeten worden geplaatst, heeft grote voordelen op het gebied van installatie, onderhoud en kosten.

Een andere overweging is interferentie. Interferentie tussen radiosignalen verkleint de kans dat informatie op de juiste plek aankomt. Veel van de voorgestelde oplossingen opereren in de populaire Industry Science Medicine-band (ISM) op 2,4 GHz. Deze is wereldwijd beschikbaar, maar druk bezet door bijvoorbeeld WLan, Bluetooth en magnetronstraling. Een groot risico voor sensornetwerken, aangezien het aantal nodes bij succes sterk zal stijgen.

Sitel ontwikkelde een module voor draadloze nodes met radio en basisband geïntegreerd in een enkele chip.

Dect opereert in de 1,9 GHz-band en is op protocolniveau ontworpen om interferentie te voorkomen. Het dynamische kanaalselectiesysteem zorgt ervoor dat de beste beschikbare band gebruikt wordt. Uniek aan de 1,9 GHz-band is dat deze wel gelicenseerd is, maar vrij van royalty’s.

De bruto bandbreedte van 1 Mbit/s in Dect gecombineerd met het hoge linkbudget maakt spraak in hoge kwaliteit en betrouwbare dataverbindingen mogelijk. Sommige babyfoons en deurbellen gebruiken zelfs video over Dect.

Stand-by

Dect heeft grote voordelen in termen van bereik, betrouwbaarheid en systeemprestaties. Echter, voor niets gaat de zon op en deze voordelen komen met een prijs in termen van stroomverbruik. Vanwege het synchrone karakter van Dect moeten nodes regelmatig wakker worden om systeemtiming te behouden. Er is ook een mogelijkheid om nodes asynchroon te gebruiken om het stroomverbruik drastisch te verminderen. Bij het wakker worden zetten de nodes dan echter eerst een kanaal op voordat data wordt verstuurd, wat een langere responstijd tot gevolg heeft.

Objectief stroomverbruik vergelijken tussen technologieën is lastig omdat elke applicatie andere vereisten heeft. Stel dat een Zigbee-eindpunt bijvoorbeeld in een bepaalde applicatie minder stroom verbruikt dan een Dect-eindpunt. Op systeemniveau kan dit tenietgedaan worden door de kosten, complexiteit en extra vermogensverbruik van een Zigbee-router die nodig is voor het bereik. Een ander voorbeeld is dat een grote overhead nodig kan zijn om een betrouwbare verbinding op te zetten in een asynchroon systeem.

Het praktisch stroomverbruik van een synchrone Dect ULP-node in stand-by ligt typisch tussen 20 tot 40 microampère. Dit betekent dat met behoud van de unieke eigenschappen Dect-applicaties mogelijk zijn die meerdere jaren op twee AAA-batterijen opereren.

Vergeten

RTX Telecom en Sitel Semiconductor introduceerden Dect ULP op het Dect World Forum 2010. De aanwezige partijen verkozen het tot meest veelbelovende Dect-gerelateerde technologie. In navolging werd de Low Power Working Group opgericht binnen het Dect Forum. De internationale leden hiervan drijven de ontwikkelingen binnen de Dect-gemeenschap en dragen een open standaardisatievoorstel aan naar Etsi. Dit voorkomt dat gebruikers vastzitten aan leveranciers en zorgt ervoor dat apparaten kunnen samenwerken.

ULP is een krachtige extensie op een bewezen standaard die alle voordelen van Dect naar het domein van sensoren en actuatoren brengt. Het bereik, de hoge datasnelheid en het interferentievrije karakter gecombineerd met de mogelijkheid om jarenlang op batterijen te opereren is uniek ten opzichte van andere technologieën. Het beeld van Dect als oude technologie heeft jammer genoeg vaak tot gevolg dat de voordelen ervan vergeten worden bij het ontwerp van nieuwe applicaties.

Steven Leussink is systeemarchitect bij Sitel Semiconductor.

Steven Leussink

Terug naar overzicht