Embedded-Wi-Fi-Module ermöglichen für viele Geräte eine unkomplizierte und direkte Internetanbindung über einen Wifi-Access-Point.

Embedded-Wi-Fi-Module ermöglichen für viele Geräte eine unkomplizierte und direkte Internetanbindung über einen Wifi-Access-Point.Digi-Key

Derzeit besteht immer häufiger die Forderung, viele unterschiedliche Geräte mit dem Internet zu verbinden. Das daraus entstehende Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) bietet viele Vorteile – von den geringen Kosten für Verwaltung und Upgrades bis hin zu einer enormen Verbesserung der Flexibilität bei der Entwicklung großer Netzwerke.

Eine kabellose Verbindung zu einem Gerät lässt sich über verschiedene Wege aufbauen. Dank aktueller Entwicklungen wird WLAN (der IEEE802.11-Standard) jedoch zu einer immer beliebteren Option. Diese Entwicklung wird zudem durch die allgegenwärtige Verwendung von WLAN-Netzwerken im privaten und industriellen Umfeld gestützt. Silizium-Komponenten, die diesen Standards entsprechen, werden in Größenordnungen von mehreren Millionen hergestellt, wodurch die Kosten sinken. Die Frequenzbänder 2,4 und 5 GHz sind nicht reguliert und weltweit verfügbar – im Gegensatz zu Mobilfunklösungen wie GSM und LTE. Weiterhin gibt es ein vielseitiges und immer stärker wachsendes Softwareangebot, das eine direkte Verbindung zum Internet über einen Zugangspunkt nutzt.

Verbesserungen

Die Verwendung von WLAN in kabellosen Sensornetzwerken und im IoT hat allerdings einige Herausforderungen hervorgebracht, die sich in erster Linie auf die Komplexität der Umsetzung und auf den Stromverbrauch beziehen. Gleichzeitig gab es Probleme mit Interferenzen, die zu einer zusätzlichen Belastung des Stromverbrauchs führten. Für moderne Geräte stellt dies eine große Herausforderung dar.

Eckdaten

Wifi-Module mit integriertem Funk-Frontend sind kostengünstig, schnell und einfach in Anwendungen integrierbar. Die Weiterentwicklung von IEEE-802.11-Standard und Wifi-Bausteinen verringert den Stromverbrauch durch höhere Datenraten und kürzere Sendezeiten. Broadcom, Microchip und Atmel bieten extrem stromsparende WLAN-Chips mit Ruhemodus an, wobei der Chip mehr als 95 % der Betriebszeit ruht und Daten nur bei Bedarf überträgt. Wifi Direct ermöglicht ohne Netzwerkzugriff einen direkten Verbindungsaufbau zu einem WLAN-Knoten und bedeutet damit einfachere Netzwerkarchitekturen und -software, weniger Zugriffspunkte und geringerer Stromverbrauch.

WLAN wurde als Desktop-Technologie entwickelt, um Daten an einen Zugriffspunkt zu übertragen. Ein geringer Stromverbrauch stand bei der Entwicklung also nicht im Vordergrund. Moderne Silizium-Komponenten und verschiedene Softwarearchitekturen können den Stromverbrauch allerdings erheblich reduzieren und somit kostengünstige Lösung auch für batteriebetriebene Geräte ermöglichen. Aufgrund der höheren Leistung der Zugriffspunktchips und neuer Standards wie 802.11ac lassen sich deutlich mehr Geräte mit einem Netzwerk verbinden. Eben diese Leistungssteigerung hat auch die Verringerung des Stromverbrauchs zum Ziel.

Den Stromverbrauch reduzieren

Die Stromaufnahme beim WLAN lässt sich im IoT auf zwei Arten reduzieren. Zunächst geht es um eine Optimierung des Lastzyklus. Im Gegensatz zu Streaming-Anwendungen treten Sensor- und Steuerungsdaten im IoT stoßweise auf. Der WLAN-Chip muss für die Übertragung von Daten also nur 5 % der gesamten Zeit aktiv sein und im Gegensatz zu Bluetooth keine Verbindung aufbauen. Da die aktuellen Chips von Entwicklern wie Broadcom, Microchip und Atmel auch extrem stromsparende und im Hintergrund aktive Ruhemodi bieten, kann der Chip 95 % oder sogar 99 % der Zeit ruhen und muss nur dann aufwachen, wenn Daten versendet oder Steueranweisungen empfangen werden. Der durchschnittliche Stromverbrauch sinkt so enorm und die Lebensdauer von Batterien verlängert sich.

Systemarchitekten stellen zudem Verbindungen zur Verfügung, die eine höhere Leistung bieten. In Batteriesystemen kommt es allein darauf an, wieviel Strom verbraucht wird. Durch Verwendung einer Verbindung mit höherer Geschwindigkeit (100 MBit/s in einem 11n-Kanal oder sogar 433 MBit/s in einem 11ac-Kanal) benötigt der Chip also weniger Zeit für die Versendung der Daten und kann schneller abschalten. Dadurch sinkt der Stromverbrauch erheblich.

Kürzere Sendezeit mit höherer Datenrate

Wi-Fi-Frequenzbänder IEEE802.11im Vergleich.

Wi-Fi-Frequenzbänder IEEE802.11im Vergleich.

Neue Standards wie der 11ac sind auch auf die Lösung von Interferenzproblemen ausgelegt. Eines der Probleme bei der Verwendung von WLAN bezog sich bisher auf Interferenzen mit anderen Netzwerken und anderen Geräten. Im Frequenzband 2,4 GHz steht nur eine begrenzte Anzahl von Kanälen für 11b, 11g und 11n bereit. In großen Netzwerken mit Tausenden von Geräten kann es daher zu Interferenzen kommen. Dies führt zu einem Anstieg des Stromverbrauchs, da Daten wiederholt gesendet werden müssen und die Wahrscheinlichkeit weiterer Interferenzen zudem steigt. In vielen Lösungen wird eine höhere Übertragungsleistung eingesetzt, um Interferenzen zu vermeiden, was jedoch auch zu einem höheren Stromverbrauch führt.

Dieser Effekt wird durch die Reduzierung des Lastzyklus abgeschwächt. Wenn nur ein Gerät über kurze Zeit Daten überträgt, ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass es ein anderes Gerät in der Nähe stört. Durch Reduzierung der Übertragungszeit wird also nicht nur der Stromverbrauch, sondern auch das Risiko von Interferenzen reduziert.

Funktionsblockbild des GS2100M von Gainspan (Low-Power-High-Speed-Modul für 802.11b/g/n).

Funktionsblockbild des GS2100M von Gainspan (Low-Power-High-Speed-Modul für 802.11b/g/n).Gainspan, Datenblatt GS2100M

Es gibt weitere Netzwerke wie beispielsweise Zigbee und Bluetooth, die bei 2,4 GHz arbeiten. Da dieses Frequenzband nicht reguliert ist, können dort auch andere proprietäre Netzwerke zum Einsatz kommen. Moderne Entwicklungsmethoden haben zu einer Verbesserung der Interferenz-Vermeidung beigetragen. Auch neue Codierungslösungen können eine Reduzierung der Interferenzen bewirken. Dies ist für andere Geräte gleichermaßen von Bedeutung. Die Strahlungsleistung von Mikrowellengeräten liegt auch im Frequenzband 2,4 GHz und kann zu weiteren Interferenzen führen. Der im 5-GHz-Frequenzband mit 80-MHz-Kanälen genutzte 802.11ac-Standard vermeidet viele dieser Probleme und kann höhere Datenraten (Spitzenwerte bis 1 GBit/s) und weniger Wechselwirkungen mit anderen Netzwerken erreichen.

Dies ist jedoch mit eigenen Herausforderungen verbunden. Die Entwicklung eines Funk-Frontend für 2,4 GHz ist keine einfache Aufgabe und für 5 GHz sogar noch komplizierter. Für die Umsetzung von Netzwerken und den Stromverbrauch einzelner Knoten ist dies von großer Bedeutung.

Der Wi-Fi/Bluetooth-Chip WINC3400 von Atmel unterstützt 1x1 MIMO bei 2,4GHz mit 20MHz Kanalbandbreite (IEEE 802.11 b/g/n) und Bluetooth Low Energy (BLE 4.0).

Der Wi-Fi/Bluetooth-Chip WINC3400 von Atmel unterstützt 1×1 MIMO bei 2,4GHz mit 20MHz Kanalbandbreite (IEEE 802.11 b/g/n) und Bluetooth Low Energy (BLE 4.0). Atmel

Funk-Frontend

Die Entwicklung von Frontend und Antenne ist für den Stromverbrauch entscheidend. Eine ideale Antenne mit minimalen Schaltverlusten ermöglicht eine günstige Verbindung, der Knoten kann also Daten mit einem geringen Stromverbrauch übertragen. Der Knoten kann außerdem auf größere Entfernungen effektiv arbeiten, wodurch sich die Anzahl erforderlicher Knoten ebenso wie die Kosten und Komplexität des Netzwerks reduzieren.

In 5-GHz-Netzwerken ist zwar ein geringerer Stromverbrauch bei größeren Datenraten möglich, allerdings ist die Durchdringung niedriger als bei 2,4 GHz. Die Verbindungen sind bei gleicher Stromleistung also kürzer beziehungsweise es sind mehr Geräte erforderlich. Die Gestaltung von Antennensystemen in 11ac-Netzwerken mit 5 GHz unterscheidet sich ebenfalls von den 2,4-GHz-Varianten.

Funktionsblockbild des WINC3400 von Atmel.

Funktionsblockbild des WINC3400 von Atmel.Atmel, Datenblatt WINC3400)

All diese Probleme kann eine neue Generation stromsparender Module beheben, die Einfachchip-Transceiver mit einem optimierten Antennendesign und passenden Komponenten kombinieren, um die bestmögliche Verbindungsleistung zu bieten. Die Module lassen sich leicht in bestehende Geräte integrieren und mit Zugriffspunkten sowie mit dem Internet of Things verbinden. In diesen Modulen von Anbietern wie Murata kommen Chips von Broadcom, Microchip oder Gainspan zur Anwendung. Dank der integrierten Antenne können Designer problemlos Verbindungen über 50 bis 70 m Entfernung in Innenräumen oder 300 bis 1000 m im Außenbereich umsetzen. Eine noch größere Entfernung kann mit einem externen Leistungsverstärker und einer Antenne erreicht werden, ist jedoch mit einem höheren Stromverbrauch verbunden. Da die Module bereits sehr stromsparend sind, stehen mehr Möglichkeiten für die Umsetzung von Netzwerken zur Verfügung.

Der Wi-Fi-Chip BCM4366 von Broadcom unterstützt 8x8 MU-MIMO bei 5 GHz mit 160MHz Kanalbandbreite (acht Kanäle 802.11ac und vier Kanäle 802.11n).

Der Wi-Fi-Chip BCM4366 von Broadcom unterstützt 8×8 MU-MIMO bei 5 GHz mit 160MHz Kanalbandbreite (acht Kanäle 802.11ac und vier Kanäle 802.11n).Broadcom

Neue WLAN-Varianten

Die Anzahl neuer Ausführungen des WLAN nimmt inzwischen immer mehr zu. Die nächste Version des 11ac nutzt Kanäle mit bis zu 160 MHz, das bedeutet, es stehen mehr Möglichkeiten für Implementierungen mit Spektrumsspreizung zur Verfügung, die widerstandsfähiger gegen Interferenzen sind.

Eine Punkt-zu-Punkt-Version des WLAN ist ebenfalls über Wi-Fi Direct realisierbar. Dies ermöglicht die Abfrage oder direkte Verbindung von Knoten, ohne dass auf ein Netzwerk zurückgegriffen werden muss. Netzwerkarchitekturen und -software können dadurch potenziell vereinfacht werden, da weniger Zugriffspunkte und geringerer Stromverbrauch erforderlich sind. Dies kann sich speziell beim Austausch von Kabeln oder für Diagnosen und Tests als sehr nützlich erweisen. Chipdesigner wie Atmel integrieren Wi-Fi Direct in ihre Transceiver für industrielle Netzwerkanwendungen.

Ein Broadcom-Chipsatz (BCM47094-Prozessor und drei BCM4366-Funkmodule) erreicht im Ultra-Wi-Fi-Router AC5300 von Dlink über mehrere Frequenzbänder, Kanalbandbreiten und QAM-Modulationen parallel (MU-MIMO) bis zu 5330 MBit/s.

Ein Broadcom-Chipsatz (BCM47094-Prozessor und drei BCM4366-Funkmodule) erreicht im Ultra-Wi-Fi-Router AC5300 von Dlink über mehrere Frequenzbänder, Kanalbandbreiten und QAM-Modulationen parallel (MU-MIMO) bis zu 5330 MBit/s.Dlink

WLAN im Trend

Bei WLAN handelt es sich bereits um eine allgegenwärtige Technologie für Kabellosnetzwerke, die aufgrund aktueller Entwicklungen sogar den Stromverbrauch deutlich verringert. Dadurch kann WLAN zunehmend Einzug in die Entwicklung drahtlos kommunizierender, batteriebetriebener mobiler Geräte halten. Kostengünstige Module sind mit integriertem und optimiertem Funk-Frontend  verfügbar und lassen sich schnell und einfach in bestehende und neue Anwendungen einbauen. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl neuer und spannender Möglichkeiten für das Internet der Dinge und kabellose Sensornetzwerke, denn immer mehr Geräte können auf einfache Weise mit dem Internet verbunden werden.