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Stromspar-WLAN für das IoT: 802.11ba, 802.11af und 802.11ah

Der Fokus bei WLAN liegt oft auf höheren Übertragungsgeschwindigkeiten. Aber stromsparende Wi-Fi-Protokolle bieten für das IoT bessere Signalreichweite und längere Laufzeit.

Nachrichten über neue WLAN-Standards konzentrieren sich in der Regel darauf, wie schnell ein Benutzer einen Film herunterladen kann. Aber WLAN ist auch dann von Vorteil, wenn der Durchsatz nicht der einzige Faktor ist. Denken Sie an IoT, wo die Reichweite des Funksignals und nicht die Übertragungsrate am wichtigsten ist.

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) stellt eine besondere Gelegenheit für stromsparendes Wi-Fi dar. Geräte können über große Bereiche verstreut sein, etwa in Fabriken oder Lagerkomplexen, wobei einige einen Kilometer oder mehr vom nächsten Access Point (AP) entfernt sind.

Die Verwaltung des Stromverbrauchs der Geräte ist ein weiteres Problem, da die meisten IoT-Komponenten mit Batterien betrieben werden. Da die in Büros und Privathaushalten üblicherweise verwendete WLAN-Technologie auf etwa 100 Meter begrenzt ist, werden Alternativen mit größerer Reichweite benötigt.

Niedrigere Frequenzen ermöglichen größere Reichweiten und, was ebenso wichtig ist, die Signale können Wände und andere Barrieren durchdringen.

Reichweite

Niedrigere Frequenzen ermöglichen größere Reichweiten und, was ebenso wichtig ist, die Signale können Wände und andere Barrieren durchdringen. Während Büro- und Heim-WLAN entweder mit 2,4 GHz oder 5 GHz arbeitet, verwenden drei andere Protokolle, die vom IEEE verabschiedeten 802.11af, 802.11ah und das neue 802.11ba, Frequenzen unter einem GHz. 802.11ah, auch bekannt als Wi-Fi HaLow, und 802.11ba haben eine Reichweite von bis zu einem Kilometer, während 802.11af die Übertragung von Signalen bis zu drei Kilometer unterstützt.

Frequenzen

802.11af arbeitet mit Frequenzen, die zwischen den ursprünglichen analogen terrestrischen Fernsehkanälen (Digitale Dividende) angesiedelt sind. Diese Frequenzen liegen zwischen 54 MHz und 590 MHz, was 802.11af einen Vorteil gegenüber 802.11ah und 802.11ba verschafft.

Diese arbeiten zwischen 900 MHz und einem GHz. Die ungenutzten Teile dieses Bereichs variieren je nach Ort, da das belegte Spektrum davon abhängt, welche Kanäle in Gebrauch sind und welche anderen Anwender diese Frequenzen nutzen. 802.11af-Geräte suchen nach dem freiesten Teil des Spektrums und konfigurieren sich für den Betrieb dort.

Datenrate

802.11ah und 802.11ba können je nach Kanalbreite und Codierungsschema eine Datenrate von 230 MBit/s unterstützen, während 802.11af bis zu 35 KBit/s bietet, ebenfalls abhängig von Kanalbreite und Codierungsschema.

Abbildung 1: Reichweite, Frequenz, Datenrate und Stromsparfunktionen der Wi-Fi-Protokolle im Vergleich.
Abbildung 1: Reichweite, Frequenz, Datenrate und Stromsparfunktionen der Wi-Fi-Protokolle im Vergleich.

Stromsparende Funktionen

IoT-Geräte tauschen normalerweise nicht häufig Daten aus. Dabei kann es sich um Sensoren handeln, die Temperatur oder Druck überwachen, oder um Geräte, die den Standort von mobilen Einrichtungen melden. Funksysteme verbrauchen Strom, wenn sie eingeschaltet bleiben. Daher verfügen sowohl 802.11ah als auch 802.11ba über die Möglichkeit, die Geräte auszuschalten, wenn sie nicht benötigt werden.

802.11ah unterstützt die von 802.11ax bekannte Target Wake Time (TWT). Das ist eine Funktion, die es APs ermöglicht, mit jedem Gerät eine Übertragungszeit auszuhandeln und so die Konkurrenzsituation zu begrenzen. Der Funkteil des Geräts bleibt bis zur festgelegten Zeit ausgeschaltet, aktiviert sich zum Datenaustausch und schaltet sich nach Abschluss der Übertragung wieder ab.

Neben der Unterstützung von TWT führt 802.11ba eine weitere Stromsparfunktion ein, die Wake Up Radio (WUR) genannt wird. TWT plant Übertragungen, aber in manchen Fällen muss ein AP außerhalb der zugewiesenen Zeit an eine Station senden. Mit WUR verwenden IoT-Geräte ein zusätzliches, äußerst stromsparendes Funkmodul, um mit APs zu kommunizieren. Das Funkmodul wartet dann auf eine Aufforderung des APs, das primäre Funkteil für längere Übertragungen mit höherer Rate einzuschalten.

Märkte und Geräte

Während das IoT der primäre Markt für diese stromsparenden Wi-Fi-Protokolle ist, sind auch andere Anwendungen möglich, einschließlich Wireless Backhaul. In diesem Szenario verwenden Telefone in Reichweite das WLAN anstelle des Mobilfunknetzes, um die notwendigen kabelgebundenen Netzwerkverbindungen herzustellen, die für Anrufe über das Internet erforderlich sind.

Geräte, die 802.11af und 802.11ah unterstützen, sind bereits verfügbar, 802.11ba-Produkte sollen Anfang 2021 folgen. Da immer mehr Geräte und Arten von IoT-Ausrüstung entwickelt werden, ist zu erwarten, dass die Verwendung von stromsparenden Wi-Fi-Protokollen zweifellos zunehmen wird.

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