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Neue stromsparende und flexible Funktechnik für IoT-Applikationen

| Redakteur: Michael Eckstein

LPWA-CB kann je nach Kontext transparent zwischen mehreren Übertragungsverfahren umschalten und Datenraten flexibel skalieren. Damit soll es bekannte Standards wie LoRa oder NB-IoT überflügeln. Laut Entwickler Leti ist die Technik besonders gut für den Einsatz in 5G-Netzen geeignet.

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Flexibel funken: Im Feldtest skaliert die für IoT-Anwendungen entwickelte LPWA-CB-Funktechnik von Leti von wenigen kBit/s bis zu einigen MBit/s.
Flexibel funken: Im Feldtest skaliert die für IoT-Anwendungen entwickelte LPWA-CB-Funktechnik von Leti von wenigen kBit/s bis zu einigen MBit/s.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Das Internet of Things (IoT) manifestiert sich zusehends. Es hat in den letzten Jahren die Nachfrage nach „Low Power Wide Area“-(LPWA)-Netzwerken befeuert – also Funktechniken, die hohe Reichweiten mit geringem Stromverbrauch kombinieren. Da je Applikation dutzende, hunderte oder gar tausende IoT-Geräte über ein Netzwerk kommunizieren, ist zudem das optimale Ausnutzen des Link-Budgets erforderlich. Die physikalische Schicht muss also sehr energieeffizient arbeiten.

Leti, das europäisches Forschungsinstitut von CEA Tech, hat daher eine neue LPWA-Technologie entwickelt. Die „LPWA-CB“ genannte Technik basiert auf einem neuartigen Ansatz für die physikalische Schicht mit der Bezeichnung „Turbo Frequency-Shift Keying“ (Turbo-FSK). Neben Turbo-FSK kommt auch Channel Bonding zum Einsatz, also das Aggregieren von nicht zusammenhängenden Kommunikationskanälen. Dadurch gelingt es den Leti-Forschern, Reichweite und Datenrate zu erhöhen. Im Vergleich mit anderen LPWA-Technologien wie LoRa als auch NB-IoT soll das neue Verfahren deutliche Leistungssteigerungen in Bezug auf Abdeckung, flexible Datenraten und Stromverbrauch aufweisen.

Flexible Anpassung an Applikations- und Umgebungsbedingungen

LPWA-CB nutzt flexibel unterschiedliche Wellenformen und Modulationsverfahren. Es ist so konzipiert, dass es sich selbständig an den Kontext, also das Nutzungsszenario und die Anwendung, anpasst. Die Technik wählt die optimale Konfiguration entsprechend den Anforderungen der Anwendung, also abhängig von der Gerätemobilität, geforderten Datenrate, Energieeffizienz oder Belegung des Netzwerks.

Unter günstigen Übertragungsbedingungen, etwa wenn eine Sichtverbindung besteht und nur kurze Distanzen überbrückt werden müssen, kann das Leti-System Single-Carrier-Frequency-Division-Multiplexing (SC-FDM) nutzen, um hohe Datenraten zu übertragen. Dieser Übertragungsmodus ermöglicht einen geringen Stromverbrauch. Bei schwierigeren Übertragungsbedingungen schaltet das System auf ein robusteres, leistungsfähigeres Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing (OFDM) um. Wenn sowohl eine sehr weitreichende Übertragung als auch eine hohe Leistungseffizienz erforderlich sind, wählt das System hingegen Turbo-FSK. Dieses selbst entwickelte Verfahren kombiniert orthogonale Modulation mit einer parallelen Verkettung von Faltungscodes. Die Auswahl erfolgt automatisch über einen für IoT-Anwendungen optimierten Media-Access-Control-(MAC)-Ansatz.

Transparenter Wechsel zwischen SC-FSM, OFDM und Turbo-FSK

Erste Feldversuche mit LPWA-CB zeigen laut Leti, dass die eigene LPWA-Implementierung je nach Umgebungsbedingungen Datenraten von 3 Mbit/s bis hinunter zu 4 kBit/s skalieren kann. Dabei wechselt die Technik nach Bedarf automatisch und für den Anwender transparent zwischen SC-FDM, OFDM und Turbo-FSK. Nach eigenen Angaben zeigen die Ergebnisse, dass die neue Technologie besonders geeignet ist für massiv maschinelle Kommunikationssysteme (mMTC), die eine große Reichweite benötigen. Bisherige Mobilfunksysteme, die primär auf die Bedürfnisse menschlicher Benutzer ausgelegt sind, könnten die sehr kleinen Datenpakete von mMTC-Systemen hingegen nicht effizient übertragen.

„Letis Turbo-FSK-Empfänger arbeitet nahe der Shannon-Grenze – der maximalen Rate, mit der Daten über einen bestimmten verrauschten Kanal ohne Fehler übertragen werden können“, sagt Vincent Berg, Leiter der Smart Object Communication Laboratory am Leti. Das System sei auf eine niedrige spektrale Effizienz ausgerichtet. Die Wellenform weise eine konstante Hüllkurve auf, sie habe ein Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittsleistung (PAPR) von 0 dB, was besonders vorteilhaft für einen geringen Stromverbrauch sei. „Turbo-FSK ist daher für zukünftige LPWA-Systeme, insbesondere in 5G-Mobilfunksystemen, gut geeignet.“

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