Sensorknoten mit Knopfzelle Energiesparender Funkempfänger mit weniger als 10 µW

Ein Gastbeitrag von Dr.-Ing. Heinrich Milosiu, Dr.-Ing. Markus Eppel, Dr.-Ing. Frank Oehler*

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Im IoT wandern ständig Daten zu einem Sensorknoten. Der notwendige Funkempfänger verarbeitet die Sensordaten und -signale und benötigt nur die Energie aus einer Knopfzelle. Außerdem werden unerwünschte und nicht-autorisierte Zugriffe verhindert.

Daten im IoT sammeln: Mit einer speziellen Ultra-Low-Power-Empfängertechnik wandern die Sensordaten direkt aus der Anwendung zur weiteren Auswertung.
Daten im IoT sammeln: Mit einer speziellen Ultra-Low-Power-Empfängertechnik wandern die Sensordaten direkt aus der Anwendung zur weiteren Auswertung.
(Bild: (c) WrightStudio - stock.adobe.com)

Sind Gegenstände ständig mit dem Internet verbunden, ist ausreichend Energie notwendig. Und das nicht zu wenig: Schon bei kleinen Netzwerkknoten für das Internet der Dinge (IoT) ist die Batterie bereits nach wenigen Wochen leer. Abhilfe verspricht der stromsparenden Wake-Up-Receiver Krypto-Z des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS aus Erlangen.

Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts ZEPOWEL haben die Forscher vom Fraunhofer IIS einen neuartigen, verbesserten stromsparenden Funkempfänger entwickelt für einen optimierten Energieverbrauch von IoT-Elektronik. Das Besondere: Der Funkempfänger geht in Richtung Zero Power.

Funkempfänger für einen IoT-Knoten

Im Gesamtmodul nimmt der Funkempfänger eine besondere Stellung ein. Die Sensordaten- und Signalverarbeitung eines IoT-Knotens erfolgt oft sehr schnell, so dass es sich lohnt, den IoT-Knoten in einen Deep-Sleep-Modus herunterzufahren. So sind die meisten Anwendungen hauptsächlich durch die Stromaufnahme des Funkempfängers bestimmt. Vor allem dann, wenn die meiste Zeit auf ankommende Funksignale gewartet werden muss. Dann muss das System schnell reagieren und eine niedrige Latenz ist gefragt.

Besonders die Anwendungen mit spontanen Funkanfragen bei ständiger Funkerreichbarkeit profitieren vom Wake-Up-Receiver, der die beiden Anforderungen niedrige Latenz und sehr niedrige Leistungsaufnahme gleichzeitig erfüllt.

Stromsparender Funkempfang mit RFicient

Der im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekt ZEPOWEL entwickelte Krypto-Z-Receiver ist ein integrierter Funkempfänger. Er spart Energie und empfängt Daten im 868-MHz-Frequenzband. Krypto-Z ist Teil der Weiterentwicklung der RFicient-Technologie des Fraunhofer-Institut IIS. Mit einer sehr niedrigen Systemlatenz bei gleichzeitig niedriger Leistungsaufnahme ist der Krypto-Z-Receiver diejenige Systemkomponente im IoT-Knoten innerhalb ZEPOWEL, die das Mindest-Niveau des Leistungsverbrauchs (Towards Zero Power) des gesamten Moduls bestimmt und trotzdem eine ständige Verbindung bereitstellt.

Hinter einem RFicient-Funkempfänger verbirgt sich ein Ultra-Low-Power-WakeUp-Receiver, der im Bedarfsfall einen IoT-Knoten aufweckt. Somit ist ein permanenter Betrieb eines klassischen Funkempfängers im IoT-Knoten überflüssig. Die Ultra-Low-Power-Empfängertechnik ermöglicht es, kontinuierlich per Funk empfangsbereit zu sein. Und das bei einer Leistungsaufnahme von unter 10 µW bei einer Reaktion in wenigen Millisekunden.

Somit sind mobile Anwendungen permanent von bis zu zehn Jahren mit einer Knopfzelle wartungsarm verbunden. Die möglichen Einsatzszenarien sind unterschiedlich: Gebäudeautomatisierung, Fernwartung, Logistik, elektronische Etiketten im Einzelhandel oder Lagerhaltung.

Weniger Leistung und mehr Sicherheit

Für das Ziel „Towards Zero Power“ haben die Fraunhofer-Forscher den Funkempfänger-Typ als Abkömmling der RFicient-Technik entworfen. Die Selektivität des Empfängers wird dabei auf wenige MHz HF-Bandbreite reduziert, was sonst nur mit zusätzlichen Filterkomponenten wie Oberflächenwellenfiltern (Surface Acoustic Wave Filters, SAW) erreicht werden kann. Verbessert haben die Entwickler die Sicherheit beim Zugriff durch den Funksender.

Eine ausgeklügelte Verschlüsselung hilft, unerwünschte und nicht-autorisierte Zugriffe zu verhindern. Gezielte Attacken durch Angreifer, die gerade eine schnelle Entladung der Batterie des IoT-Knotens als Sabotage-Ziel verfolgen (Battery Depletion Attacks), sind mit der verbesserten kryptographischen Funktion im Krypto-Z-Funkempfänger erkennbar und wirkungslos.

855 MHz und 2,4 GHz sowie integrierte Verschlüsselung

Bild 1: CAD-Layout des Secure-UHF-Ultra-Low-Power-Receivers „KryptoZ“ für 868 MHz mit den Abmessungen 1,1 mm x 0,9 mm.
Bild 1: CAD-Layout des Secure-UHF-Ultra-Low-Power-Receivers „KryptoZ“ für 868 MHz mit den Abmessungen 1,1 mm x 0,9 mm.
(Bild: Fraunhofer IIS)

Bild 1a: CAD-Layout des Secure-UHF-Ultra-Low-Power-Receivers „KryptoZ“ für 2,4 GHz.
Bild 1a: CAD-Layout des Secure-UHF-Ultra-Low-Power-Receivers „KryptoZ“ für 2,4 GHz.
(Bild: Fraunhofer IIS)

Insgesamt ist die weitere Absenkung der Leistungsaufnahme auf unter 1 µW ein wichtiges Performance-Merkmal. Der notwendige CMOS-IC ist mit einer 55-nm-Low-Cost-CMOS-Technologie implementiert (Bild 1). Auswertungen im Labor bestätigen die Erwartungen an die verbesserte Performance. Die IC-Version des Secure-WakeUp-Receiver-IC Krypto-Z für das das Frequenzband 868 MHz ist Bestandteil des IoT-Knotens.

Bild 2: Ein galvanisches Element mit einer Erdbeere genügt zur Stromversorgung des Krypto-Z-IC.
Bild 2: Ein galvanisches Element mit einer Erdbeere genügt zur Stromversorgung des Krypto-Z-IC.
(Bild: Fraunhofer IIS)

Für das Band von 2,4 GHz-gibt es ebenfalls eine Prototyp-Version. Der Krypto-Z-IC vereint die Funkempfänger-Funktion „selektives Aufwecken“ bei sehr niedriger Stromaufnahme mit integrierter Verschlüsselung. Unzulässige Zugangsversuche per Funk entgegen der Protokollvereinbarung werden erkannt.

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Reine Abhör- und Replay-Attacken sind stark erschwert. Der Frequenzbereich reicht von 846 bis 932 MHz. Die Stromaufnahme beträgt 1,2 µA bei einer Versorgungsspannung von 1,2 V.

Die Stromaufnahme liegt damit um den Faktor 100 niedriger als bei alternativen Funkanwendungen. Selbst eine Erdbeerbatterie als galvanisches Element reicht zur Stromversorgung (Bild 2).

Funkempfänger müssen empfindlich sein

Die gemessene Empfindlichkeit beträgt -85 dBm bei einer Aufweckfehlerrate von 0,1 Prozent. Der Eingangsaussteuerbereich für den HF-Eingangspegel weist mit -90 dBm bis 0 dBm eine sehr hohe Dynamik auf. Die Krypto-Z-Implementierung nimmt damit eine funktionale Alleinstellung ein. Die spezielle Superregenerativ-Architektur ermöglicht eine hohe HF-Selektivität. Damit sind HF-Bandbreiten von wenigen MHz möglich, ohne externe SAW-Filter einzusetzen. Damit verbunden ist eine frequenzagile Störsignalunterdrückung von Nachbarkanalstörern.

Klassische Funksysteme senken den Stromverbrauch durch zyklisches Absuchen des Funkkanals im Empfänger, dem sogenannten Polling. Die geringere Stromaufnahme ergibt sich aus dem Verhältnis von aktiver Empfangszeit und den dazwischenliegenden Empfangspausen. Auf Sendeseite müssen die Datenpakete für die Dauer des Empfängerzyklus wiederholt werden.

Die aktive Zeit des Empfängers muss mindestens die doppelte Dauer eines Datenpakets betragen, um ein Paket vollständig zu empfangen. Beim Einschalten des Empfängers werden die notwendigen Funktionsblöcke wie etwa PLL-Synthesizer, Quarz-Oszillator sowie Verstärker und Mischer hochgefahren. Das führt systembedingt zusammen mit der notwendigen Empfangsdauer zu Mindesteinschaltdauern von etwa zehn Millisekunden.

Niedrige Stromaufnahme bei hoher Latenz

Bild 3: Schematische Darstellung der Grundidee des schnellen Abtastverfahrens (b) im Vergleich zu zyklischem Absuchen (a).
Bild 3: Schematische Darstellung der Grundidee des schnellen Abtastverfahrens (b) im Vergleich zu zyklischem Absuchen (a).
(Bild: Fraunhofer IIS)

Soll die durchschnittliche Stromaufnahme weniger als zehn Mikroampere betragen, sind Abschaltpausen und damit eine Latenz im zweistelligen Sekundenbereich notwendig (Bild 3a). Dieses Dilemma der Funktechnik, niedrige Stromaufnahme mit einer höheren Latenz zu erkaufen, wird mit einem patentierten Lösungsansatz aufgelöst. Er basiert auf der Grundidee des abtastenden Funkempfängers, der in regelmäßigen Abständen den Funkkanal nur kurzzeitig empfängt.

Auf Senderseite werden spezielle Wake-Up-Sequenzen der Länge 32 Bit generiert, bei denen das HF-Trägersignal durch Umtastung (On-Off-Keying, OOK) moduliert wird.

Der Empfänger entnimmt dem HF-Signal mindestens einen Abtastwert pro Bit und wertet es ohne Verzögerung aus (Bild 3b). Die Latenz entspricht damit der Dauer des Datenpakets und wird nicht durch Pausenzeiten verlängert. Für eine 32 Bit lange Wake-Up-Sequenz mit einer Datenrate von 1 kBit/s wird eine Reaktionszeit von 31 ms erreicht. Der Abtastempfänger wird so betrieben, dass der Analogteil – hier der komplette Funkempfänger – ein- und ausgeschaltet wird, wobei er nur in der kurzen Ein-Phase Strom verbraucht.

In der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastvorgängen ist der Funkempfänger komplett ausgeschaltet und benötigt nahezu keinen Strom. Durch den Einsatz eines freilaufenden, kalibrierten Lokaloszillators im Empfänger wird kein PLL-Synthesizer benötigt. Das Digitalteil arbeitet durchgehend synchron zur Abtastfrequenz des Empfängers und wird nicht abgeschaltet. Parallel läuft der Systemtakt weiter, der als stromsparender 32-kHz-Oszillator realisiert ist. Insgesamt entfallen damit sowohl Einschwingzeiten des Quarz-Oszillators als auch eines PLL-Synthesizers im Empfänger, die ansonsten die Einschaltzeiten beeinträchtigen würden.

Ressourcenschonende Funktechnik

Mit der beschriebenen Funktechnik müssen nicht unzählige Batterien verwendet werden. RFicient und die Weiterentwicklung als Krypto-Z-Receiver leisten so einen signifikanten Beitrag als ressourceneffiziente Funktechnik. Der im Leitprojekt ZEPOWEL entstandene integrierte Ultra-Low-Power-Funkempfänger zielt auf das Low-Cost-Segment ab und übertrifft bisher verfügbare Funksysteme im Stromverbrauch um den Faktor 100 bis 1000.

Durch die hohe Empfängertrennschärfe sowie der Wegfall von SAW-Filtern sind mit der Krypto-Z-Weiterentwicklung von RFicient frequenz-agile Funklanwendungen möglich, die bisher nicht wirtschaftlich waren.

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ZEPOWEL: Fraunhofer-Leitprojekt für Elektronik mit geringem Energiebedarf

Jeden Tag umgeben uns unzählige Sensoren. Wir nutzen bewusst oder unbewusst Geräte, die unsere Daten sammeln, analysieren, interpretieren und somit helfen, unsere Umwelt besser zu verstehen. Doch die vielen Sensorknoten verbrauchen bislang selbst noch große Mengen an Energie.

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt haben sich neun Fraunhofer-Institute mit ihren Kompetenzen zusammengetan, um zu zeigen, wie all diese Sensorsysteme auch mit extrem geringem Energiebedarf oder komplett autonom funktionieren und somit bundesweit bis zu 20 Prozent der Kohlendioxid-Emissionen einsparen können. Die Forschungsarbeiten des Fraunhofer-Konsortiums umfassten integrierte Sensorik und Signalverarbeitung, Energiegewinnung aus der Umgebung, verbesserte Speichertechnologien sowie effiziente, drahtlose Kommunikation in vernetzten IoT-Systemen.

Entstanden ist ein breit aufgestellter Technologiebaukasten, mit dem eine Vielzahl von verschiedenartigen Sensorsystemen für unterschiedliche Anwendungen gefertigt werden können, die von der fertigenden Industrie, über die Landwirtschaft und die Logistik bis hin zu ganzheitlichen Systemen für ein effektives und nachhaltiges Internet der Dinge reichen.

An zwei Beispielen haben die Forscher die Funktionsweise des Baukastens demonstriert. Der „Smart-City-Demonstrator“ besteht aus einem Partikelsensor, um den Feinstaubgehalt in der Umgebungsluft zu bestimmen. Der Sensor funkt seine Daten über den IoT-Core, einem Funkmodul, und einer Energieversorgung zu einem mobilen energieautarken Sensorsystem. Im „Smart-Fabrication-Szenario“ entstand ein System, um Gleichspannungswandler aus der Ferne zu überwachen und zu konfigurieren. Es ermöglicht eine nahezu verlustfreie Ankopplung dezentraler Energiespeicher an Energienetze.

* Dr.-Ing. Heinrich Milosiu, Dr.-Ing. Markus Eppel und Dr.-Ing. Frank Oehler arbeiten am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen.

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