Der Frequenzbereich 2,4 GHz hat sich seit Langem als De-facto-Band für viele IoT-orientierte Wireless-Netzwerke durchgesetzt, beispielsweise WLAN, Bluetooth, ZigBee, 802.15.4 usw.

Diese Technologie bietet viele aufgrund der Datenraten, der Topologie, der Batterieleistung usw. wichtige Vorteile in vielen Anwendungsbereichen, hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: die Reichweite. Bei Applikationen mit geringer Datenrate, wie beispielsweise ZigBee, lassen sich bei sorgfältigem Design der Antennen bis zu 1 km Reichweite erreichen. Was aber, wenn ein größerer Bereich erforderlich ist?

Lösungen für größere Reichweite

Sicherlich gibt es neben 2,4 GHz noch andere Lösungen für größere Reichweiten. LoRa, Sigfox und natürlich zellulare Lösungen wie NB-IoT und Cat-M gehören zu den offensichtlichen Kandidaten. Sie bieten zwar eine deutlich größere Reichweite, haben aber auch ihre Tücken: Für LoRa-Implementierungen sind Gateways erforderlich, und für Lösungen auf Mobilfunkbasis sind SIM-Karten notwendig und es fallen Kosten für den Datentarif an. Daher sollten Lösungen in Betracht gezogen werden, die auf Sub-GHz-Bändern basieren, das bedeutet 863–870 MHz für Europa und 900 MHz für andere Regionen wie die USA, Australasien und Japan, insbesondere wenn sie eine Vielzahl von Topologien unterstützen können.

ISM im Sub-GHz-Bereich

Sub-GHz bietet deutlich bessere Übertragungsreichweiten als das 2,4-GHz-Band. Je nach Verstärker- und Antennenkonfiguration lassen sich Bereiche von mehreren Dutzend Kilometern erreichen. Aufgrund der größeren Wellenlängen werden Sub-GHz-Bänder weniger durch Beugungseffekte an Hindernissen und Signalreflexionen beeinträchtigt. Das 2,4-GHz-Frequenzband ist zudem aufgrund der zahlreichen Technologien und Protokolle sehr stark mit Signalübertragungen belastet, beispielsweise von WLAN-Routern, ZigBee-basierten Zählern und einer Vielzahl von Bluetooth-Bauteilen. Im Gegensatz dazu werden die Sub-GHz-ISM-Bänder seltener und für ganz bestimmte Anwendungsfälle genutzt, häufig mit Verbindungen mit kurzer Einschaltdauer, was zu weitaus weniger Störungen führt. Die Sub-GHz-Bänder bieten dank solcher Anwendungsbereiche mit geringeren Datenraten in der Regel den Vorteil eines geringeren Stromverbrauchs.

XBee SX- & XR Sub-GHz-Module von Digi

Digi bietet eine Vielzahl von vorzertifizierten Sub-GHz HF-Modulen und Modems für Embedded Designs. Die Module der Baureihe XBee® von Digi sind in Durchsteck-, SMT- und Mikromontage-Bauweise erhältlich und bieten mehrere Schnittstellen, darunter Point-to-Multipoint und DigiMesh® für 900-MHz- und 868-MHz-Frequenzen. Für Applikationen mit höherer Leistung und größerer Reichweite sind zusätzliche HF-Module erhältlich.

Die ursprüngliche Produktfamilie der XBee® SX-Module von Digi kann entweder ein proprietäres DigiMesh®- oder ein Point-to-Multipoint-Netzwerkprotokoll ausführen, das einen stromsparenden Mikrocontroller von Silicon Labs und einen ADF7023-Transceiver von Analog Devices sowie einen integrierten SAW-Filter nutzt, der eine branchenweit führende Störungsabschirmung bietet. Der XBee SX 868 von Digi arbeitet zwischen 863 MHz und 870 MHz und kann somit in verschiedenen Regionen der Welt eingesetzt werden, darunter in zugelassenen europäischen Ländern mit Reichweiten von bis zu 14,5 km. Die HF-Module des XBee® SX 900 MHz sind in Varianten für die USA, Brasilien, Japan, Australasien und weitere Regionen erhältlich, wobei mit High-Gain-Optionen Reichweiten von bis zu 64 Kilometern erreicht werden können.

Das neue XBee® XR-Modul von Digi ist eine kompakte und zuverlässige Lösung, die den Einsatz von Applikationen für die Verbindungsfähigkeit mit großer Reichweite unterstützt. Das vorzertifizierte 868 XR-Modul arbeitet zwischen 863 und 870 MHz unter Einhaltung der europäischen Standards und unterstützt sowohl Point-to-Point- als auch Mesh-Networking-Protokolle mit einem Sichtverbindungsbereich von über 14 km. Das 900 XR-Modul arbeitet zwischen 902 und 928 MHz, erfüllt die Standards und bietet eine Sichtverbindung von bis zu 17 km. Die Produktfamilie XR kann mit der benutzerfreundlichen XCTU® Software von Digi oder über die vereinfachten AT- oder API-Befehle von Digi einfach konfiguriert werden. Sie sind für den Einsatz in mehreren Ländern vorzertifiziert und enthalten integrierte Antennen, wodurch die Kosten für die HF-Entwicklung/den HF-Support entfallen und eine schnelle Markteinführung für OEM Designs ermöglicht wird. Durch die Nutzung des Frequenzsprungverfahrens (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) beim XBee XR und den Industrietemperaturbereich von -40 °C bis 85 °C eignet sich das Modul ideal für Applikationen in lauten, anspruchsvollen Umgebungen und ist ideal einsetzbar für Anwendungen in der Landwirtschaft und im Energiesektor, bei denen eine Kommunikation über große Entfernungen erforderlich ist. Die Module nutzen die Sub-GHz-Bänder und die umliegenden Frequenzen für LBT + AFA (Listen Before Talk und Adaptive Frequency Agility). Dadurch werden Störungen erheblich reduziert, da die Funk-Umgebung vor der Transmission abgehört wird und bei Erkennung von Störungen automatisch auf einen neuen Kanal umgeschaltet wird. Dieser patentierte Frequenz-Scan erfolgt automatisch und in wenigen Mikrosekunden, um das Betriebsverhalten nicht zu beeinträchtigen. Ein entscheidender Vorteil der Produktfamilie besteht darin, dass die Module unabhängig vom Frequenzband oder von regionalen Zulassungen alle die gleiche Baugröße (Footprint) und Pinbelegung haben. Das bedeutet, dass für das Leiterplatten-Design nur ein Layout erforderlich ist, das dann mit dem entsprechenden Modul für die jeweilige Weltregion bestückt werden kann.

Das XBee XR-Modul von Digi ist eine umfassende Hardware- und Software-Lösung, die sofort einsetzbar ist. Die Development Kits und die XBee Tools von Digi unterstützen den gesamten Lebenszyklus einer IoT-Applikation, von der Evaluierung, Prüfung und dem Prototyping über die Fertigung und den Einsatz bis hin zum langfristigen Netzwerk-Management.

Fazit

Sub-1GHz und 2,4 GHz sind beliebte ISM-Bänder. Die Vorteile des Sub-GHz-Bereiches liegen in der großen Reichweite, dem geringen Stromverbrauch und der Unempfindlichkeit gegenüber Signalstörungen, wohingegen der 2,4-GHz-Bereich oft einen hohen Stromverbrauch und eine begrenzte Reichweite aufweist und die Mobilfunktechnologie teurer ist. Die SX- und XR-Module von Digi für den Sub-GHz-Bereich nutzen diese ISM-Bänder für größere Reichweiten und unterstützen mehrere Topologien. Ihr Formfaktor gewährleistet eine nahezu globale Abdeckung mit einer einzigen Baugröße und sorgt damit für einfaches Leiterplatten-Design und -Layout. Zudem lässt sich die Zeit bis zur Markteinführung mit der Tools-Suite von Digi erheblich verkürzen.