Dect als bouwsteen voor internet der dingen

Reading time: 6 minutes

Author:

Jos van der Loop is productmarketingmanager bij Dialog Semiconductor.

We krijgen steeds meer sensoren en actuatoren in huis. Deze nodes moeten weinig stroom verbruiken, willen ze op een batterij kunnen werken. Bovendien moeten de onderlinge verbindingen stabiel zijn en moeten populaire communicatiemiddelen zoals smartphones en tablets erop kunnen inhaken. Een kolfje naar de hand van Dect Ultra Low Energy, stelt Jos van der Loop van Dialog.

Digital Enhanced Cordless Telephony (Dect) is naast GSM de meest populaire telecomstandaard. De technologie is inmiddels wereldwijd geaccepteerd, met uitzondering van China. 25 miljoen breedbandmodems zijn er al mee uitgerust, oftewel een kwart van de markt.

Dect is onder meer zo populair vanwege het zendprotocol, dat extreem effectief is in sternetwerken. In elke transmissie tussen nodes en een cel (basisstation) brengt het systeem de status van die knooppunten in kaart – de besturing zit dus als het ware ingebakken in het protocol. De informatie wordt in slechts één energiepuls uitgezonden. Voor telefonie gaat er elke tien milliseconden zo‘n burst uit om het gesprek vloeiend te laten verlopen.

Hoewel in 1990 door het Europese telecomstandaardisatie-instituut Etsi gestandaardiseerd voor draadloze thuistelefonie, wordt Dect al jaren ook toegepast in andere omgevingen. Zo verzorgt de technologie onder meer de communicatie tussen sensoren in ziekenhuizen. Ook de gegevensuitwisseling tussen de XBox360-spelcomputer en zijn controllers loopt via een Dect-variant.

Bij veel van deze toepassingen is de datatransmissie dermate klein dat één energiepuls volstaat, die binnen een specifiek tijdschema wordt herhaald, bijvoorbeeld iedere minuut. Dit geeft onder meer de mogelijkheid om controle uit te oefenen op de batterijstatus. Dect Ultra Low Energy (ULE) biedt hiervoor de benodigde handvatten. Deze Nederlandse innovatie maakt zeer energiezuinige chips mogelijk en compleet nieuwe toepassingen, zoals intelligente sloten en thermostaten, slimme stekkers voor energiemeting en zonnecelbesturingen.

Bluetooth LE Dect ULE Wavenis Zigbee Z-Wave
Frequentie 2,4 GHz (ongelicenseerd) 1,9 GHz (gelicenseerd) 900 MHz (ongelicenseerd) 2,4 GHz (ongelicenseerd) 900 MHz (gelicenseerd)
Bereik 10 m 300 m 100 m 100 m 65 m
Datasnelheid 1 Mb/s 1 Mb/s 0,02 Mb/s 0,25 Mb/s 0,04 Mb/s
Linkbudget 92 dB 123 dB 121 dB 106 dB 101 dB
Ebom 2 – 4 dollar 2 dollar 2 – 3 dollar 2 – 3 dollar 2 – 3 dollar
Doelmarkten Snoerloze communicatie (typisch via mobiele telefoons) Beveiliging, energiemonitoring, thuisautomatisering, zorg Energiemeting Laagvermogennetwerken Thuisautomatisering

Het aanbod aan energiezuinige draadloze technologieën is groot. Bron: GBI Research

Energiepuls

De focus op laag stroomverbruik is ingegeven door het toegenomen aantal telefoontoestellen in huis. Oudere Dect-handsets verbruiken zo‘n drie à vier watt. De technologische evolutie heeft dit met een factor drie tot vijf teruggebracht. De wereldwijde Dect-gerelateerde energieconsumptie is daardoor met vier miljard watt gedaald tot ongeveer twee miljard watt. Bij een halve euro per watt komt dat neer op een kostenbesparing van zeshonderd miljoen euro op jaarbasis. Op het niveau van de nodes is het stroomverbruik zelfs een factor tienduizend kleiner, uitgaande van één keer communiceren per minuut.

Een belangrijke manier om de energieconsumptie te verlagen, is door de chip te verkleinen. Door steeds betere productieprocessen is het siliciumoppervlak de afgelopen jaren een factor tien tot vijftien gekrompen. Dit heeft ook positief gewerkt op de productiekosten: voor een Dect-telefoon zijn die gedaald van 120 dollar tot minder dan tien dollar. Tegelijkertijd is de integratiegraad een stuk hoger geworden. De multichiparchitecturen van weleer hebben plaatsgemaakt voor enkelchipoplossingen in de nieuwste toestellen.

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.

Van belang is ook dat de architectuur van de elektronica op de chip de flexibiliteit biedt om het stroomverbruik van de toepassing in de hand te houden. Het moet bijvoorbeeld mogelijk zijn om functies uit te zetten op momenten dat ze niet nodig zijn. Bij architecturen met meerdere DSP‘s is het handig als deze motoren zijn terug te schakelen wanneer er wat minder processing power vereist is.

Dect-apparaten minimaliseren hun energieconsumptie onder meer door te gaan slapen wanneer er even geen actie vereist is. Slimme trucjes zorgen ervoor dat ze vanuit die ruststand snel weer in verbindingsmodus komen. De gemiddelde Dect-chip heeft minimaal drie processoren: een voor de algemene functies (bijvoorbeeld het klokcircuit, het Ram, externe geheugens en de interface naar de buitenwereld), een voor het ADC-pad en een voor de radio en de antenne. In ruste zijn het vooral de eerste twee die het stroomverbruik bepalen; in actieve modus voert de laatste de boventoon.

De radio gaat alleen aan om te zenden en te ontvangen. In een zeer korte periode stuurt hij dan een burst van ongeveer 250 mW uit met een relatief lage bitrate. Bij telefonie gebeurt dit om de tien milliseconden; bij ULE-nodes is de tijd tussen de pulsen afhankelijk van de toepassing. Een rookmelder slaapt bijvoorbeeld vrijwel continu en wordt alleen wakker bij rook of voor een batterijcheck. Daarnaast is het vereiste vermogen van de radio af te stemmen op de afstand tussen het basisstation en de node.

De slaaptijd tussen twee bursts bepaalt de energieconsumptie. Dect ULE verbruikt ongeveer vijf millicoulomb tijdens een puls en zo‘n drie microampère aan ruststroom. Bij een minuut slaaptijd is de gemiddelde opname 86 µA. De batterijlevensduur is dan te bepalen met de formule: levensduur = capaciteit / (ruststroom + burstenergie / slaaptijd).

Dect ULE-modules zijn verkrijgbaar als compleet system-in-package (Sip), inclusief alle (applicatie)software en conform alle Dect-eisen. Gebruikers kunnen er eenvoudig nieuwe markten mee op, zonder dat ze daar specifieke Dect-kennis voor nodig hebben.

Zelfconfigurerend

Het aanbod aan draadloze technologieën is groot. Thuis zijn Dect (1,9 GHz) en Wifi (2,4 GHz) verreweg het meest gebruikt: Dect voor spraak en de ULE-variant voor batterijgevoede oplossingen met lagere bitrates en Wifi voor de hogere snelheden, zoals de communicatie met een pc. Zigbee (2,4 GHz) wordt toegepast in meshnetwerken, waarbij de nodes actief zijn om de informatie door te geven. Voor onder meer slimme meters en home area networks zijn daarnaast Wavenis en Z-Wave in ontwikkeling.

De Dect-varianten hebben als grote voordeel dat ze de 1,9-GHz-frequentieband wereldwijd voor zich alleen hebben en dus geen interferentie ondervinden van andere radiotechnologieën. Daarnaast laten de alternatieven geen van alle een burst toe van 250 mW in de band. Dit maakt ze minder geschikt voor gebruik in huis, waar de verbindingen betrouwbaar moeten zijn en de hele woning moeten dekken. De exacte reikwijdte wordt bepaald door het zogeheten linkbudget, een combinatie van het zendvermogen en de ontvangstgevoeligheid.

De betrouwbaarheid wordt gegarandeerd doordat Dect net als GSM kanalen dynamisch toewijst volgens een Time Division Multiple Access-systeem (TDMA), met voor spraak 24 tijdsloten in een window van tien milliseconden. Daarnaast gebruikt het een Frequency Division Multiple Access-protocol (FDMA) met tien frequentiedragers in de band van 1880 tot 1900 MHz. De datasnelheid bedraagt 1,152 Mb/s, verdeeld over twaalf verbindingen. Hiermee is het mogelijk om 10 * 12 = 120 spraakverbindingen tegelijk op te zetten. In de praktijk resulteert dit voor spraak in zestig duplexverbindingen rond één basisstation.

Het window bij Dect ULE is afhankelijk van de ingestelde slaaptijd en kan vele malen groter zijn dan tien milliseconden. Dat betekent dat de technologie ook veel meer nodes kan bedienen. Met een slaaptijd van één seconde kunnen het er theoretisch twaalfhonderd zijn, dus honderd keer meer dan voor spraak.

Verschillende verbindingen in aangrenzende cellen kunnen bovendien hetzelfde kanaal gebruiken (dezelfde frequentie-tijdslotcombinatie). Een opeenstapeling van basisstations (bijvoorbeeld op een afstand van 25 m in een ideaal zeshoekig dekkingsmodel) kan daardoor een basisverkeerscapaciteit leveren tot ongeveer 10.000 Erlang/km2/verdieping. De nodes selecteren het best mogelijke kanaal (frequentie en slot) en schakelen automatisch over naar een ander kanaal wanneer de kwaliteit van de verbinding slecht wordt.

Een voorbeeld van een ULE-product is de smart plug. Waar telefonietoepassingen de 16 bit ADC‘s in het analoge front-end van de Dect-chip gebruiken voor spraak, zet deze slimme stekker ze in voor nauwkeurige stroommetingen (1 tot 10 W en 10 tot 3500 W met een nauwkeurigheid van twee procent).

Een tijdslot in een Dect (ULE)-window bevat informatie over onder meer kanaalbezetting, paging, synchronisatie, systeemidentiteit en -capaciteit. Dit waarborgt een zelfconfigurerend systeem. Voor de installatie is het voldoende om één node aan te melden.

Nadeel is dat de ULE-variant (nog) geen standaard is. Het protocol volgt de Dect-specificatie, met de toevoeging van langere tijdwindows. De gebruikersprofielen kunnen echter verschillend zijn. Standaardisatie is dus gewenst, maar kost tijd. Etsi heeft het op de agenda staan voor het eerste kwartaal van volgend jaar. Het Dect Forum, het Home Gateway Initiative, telecomorganisatie ITU-T en de Zigbee Alliance hebben Dect ULE wel al geaccepteerd als protocol.