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Funkkommunikation für IoT-Anwendungen

Energiesparend per WLAN kommunizieren

25. August 2020, 09:13 Uhr   |  Von Siddharth Sundar

Energiesparend per WLAN kommunizieren
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Obwohl WLAN nicht von Grund auf für einen Betrieb mit geringer Stromaufnahme konzipiert ist, gibt es verschiedene Techniken, diesen erheblich zu verringern. Dazu ist es wichtig, zu verstehen, wie die einzelnen Funktionen agieren und welche Auswirkungen sie auf die Geräteleistung haben.

In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat WLAN die Datenübertragung grundlegend verändert. Mittlerweile sind weltweit mehr als 15 Milliarden Geräte derart vernetzt. Diese breite und umfassende Installationsbasis macht WLAN zusammen mit seinem Durchsatz und seinen Internet Protocol (IP)-Funktionen zu einem attraktiven Protokoll für IoT-Anwendungen.

Die Herausforderung besteht darin, dass viele IoT-Systeme nur über eine eingeschränkte Stromversorgung verfügen und WLAN traditionell Reichweite und Datendurchsatz gegenüber einer optimierten bzw. geringen Stromaufnahme bevorzugt. Daher haben viele IoT-Gerätehersteller dazu tendiert, WLAN zu meiden. Es gibt jedoch Fälle, in denen WLAN für das IoT von Nutzen sein kann.

Für eine optimale WLAN-Leistungsaufnahme und den möglichen Auswirkungen wird im Folgenden die Systemebene mit den verschiedenen Techniken betrachtet.

Grundlagen des WLAN-Betriebs

Es gibt verschiedene WLAN-Varianten, die auf unterschiedlichen IEEE-Standards basieren. Diese arbeiten im 2,4- und 5-GHz-Band mit einer Vielzahl von Modulationsschemata. Die maximalen Datenraten reichen von einstelligen Mbit/s bis zu Hunderten von Mbit/s, abhängig von der Antennenkonfiguration und dem verwendeten Modulationsschema.

Ein Datenpaket gilt als empfangen, wenn der Sender vom Empfänger eine Bestätigung (ACK) erhält. Nicht bestätigte Pakete werden erneut übertragen, bis ein ACK empfangen wird. Bei überfüllten Netzwerken hat dies Auswirkungen auf die Stromaufnahme.

Der hohe Durchsatz und die große Reichweite von WLAN bedeuten, dass die Anforderungen an die Modulation und Empfangsempfindlichkeit höher sind als bei den meisten anderen Funkübertragungsprotokollen wie Bluetooth und Zigbee. Dies führt zu einer höheren Leistungsaufnahme im Sende- und Empfangsmodus um bis einer Größenordnung.

Sende- und Empfangsüberlegungen

Die Stromaufnahme von WLAN-Transceivern im Sendemodus (TX) liegt im Bereich von 200 mA bis 400 mA, im Empfangsmodus (RX) liegt sie dagegen zwischen 50 mA und 100 mA. Daher ist die Wahl von ICs mit möglichst niedriger TX- und RX-Stromaufnahme wichtig, sofern die Gesamtstromaufnahme verringert werden soll. Bei den meisten IoT-Geräten ist die Leistungsaufnahme im Empfangsbetrieb am bedeutendsten, da diese Geräte den Großteil ihrer Zeit damit verbringen, auf Daten vom Zugriffspunkt (AP, Access Point) zu achten, um verbunden zu bleiben und alle für sie bestimmten Befehle oder Daten abzurufen. In Fällen, in denen ein IoT-Gerät regelmäßig aufwacht und einen Teil der Daten überträgt, z.B. eine IP-Kamera, die Aufnahmen macht, sobald eine Bewegung erkannt wird, kann der Sendemodus die Gesamtstromaufnahme dominieren.

Da die meisten WLAN-Geräte für Reichweite und Durchsatz optimiert sind, versuchen sie, die ganze Zeit über mit nahezu maximaler Leistung zu senden. Umgekehrt kann ein energieoptimiertes WLAN-Gerät einen TX- oder RX-Modus mit geringerer Stromaufnahme aufweisen, allerdings auf Kosten der Reichweite.

Über die durchschnittliche Stromaufnahme hinaus bestimmt die TX-Stromaufnahme den Spitzenstrombedarf für das gesamte System. Dies bedeutet, dass die Stromversorgung in der Lage sein muss, den Spitzenstrom zu liefern. Dies kann sich auf die Größe, Kosten, Kühlung und die Auswahl des Energiespeichers auswirken. Daher ist es wichtig, die maximale Stromaufnahme im TX-Modus zu ermitteln, auch wenn diese keinen dominierenden Faktor für die Gesamtstromaufnahme darstellt.

MIMO-Architekturen und neuere Standards wie 802.11ac/ax bieten zwar höhere Datenraten, gehen aber oft zu Lasten eines höheren TX- und RX-Stroms. Für IoT-Systeme mit begrenzten Bandbreitenanforderungen bietet 802.11b/g/n einen besseren Kompromiss zwischen Durchsatz, Stromaufnahme und Kosten.

Stromaufnahme im Ruhemodus

WMM (WiFi Multimedia) Power Save – Der Access Point puffert Pakete, sobald sich der Client im Ruhezustand befindet und sendet dann die gepufferten Daten, sobald der Client angibt, dass er aktiv ist
© Silicon Labs

Bild 1: WMM (WiFi Multimedia) Power Save – Der Access Point puffert Pakete, sobald sich der Client im Ruhezustand befindet und sendet dann die gepufferten Daten, sobald der Client angibt, dass er aktiv ist.

Viele IoT-Geräte verbringen den Großteil der Zeit im Leerlauf, ohne dass Daten übertragen werden. Die WLAN-Standards verfügen über zwei Mechanismen, um die Stromaufnahme zu reduzieren, sobald das Gerät keine Daten mehr sendet oder empfängt.

Der erste ist WMM Power Save (WMM, WiFi Multimedia). Dieser Mechanismus (Bild 1) ermöglicht es dem Access Point (AP), zu sendende Datenpakete (Downlink) – basierend auf den in WMM definierten QoS-Parametern – zu puffern, sodass der Client zwischen den übertragenen Paketen in den Ruhemodus übergehen und Strom sparen kann.

Der zweite Mechanismus sind DTIM-Intervalle (DTIM, Delivery Traffic Indication Message). WLAN-APs senden in etwa alle 100 ms ein spezielles Signal aus. Der WLAN-Standard ermöglicht es dem AP, nur Broadcast- oder Multicast-Daten alle »n« dieser speziellen Signalpakete zu senden, die als DTIM-Intervall definiert sind. Auf diese Weise kann der Client für mehrere Signalpakete in den Ruhezustand versetzt werden.

Dies kann sehr nützlich sein, um Energie zu sparen, da der Empfänger zum Abhören jedes Signalpakets viel Strom braucht und dieser Strom den durchschnittlichen Stromverbrauch dominiert. Je länger das DTIM-Intervall ist, desto größer ist die Energieeinsparung. Allerdings ist dies mit einer höheren Latenz abzuwägen, die sich aus dem Einsatz dieser Technik ergibt.

Durch diese beiden Energiesparmechanismen kann das IoT-Gerät die meiste Zeit im Ruhezustand verbleiben, während es keine Daten sendet oder empfängt, was die Stromaufnahme drastisch senkt. Zu beachten ist, dass das IoT-Gerät die Verbindungsinformationen – SSID (Service Set Identifier), Schlüssel und IP-Adressen – auch im Ruhezustand beibehalten muss. Folglich braucht diese Art von Ruhemodus, der als »Associated Sleep« bezeichnet wird, etwas mehr Strom als ein echter Abschaltmodus, da der Speicherinhalt erhalten bleiben muss.

Dieser Strom ist jedoch viel kleiner als der Strom im RX- oder TX-Modus. So kann ein durchschnittlicher Ruhestrom <100 µA sein – verglichen mit Dutzenden oder sogar Hunderten von Milliampere im TX- und RX-Modus. Der Associated-Sleep-Modus kann daher in vielen Fällen die durchschnittliche Stromaufnahme nicht dauerhaft aktiver Anwendungen auf deutlich unter 1 mA senken.

Assoziation contra Dissoziation

Um die größtmögliche Energieeinsparung zu erzielen, kann sich das IoT-Gerät vollständig vom Zugriffspunkt (AP) lösen und in den Abschaltmodus wechseln, bei dem die Stromaufnahme auf weniger als 1 µA sinkt. Jedes Mal, wenn der Client jedoch Daten senden möchte, muss er sich erneut mit dem AP verbinden und eine IP-Adresse erwerben, was einige Sekunden dauern kann. Dieser Prozess (Bild 2) erhöht die Latenzzeit für alle Informationen, die kommuniziert werden müssen, und er führt zu einer erheblichen Stromaufnahme. Darüber hinaus kann das IoT-Gerät keine Informationen empfangen, wenn die Verbindung getrennt (dissoziiert) wurde, womit es sich auch nicht über WLAN aus der Ferne aktivieren lässt.

Assoziation eines IoT-Geräts (Client) zu einem Zugriffspunkt (Access Point)
© Silicon Labs

Bild 2: Assoziation eines IoT-Geräts (Client) zu einem Zugriffspunkt (Access Point).

Allerdings kann diese Strategie in bestimmten Anwendungen eine äußerst nützliche Energiespartechnik bieten. Geräte wie Bestellknöpfe, bei denen auf Knopfdruck bestimmte Artikel bestellt werden, werden nur sporadisch verwendet, und eine Latenzzeit von einigen Sekunden ist durchaus akzeptabel. Sind diese Einrichtungen nicht mit dem WLAN-AP dauerhaft verbunden – also dissoziiert – und werden nur dann neu verbunden (assoziiert), wenn die Taste zum Übertragen von Informationen gedrückt wird, können sie mit einer Batterie eine Lebensdauer von mehreren Jahren erreichen.

FunkLeistungsfähigkeit und Netzwerkbedingungen

Im Gegensatz zu vielen Funkprotokollen hängt die Stromaufnahme bei WLAN vor allem von der Funkleistungsfähigkeit und den Netzwerkbedingungen ab. Da WLAN dynamisch moduliert wird, steigt der maximal mögliche Durchsatz mit steigender Leistungsübertragungsbilanz (Linkbudget). Bei einer festen Datenmenge bedeutet ein höherer Durchsatz weniger Zeitaufwand im TX- und RX-Modus mit hoher Leistungsaufnahme. Da WLAN zudem mit positiver Bestätigung arbeitet, kann ein stark ausgelastetes Netzwerk zu vielen Wiederholungsversuchen führen, die eine höhere Stromaufnahme verursachen.

Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Stromaufnahme zu optimieren, u.a. die Wahl von Transceiver-ICs mit hoher Selektivität und der Fähigkeit HF-Signale außerhalb des relevanten Bandes zu unterdrücken (Out-of-Band Rejection) sowie mit hoher Empfängerempfindlichkeit. Wenn möglich sollten für den Betrieb des WLANs nicht überfüllte Funkkanäle gewählt werden. Dies kann bedeuten, für IoT-Geräte Bänder oder Kanäle zu verwenden, die nicht gleichzeitig von Verbindungen mit hoher Nutzlast, z.B. Videosignalübertragung, genutzt werden.

WLAN-ICs fair vergleichen

Datenblätter von WLAN-Transceiver-ICs sind kompliziert, und bei der Auswahl der Komponenten müssen Entwickler einige Dinge beachten. Dazu zählt die Stromaufnahme beim Senden und Empfangen. Sollen die Spezifikationen zweier ICs bewertet werden, so muss sichergestellt sein, dass Äpfel mit Äpfeln verglichen werden, wenn es um Größen wie Sendeleistung, Empfangsempfindlichkeit und Modulationsrate/Durchsatz geht.

Alle Hinweise im Datenblatt zur Einschaltdauer (Duty Cycle) sind zu berücksichtigen. Eine Leistungszahl, die für 50 % Einschaltdauer definiert wurde, sollte effektiv verdoppelt werden, bevor sie mit der Angabe eines ICs verglichen wird, bei der die Zahl für den Dauerbetrieb genannt ist.

Ebenfalls zu beachten ist der Strom im Ruhezustand. Für den Vergleich ist darauf zu achten, dass der definierte Ruhemodus alle Assoziierungsinformationen enthält, damit das IoT-Gerät assoziiert bleibt. Andernfalls muss es sich wieder neu verbinden, sobald es aus dem Ruhemodus erwacht, was zu den zuvor beschriebenen Konsequenzen führt. Einige Halbleiterhersteller vergleichen die Ruhe- oder Deep-Sleep-Ströme ihrer WLAN-Transceiver-ICs mit der Stromaufnahme im assoziierten Zustand von ICs anderer Anbieter, um so eine niedrigere Stromaufnahme im Ruhemodus angeben zu können.

Drittens sollten Entwickler verstehen, was unter »Durchschnittsstrom« gemeint ist. Alle Berechnungen zum Durchschnittsstrom gehen von mehreren Annahmen aus, die für das zu entwickelnde IoT-Gerät möglicherweise gültig oder nicht gültig sind. Entwickler müssen sich sicher sein, dass sie die genaue Konfiguration kennen, einschließlich TX- und RX-Datenrate und DTIM-Intervall. Möglicherweise müssen Entwickler die Konfigurationsparameter erheblich ändern, um die Stromaufnahme für ihr eigenes System zu modellieren.

Schließlich gibt es noch das Problem der Sendeleistung an Pin und Antenne. Einige Hersteller spezifizieren die Ausgangsleistung am HF-Ausgangsanschluss des ICs oder Moduls, nicht an der Antenne. Auf diese Weise können sie den Verlust des notwendigen Anpassungsnetzwerks bzw. Filters ausschließen, was zu einer 1-2 dB geringeren Leistungsübertragungsbilanz führen kann. Dies ist beim Vergleich von Datenblättern zu berücksichtigen.

Der Autor

Sunda-Siddharth von Silicon Labs
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Siddharth Sunda von Silicon Labs.

Siddharth Sundar

ist Senior Product Manager für WiFi-Produkte bei Silicon Labs. Er verfügt über mehr als ein Jahrzehnt Erfahrung in verschiedenen Funktionen in der Halbleiterindustrie, einschließlich Entwicklungs-, Management- und Marketingverantwortung. Siddharth Sundar ist seit 2011 bei Silicon Labs und hat in den letzten Jahren an Isolations-, Sensor- und Funkprodukten gearbeitet. Zuvor arbeitete er an SoCs für Mobiltelefone bei ST-Ericsson. Siddharth Sundar hat einen Bachelor- und Master-Abschluss in Elektrotechnik vom MIT, Massachusetts Institute of Technology.

siddharth.sundar@silabs.com

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