Architektur, Implementierung und Anwendungen von Wi-Fi

Wi-Fi-Technologie ist heute allgegenwärtig; es sind jetzt mehr Wi-Fi-Geräte im Einsatz als Menschen auf der Welt, und mehr als die Hälfte des Internetverkehrs läuft über Wi-Fi-Netzwerke. Es liegt auf der Hand, dass eine Technologie mit diesem Durchdringungsgrad einige zwingende Vorteile haben muss: in diesem Artikel werden wir uns diese Vorteile ansehen, wie sie durch Wi-Fi-Technologie entstehen, und die neuesten Geräte, die verwendet werden, um die Möglichkeiten von Wi-Fi zu erweitern.

Eine Sache, die Wi-Fi nicht kann – entgegen der weitverbreiteten Meinung –, ist „Wireless Fidelity“. In der Tat steht Wi-Fi für nichts; das ist ein Markenname, der 1999 für die Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) entwickelt wurde, nachdem sich die Gruppe mit dem Ziel befasst hatte, „die Einführung eines einzigen weltweit akzeptierten Standards für drahtlose Hochgeschwindigkeits-LAN-Vernetzung voranzutreiben“. Im Jahr 2000 übernahm die Gruppe den Begriff Wi-Fi® und gab ihren offiziellen Namen als Wi-Fi Alliance bekannt.

Abb. 1: Logo der Wi-Fi Alliance – Bild über Wikipedia

Warum wurde Wi-Fi entwickelt

Die Wurzeln von Wi-Fi können bis 1985 zurückverfolgt werden, als die FCC – die amerikanische Regulierungsbehörde für Telekommunikation – beschloss, mehrere Funkfrequenzbänder für die Nutzung zu öffnen, ohne eine staatliche Lizenz zu benötigen. Diese sogenannten „Müllbänder“ bei 900 MHz, 2,4 GHz und 5,8 GHz wurden bereits von Geräten wie Mikrowellen verwendet; daher mussten sich alle Kommunikationsgeräte, die diese Bänder verwendeten, vor Interferenzen schützen, die von solchen Geräten erzeugt werden. Die Lösung bestand darin, das Wechselspektrumverfahren zu verwenden, bei dem ein Funksignal über einen breiten Bereich von Frequenzen statt über eine gängigere einzige, genau definierte Frequenz übertragen wird. Das Wechselspektrum macht es schwierig, ein Signal zu erkennen (nützlich für militärische Anwendungen), und das Signal ist weniger störanfällig.

1988 begann die NCR Corporation, das unlizenzierte Spektrum zu untersuchen, um Registrierkassen drahtlos zu verbinden. Sie wandten sich an das IEEE, um einen neuen Standard zu schaffen; dies führte zum Aufbau des 802.11-Gremiums. Dieses Gremium hat 1997 den Basisstandard mit einer Datenübertragungsrate von 2 Megabit pro Sekunde bei der Wechselspektrumübertragung herausgegeben. Zwei Varianten, 802.11b, die im 2,4-GHz-Band arbeitet, und 802.11a im 5,8-GHz-Band, wurden im Dezember 1999 bzw. im Januar 2000 ratifiziert. Die weitere Entwicklung und Beteiligung von mehr Organisationen führte zur Gründung von WECA und anschließend der Wi-Fi Alliance, wie oben beschrieben.

Die Marktentwicklung von Wi-Fi begann 1999, als Apple den Standard als Option für seine neuen iBook-Computer unter dem Markennamen AirPort einführte. Andere Computerhersteller folgten schnell, und im Jahr 2001 setzte Wi-Fi sich bei den Verbrauchern durch, sobald die Unternehmensausgaben im Rahmen blieben. Bis heute ist Wi-Fi die vorherrschende Form der Heimvernetzung. Als sich das Breitbandinternet durchsetzte und Router in fast jedem Haushalt auftauchten, ermöglichte Wi-Fi allen, an ihren Desktop-Computern zu sitzen oder mit ihren Tablets und Smartphones zu Hause herumzulaufen, während alle ungestört und gleichzeitig Internetverbindungen nutzen. In letzter Zeit, als das IoT an Popularität gewonnen hat, wurden Heim-Wi-Fi-Netzwerke erweitert, um Geräte von Amazons Alexa bis zu intelligenten Beleuchtungssystemen und mehr zu integrieren.

Inzwischen hat sich der Wi-Fi-Standard selbst weiterentwickelt. Zusätzlich zu seiner Vorherrschaft in Heimnetzwerken und öffentlichen Hotspots ist er für eine größere Vielzahl von Entwicklern von IoT-Geräten und hochmoderner Technologie attraktiv geworden. Im Folgenden untersuchen wir diese Entwicklung, indem wir uns die Architektur von Wi-Fi näher ansehen, und wie sich diese durch neue Überarbeitungen entwickelt hat. Wir können sehen, wie er die ursprünglichen Hindernisse für eine breitere IoT-Nutzung überwindet und entsprechend attraktiver geworden ist. Der Artikel demonstriert dies nun mit einigen Beispielen von Wi-Fi-Geräten, die jetzt für System- und Gerätedesignern zur Integration verfügbar sind.

Wi-Fi-Architektur

802.11 definiert jeden Computer, jedes mobile, tragbare oder feste Gerät als eine Station
Unterschied zwischen tragbaren und mobilen Stationen
Basic Service Set (BSS)
IBSSs und Ad-hoc-Netzwerk
Zusammengeschaltete BSSs und Distributionssystem (DS)
Zugangspunkte
Erstellen großer und komplexer Netzwerke durch Kombination von BSSs und DSs zu einem Extended Service Set (ESS).
Eine Grundlage von 802.11: Verbindung des drahtlosen Netzwerks mit bestehenden verdrahteten Netzwerken unter Verwendung eines Portals.
Dienste, die das DS unterstützen muss:

Station Services (SS)
Authentifizierung
De-Authentifizierung
Privatsphäre
MAC Service Data Unit (MSDU) Lieferung

Distribution System Services (DSS)

Assoziation
Re-Assoziation
Dis-Assoziation
Vertrieb
Integration

IEEE 802.11-Protokoll

Das 802.11-Protokoll entspricht dem OSI-Modell. Das IEEE 802-Standardgremium definiert zwei separate Ebenen, die Logical Link Control (LLC) und die Medienzugriffssteuerung für die Sicherungsschicht (Data Link Layer) des Modells. Der IEEE 802.11-Funkstandard definiert die Spezifikationen für die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) und die MAC-Schicht (Media Access Control), die bis zur LLC-Schicht kommuniziert.

Alle Bauelemente in der 802.11-Architektur fallen entweder in die MAC-Sublayer (Media Access Control) der Sicherungsschicht oder die Bitübertragungsschicht.

Die evolutionäre IEEE 802.11-Familie von Standards

802.11

802.11a

802.11b

802.11g

802.11n

802.11ac

Die Webseite der Wi-Fi Alliance zeigt viele weitere Standards und Entwicklungen – hier einige interessante Beispiele:

Wi-Fi Agile Multiband – bessere Ressourcennutzung. Enthält eine Reihe weiterer Standards, darunter 802.11k, 802.11v, 802.11u und 802.11r

Wi-Fi HaLow – weit reichende und stromsparende Lösung für Anwendungen in Smart Home, vernetztem Auto, digitalem Gesundheitswesen, Industrie, Einzelhandel, Landwirtschaft und Smart City

Wi-Fi Miracast – ermöglicht nahtlose Anzeige von Multimedia-Inhalten zwischen Miracast-Geräten

Vergleich von Wi-Fi-Standards

Mit der Weiterentwicklung der Wi-Fi-Spezifikation hat sich die Leistung in Bezug auf Reichweite und Durchsatz verbessert, wie die folgende Tabelle zeigt, Informationen von JP Electron bereitgestellt:

Abb. 2: Vergleichstabelle für Wi-Fi-Standards

Diese Tabelle zeigt die verbesserte Leistung von 802.11n und 802.11ac im Vergleich zu früheren Standards. Dieser Unterschied ist bedeutsam, da er Möglichkeiten für Wi-Fi in Anwendungen schafft, die weitaus anspruchsvoller sind als die, die normalerweise von Konzepten mit 802.11b, a und g behandelt werden.

Zum Beispiel verwendet Cisco die 802.11n-Technologie in drahtlosen Netzwerken. Aus ihrer Sicht bietet die Technologie bis zu sechs Mal mehr Leistung als herkömmliche 802.11a/b/g-Netzwerke und ergänzt die für Multimedia- und geschäftskritische Anwendungen erforderliche Leistung und Zuverlässigkeit. Der 802.11n-Standard kann die Leistung, Zuverlässigkeit und Berechenbarkeit von drahtlosen Netzwerken erhöhen.

Smartphones nutzen so viel Bandbreite wie 200 herkömmliche Geräte und stellen immer höhere Anforderungen an drahtlose Netzwerke. Die Implementierung von 802.11n kann den Zustrom neuer Mobilgeräte unterstützen und Unternehmen ermöglichen, die Gesamtbetriebskosten zu senken, indem sie ein zuverlässiges drahtloses Netzwerk bereitstellen, das eine breite Palette von Mobilanwendungen unterstützt, ohne die Gesamtleistung des Netzwerks zu beeinträchtigen.

Die Wi-Fi Alliance fördert Wi-Fi CERTIFIED™ n, das auf dem 802.11n-Standard basiert, und stellt sicher, dass ein Produkt strengen Tests unterzogen wurde und eine hervorragende Benutzererfahrung mit moderner Wi-Fi-Technologie bietet. Wi-Fi CERTIFIED n-Geräte können fünfmal und mehr Geschwindigkeit und bis zu doppelter Reichweite im Vergleich zu älteren Wi-Fi-Standards liefern. Sie bieten hohen Durchsatz für inhaltsreiche und bandbreitenintensive Anwendungen wie Musik, Spiele und Videos sowie Netzwerkintelligenz, um das Aussehen und die Klänge von Multimediainhalten zu optimieren. Über „Fat Pipe“ können sich alle gleichzeitig anmelden und trotzdem Anwendungen wie digitale Musik, Streaming-Video und Online-Spiele genießen.

Wi-Fi CERTIFIED n-Produkte verfügen über die neueste Sicherheitslösung, WPA2™ (Wi-Fi Protected Access®) – so bieten zertifizierte Produkte ein Höchstmaß an Schutz.

Wi-Fi CERTIFIED™ ac basiert auf 802.11ac, der neuesten Wi-Fi-Generation, die Datenraten von bis zu mehreren Gigabit pro Sekunde ermöglicht. Dadurch können Geräte mit anspruchsvollen Anwendungen wie Ultra HD und 4K-Video, Multimedia-Streaming und schnelle Dateiübertragung an Tablets, Spielkonsolen, Handys und vielen andere Geräte umgehen. Wi-Fi CERTIFIED ac-Geräte bieten höhere Leistung, verbessertes Power-Management und weniger Wartezeit, um die anspruchsvollen Anwendungen von heute problemlos zu bewältigen und gleichzeitig den Weg für neue Produkte und Services zu Hause, an öffentlichen Orten und in Unternehmensnetzwerken zu ebnen.

Kommende Entwicklungen positionieren dies als eine weitreichende IoT-Kommunikationslösung mit Bauelementen, die von den Sensoren über die Router bis hin zum Internet reichen können. Vor etwas mehr als einem Jahr kündigte die Wi-Fi Alliance® den neuesten Wi-Fi-Standard 802.11ah mit dem Namen „HaLow™“ an. Obwohl die Zertifizierung erst 2018 verfügbar sein wird, werden Produkte, die die Spezifikation unterstützen, bereits in den Markt eingeführt. Speziell für IoT-Anwendungen entwickelt, arbeiten sie im 900-MHz-Band, und eignen sich daher für kleine Datenpakete und leistungsoptimierte Geräte wie IoT-Sensoren. In diesen Funktionsmerkmalen sind die anderen Low-Power-Technologien wie Bluetooth sehr ähnlich, auch wenn die Vergleiche an dieser Stelle aufhören.

Abgesehen von der Tatsache, dass sie direkt mit dem Internet verbunden sind, was einige andere Low-Power-Optionen nicht tun, haben sie auch eine viel größere Reichweite mit Schätzungen von bis zu 1 Kilometer; die meisten anderen Low-Power-HF-Hardwarelösungen bieten nur eine Reichweite von 100 Metern oder weniger. HaLow ist auch in anspruchsvollen Umgebungen robuster und kann aufgrund seiner niedrigen Frequenz leicht Barrieren wie mehrere Betonwände durchdringen, die das heutige Wi-Fi normalerweise „blockieren“ würden.

HaLow bietet die ideale Lösung für die Verbindung von Teilen des IoT wie z. B. Sensoren, die diese Funktionen mit geringer Leistung und großer Reichweite benötigen. Darüber hinaus können die bestehenden Wi-Fi-Standards, mit denen wir heute vertraut sind (der neueste kommerzielle Standard ist 802.11ac Wave 2), auch datenintensivere IoT-Anwendungen wie die Fernüberwachung und -steuerung von Systemen verbinden – d. h. eine Reihe von IoT-Anwendungen kann auf dieselbe Funktechnologie standardisiert werden, wobei viele HaLow-Geräte voraussichtlich im 2,4- und 5-GHz-Bereich sowie 900 MHz arbeiten werden.

Wi-Fi und das IoT

Im Prinzip können Wi-Fi-Dienste außerhalb von Heimnetzwerken in Netzwerkgeräten eingesetzt werden, die für Industrie-, Transport-, kommunale und andere IoT-Anwendungen verwendet werden. Unterschiedliche Anwendungen haben unterschiedliche Prioritäten in Bezug auf Datenraten, Reichweite, Leistungsbedarf und Kosten. Kompakte Form, schneller Verbindungsaufbau und hochskalierbare Bereitstellung können ebenfalls wichtig sein. So haben Entwicklungen in der Wi-Fi-Technologie diese Probleme gelöst:

Geringere Kosten:

Traditioneller hoher Preis von Wi-Fi-Chips durch Massenproduktion aufgelöst
Mehr Funktionalität – Sicherheit, Power-Management, robuste, ausgereifte Firmware und Treiber schaffen mehr Nutzen
Integration in Mikrocontroller

Geringe Leistungsaufnahme

Kostengünstigere, energieeffizientere Lösungen basierend auf 802.11n und 802.11ac (z. B. Single-Streaming)
Moderne, stromsparende Halbleiter-Prozesstechnologien

Kompakte Form

Durch diese Halbleiterprozesse können Wi-Fi-Lösungen so klein wie andere drahtlose Technologien sein

Schneller Verbindungsaufbau

Bis jetzt war dies ein Problem mit Wi-Fi, aber 802.11ai löst dies.

Massive, skalierbare Bereitstellungen

Wi-Fi kann IoT-Anwendungen mit einer Reichweite von bis zu mehreren zehn Millionen Knoten über enorme geografische Gebiete hinweg ansprechen.

Diese Entwicklungen bestehen neben bisherigen Wi-Fi-Faktoren, die die Verwendung der Technologie in IoT-Anwendungen erleichtern. Dazu gehören IP-basierte Kommunikation, Sicherheit und Integrität, Nutzung vorhandener Infrastrukturen und Flexibilität bei der Nutzung von Funkspektren.

Wi-Fi-Bereitstellung in IoT-Anwendungen

Wi-Fi wurde geschaffen, damit mobile Geräte wie Laptops, Telefone und Tablets drahtlos mit dem Internet verbunden werden können – aber zu diesen Geräten gehört natürlich auch eine Benutzeroberfläche mit Display und Tastatur. Dadurch wird der Vorgang der erstmaligen und sicheren Verbindung eines drahtlosen Geräts oder einer drahtlosen Station (bekannt als Provisioning) relativ einfach. Dies wird jedoch zu einer Herausforderung für IoT-Produkte wie Sensoren, die keine solche Benutzerschnittstelle haben.

Eine Lösung ist die Verwendung von Wi-Fi Protected Setup (WPS), dem einzigen heute verfügbaren Industriestandard für die Bereitstellung von so genannten Headless-Geräten. Dieser wurde von der Wi-Fi Alliance im Jahr 2006, als eine einfache und sichere Möglichkeit zur Bereitstellung von Geräten ohne Kenntnis des Netzwerknamens und ohne Eingabe langer Kennwörter, eingeführt. Der Standard definiert zwei obligatorische Methoden für WPS-fähige Zugangspunkte (APs): Persönliche Identifikationsnummer (PIN) und Push-Button-Connect(PBC)-Methode.

Der offensichtliche Nachteil der PIN-Methode ist, dass sie nicht für Headless-Geräte funktioniert – sie erfordert mindestens ein numerisches Tastenfeld, um die PIN einzugeben. Bei der PBC-Methode drückt der Benutzer eine Taste auf dem AP und dem bereitgestellten Gerät. Sobald die Taste am AP gedrückt wird, können WPS-fähige Geräte für einen Zeitraum von 2 Minuten dem Netzwerk beitreten.

WPS hat Nachteile und Vorteile; diese werden im Whitepaper von Texas Instruments diskutiert: „A primer to Wi-Fi® provisioning for IoT applications“ (Eine Einführung in die Wi-Fi®-Bereitstellung für IoT-Anwendungen).

Wi-Fi-Gerätebeispiele

Für die Implementierung eines wie oben beschriebenen Wi-Fi-Netzwerks werden bestimmte Hardwarekomponenten benötigt, unabhängig davon, ob es sich bei den Feldgeräten um Laptops, Mobiltelefone oder IoT-Sensoren handelt. Diese fallen in zwei Kategorien: drahtlose Adapter, um Feldgeräte mit Wi-Fi-Konnektivität zu versehen, und ein Access Point, um das Wi-Fi-Signal an die lokale Internetinstallation zu übertragen. Im Folgenden finden Sie einige praktische Möglichkeiten zum Hinzufügen dieser Funktionalitäten:

Drahtlose Adapter

Heute können drahtlose Adapter in die MCU integriert werden oder als Module für Haushaltsgeräte- und Gerätehersteller zur Integration auf Platinenebene oder als USB-Geräte für Endbenutzer zum Anschließen bereitgestellt werden, wie die folgenden Beispiele zeigen:

Texas Instruments CC3220: ein integrierter Chip mit einem ARM Cortex-M4 MCU und On-Chip 802.11bgn Wi-Fi.

Geeignet für das Internet of Things (IoT), ist das SimpleLink CC3220 eine kabellose MCU mit integrierter ARM-Cortex-M4 Hochleistungs-MCU, die den Kunden ermöglicht, eine ganze Anwendung mit einem einzigen IC zu entwickeln. Mit On-Chip-Wi-Fi, Internet und robusten Sicherheitsprotokollen ist für eine schnellere Entwicklung keine vorherige Wi-Fi-Erfahrung erforderlich. Das CC3220-Gerät ist eine vollständige Plattformlösung mit Software, Beispielanwendungen, Tools, Benutzer- und Programmierhandbüchern, Referenzdesigns und der TI E2E™-Support-Community. Das Gerät ist in einem QFN-Paket erhältlich, das einfach zu installieren ist.

Das SimpleLink™ Wi-Fi® CC3220 LaunchPad™ Development Kit (mit QFN-Gehäuse) ist eine Entwicklungsplattform für Evaluationsarbeiten für die drahtlose MCU der Baureihe CC3220. Die Platine verfügt über eine integrierte Emulation auf der Basis von FTDI und über Sensoren und ist somit sofort einsatzbereit. Diese Platine kann direkt an einen Computer angeschlossen werden, um mit Entwicklungswerkzeugen wie der integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) Code Composer Studio™ Cloud und der IAR Embedded Workbench verwendet zu werden.

Abb. 3: CC3220SF-LAUNCHXLDevelopment Kit

LM Technologies LM808 Wi-Fi 433 Mbit/s USB-Adapter

Dieser USB-Adapter erweitert Feldgeräte um eine leistungsfähige drahtlose Konnektivität und unterstützt 802.11 ac und a/b/g/n.

Abb. 4:LM808 Wi-Fi 433 Mbit/s USB-Adapter, 802.11ac

GainSpan GS1011MEP Wi-Fi-Modul

Ermöglicht Geräte- und Haushaltgeräteherstellern das Hinzufügen von Wi-Fi-Funktionen zu ihren Produkten. Zwei serielle UART-Ports und zwei SPI-Ports. Ultraniedriger Energieverbrauch

Abb. 5:

GS1011 Wi-Fi-Modul

Zugangspunkte

Zugangspunkte wandeln die Kurzstreckenkommunikation des Wi-Fi in die Fernkommunikation im Internet um. Der Fernübertragungsweg kann drahtgebundenes Ethernet, Mobilfunknetz oder eine drahtlose Lösung mit großer Reichweite wie LoRaWAN sein. Solche Zugangspunkte können als Modems, Router oder Gateways implementiert werden. Modems werden über eine serielle Verbindung mit einem einzelnen Feldgerät verbunden, während Router mehreren Geräten ermöglichen, eine einzige Internetverbindung gemeinsam zu nutzen. Gateways sind leistungsfähigere Geräte, auf denen Betriebssysteme mit vollem Funktionsumfang wie Windows oder Linux ausgeführt werden können.

Avnet VT-SK-001-A01 Wi-Fi/Bluetooth-Dualmodus-Gateway

Der VT-SK-001-A01 von Avnet ist ein Starter-Kit für Visible Things. Visible Things ist eine Evaluierungs- und Entwicklungsplattform für IoT-Projekte, die sich an Unternehmen richtet. Die Plattform liefert Hardware und eingebettete Software, um intelligente Sensoren mit der Cloud und der Unternehmenssoftware zu verbinden. Das Kit enthält eine Dualmodus-Gateway-Platine STM7F746 ARM Cortex-M7 WIFI/BT und die Smart-Sensor-Platine Lab-BGM111 mit Bluetooth von Silicon Labs. Eine Gateway-Platine, die alle notwendigen Verbindungen zum Cloud-Service über Wi-Fi verwaltet, sowie eine intelligente Sensorplatine einschließlich Bluetooth Smart-Konnektivität und eine Reihe von Sensoren für Bewegung, Temperatur/Luftfeuchtigkeit und Licht/Bewegung. Das Kit enthält außerdem eine integrierte Antenne und ein Mini-USB-Kabel. Ein GSM-Peripheriemodul mit integrierten SIM- und SIM-Connector-Optionen ist als Erweiterungsoption für die Gateway-Platine verfügbar, um zellulare Verbindungen bis zu Cloud-Enterprise-Software-Services zu ermöglichen.

HIER

Abb. 6: Avnet WIFI/BT Dualmodus-Gateway

Digi International XKA2C-Z7T-W Development Kit, ZigBee an Wi-Fi

Um genau zu sein, ist dies ein ZigBee- statt ein Wi-Fi-Gateway, aber es verleiht der Wi-Fi-Konnektivität eine weitere Dimension.
Es ermöglicht Entwicklern, ihr ZigBee-Netzwerk von Geräten über einen XBee-Gateway mit einer Wi-Fi-Internetverbindung zu verbinden.

Abb. 7:ZigBee an Wi-FiGateway Development Kit

Schlussfolgerungen

Ursprünglich hatte Wi-Fi im Jahr 1999 an Zugkraft gewonnen, als Apple für seine iBook-Computer dies zur Verbindung mit dem Internet nutzte. Es war die richtige Technologie zur richtigen Zeit, denn sie wurde durch die wachsende Beliebtheit von Hochgeschwindigkeits-Breitbandanschlüssen für zu Hause angekurbelt.

Seither hat seine Beliebtheit zugenommen, es hat sich zu einem immer mehr verbreiteten Standard mit vielen Varianten für eine große Bandbreite von Anwendungen entwickelt, von denen einige einen weitaus anspruchsvolleren Datendurchsatz und eine größere Bandbreite an Spezifikationen als ursprünglich vorgesehen haben.

Alle diese Varianten abzudecken, würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, aber sie können auf der Webseite der Wi-Fi Alliance eingesehen werden.

Da Wi-Fi jedoch sowohl für die einfacheren als auch für die anspruchsvolleren Anwendungen beliebt ist, können vollständige Systeminstallationen mehrere Wi-Fi-Netzwerke umfassen. Dies gilt insbesondere für IoT-Systeme, bei denen Wi-Fi sowohl für die Kommunikation zwischen Netzwerkgeräten und Gateways als auch von den Gateways zum Internet verwendet werden kann.

Die Beliebtheit des drahtlosen Standards wird auch durch den einfachen Zugang für Entwickler unterstützt, mit einer großen Auswahl an Development Kits für Wi-Fi-Clients und -Zugangspunkte.