Wi-Fi HaLow erhöht die Reichweite und Zuverlässigkeit von IoT-Datenströmen

In einem sich rasch entwickelnden und hart umkämpften Umfeld müssen Entwickler des Internets der Dinge (IoT) einige wichtige Fragen beantworten: Wie viele Daten wird mein Gerät senden und empfangen müssen? Wie lange sollte der Akku halten? Wie weit kann sich das Gerät von einem Gateway entfernen? Wie viele Geräte kann ich in ein einziges Netzwerk einbinden? Wie einfach ist es einzurichten und zu sichern?

Die Antworten auf diese Fragen bestimmen das Verbindungsprotokoll, und in Fällen, in denen Reichweite und moderater Datendurchsatz wichtig sind, bietet Wi-Fi HaLow eine ausgewogene Lösung.

Die sich entwickelnden Anforderungen von IoT-Netzen

Unabhängig davon, ob es sich um die Bestandsüberwachung oder um „intelligente“ Anwendungen wie landwirtschaftliche Sensoren, Beleuchtung oder Zähler handelt, haben drahtlose IoT-Arbeitslasten eines gemeinsam: Die einzelnen Endknoten liefern Rohdaten an Cloud-Plattformen zur Analyse und Steuerung. Obwohl sie sich gut dazu eignen, Erkenntnisse über große Netzwerke hinweg zu gewinnen, sind die Geräte selbst oft relativ einfach aufgebaut. Da die Ressourcen im Gerät begrenzt sind, übernimmt die Cloud den größten Teil der Denkarbeit bei diesen Anwendungen.

Im Gegensatz dazu stehen die neuen drahtlosen Edge-Anwendungen, die eine lokale Datenanalyse und Entscheidungsfindung auf dem Gerät ermöglichen. Ein gutes Beispiel ist die vorausschauende Wartung in der Industrie. Hier erkennt ein Sensorknoten eine Änderung der Maschineneigenschaften oder der Leistung außerhalb eines vordefinierten Bereichs und sendet eine Benachrichtigung an die Cloud, anstatt kontinuierlich Daten zur Analyse in der Cloud zu übertragen. Dies spart verständlicherweise begrenzte Netzwerkbandbreite für wichtigere Erkenntnisse.

Dennoch ist es manchmal am besten, Rohdaten oder komprimierte Daten in Echtzeit zu streamen, z. B. bei Sicherheitskameranetzen mit niedriger Bitrate oder intelligenter Gebäudeinfrastruktur, wo die Kontrolle ebenso wichtig ist wie die Berichterstattung. Hier sind Protokolle für drahtlose Zugangsnetze mit großer Reichweite und geringer Leistung (LPWAN) möglicherweise nicht geeignet, da sie in erster Linie für kleine Datenpakete und spärliche Berichterstattung konzipiert wurden. Standard-Wi-Fi bietet zwar hohe Datenübertragungsraten, aber die Reichweite und der Energiebedarf können die Einsatzmöglichkeiten für batteriebetriebene Geräte einschränken. Die Entwickler profitieren daher von drahtlosen Protokollen, die einen Kompromiss zwischen beiden bieten. Hier kommt Wi-Fi HaLow ins Spiel.

Wi-Fi HaLow unterstützt zuverlässige Datenströme mit großer Reichweite

Der zugrunde liegende offene Standard IEEE 802.11ah für Wi-Fi HaLow bietet höhere Datenraten als LPWAN-Technologien und eine größere Reichweite im Vergleich zu Standard-Wi-Fi. Dadurch können Entwickler anspruchsvollere drahtlose Workloads wie komprimiertes Videostreaming oder hochfrequente Datenbursts in Geräten der nächsten Generation implementieren.

Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die Norm, die zeigt, wie sich einige der wichtigsten technischen Spezifikationen direkt in operative Vorteile für IoT-Implementierungen umsetzen lassen:

• Sub-1-Gigahertz(GHz)-Träger (Abbildung 1): Der Standard bietet eine gute Durchdringung von Wänden und eine zuverlässige Kommunikation in Gebäuden und ermöglicht je nach Einsatzbedingungen eine Reichweite von etwa 1 Kilometer (km) im Freien.
• Schmalbandige OFDM-Kanäle: Der Standard wurde für groß angelegte Implementierungen wie Smart Cities entwickelt und definiert eine theoretische Kapazität von über 8000 Geräten pro Zugangspunkt. Auch dies hängt von den realen Bedingungen ab.
• Native IP-Unterstützung: Wi-Fi HaLow benötigt zwar eigene Zugangspunkte, unterstützt aber eine direkte Schnittstelle zur LAN-Technologie. Im Gegensatz zu vielen anderen drahtlosen Standards sind hierfür in der Regel keine proprietären Middleware-Schichten erforderlich, was die Bereitstellung vereinfacht.

Abbildung 1: Wi-Fi HaLow arbeitet im Sub-1-GHz-Bereich und eignet sich daher für große Reichweiten und eine hohe Penetration. (Bildquelle: Quectel)

Wi-Fi HaLow ist auch mit Energiesparmodi und TWT-Betrieb (Target Wake Time) kompatibel und ermöglicht eine monatelange oder jahrelange Batterielebensdauer für Geräte mit geringem Stromverbrauch. Dies reduziert den Wartungsaufwand für herkömmliche IoT-Implementierungen und ermöglicht gleichzeitig eine Kommunikation mit mittlerem Durchsatz und nach Bedarf.

Es ist verständlich, dass Entwickler zögern, neue drahtlose Protokolle für ihre IoT-Netzwerke zu verwenden, aber die Einführung muss nicht schwierig sein. Es gibt Lösungen für eine kompakte Wi-Fi-HaLow-Integration mit geringerer Komplexität des HF-Designs.

Kompakte Wi-Fi-HaLow-Module für großflächige Vernetzung

Das Wi-Fi-HaLow-Modul FGH100M (Abbildung 2) von Quectel ist ein Paradebeispiel dafür, wie einfach die Einführung einer Technologie sein kann. Das Modul bietet Wi-Fi-HaLow-Funktionalität in einem 13 × 13 × 2,2 Millimeter (mm) großen und 0,72 Gramm (g) schweren Gehäuse und eignet sich damit für leichte, platzbeschränkte IoT-Geräte.

Abbildung 2: Der FGH100M bietet Wi-Fi-HaLow-Funktionalität in einem kompakten Modul, das für batteriebetriebene Endknoten geeignet ist. (Bildquelle: Quectel)

Für die Stromversorgung stehen 3,0 bis 3,6 Volt für den direkten Betrieb von Batterien oder 1,8 bis 3,6 Volt von der Geräte-I/O zur Verfügung, so dass ein FGH100M-Modul problemlos in bestehende Designs integriert werden kann. Die Integration über einzelne SDIO-, SPI- und Antennenschnittstellen vereinfacht die Entwicklung weiter. Darüber hinaus bietet Quectel eine Vorzertifizierung für Europa, Amerika, Kanada, Australien und Neuseeland an, was die Einhaltung von Vorschriften erleichtert und die Markteinführung beschleunigt.

Die Serie FGH100M umfasst zwei Modelle, die unterschiedliche Anwendungen durch hohe und niedrige maximale Datenraten auf der physikalischen Schicht (PHY) unterstützen, wobei die tatsächliche Leistung von den Installationsbedingungen abhängt. Das FGH100MAAMD bietet eine Kommunikationsleistung von bis zu 3,3 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) und unterstützt damit Anwendungen mit geringem bis mittlerem Durchsatz wie intelligente Türschlösser und Sprachassistenten. Für Anwendungsfälle mit höherem Durchsatz, wie z. B. komprimierte Video-Intercom-Systeme, die größere Firmware-Updates oder Daten-Streaming mit eingeschränkter Bandbreite erfordern, unterstützt das FGH100MABMD je nach Kanalkonfiguration Raten von 32,5 Mbit/s.

Fazit

Da sich das IoT ständig weiterentwickelt, liegt es auf der Hand, dass Entwickler zunehmend Langstreckenprotokolle benötigen, die einen moderaten Datendurchsatz in großem Umfang bieten. Wi-Fi HaLow passt gut in diese Nische, mit den zusätzlichen Vorteilen einer guten Wanddurchdringung und nativer IP-Unterstützung. Dank des einfach zu integrierenden Designs und der Vorzertifizierung bieten die FGH100M-Module von Quectel eine schnelle Möglichkeit zur Implementierung von Wi-Fi HaLow in verschiedenen Anwendungen.