Betrouwbare IoT-datastromen over een groot bereik met Wi-Fi HaLow

IoT-ontwikkelaars staan bij een project voor vragen als ‘hoeveel data moet mijn apparaat verzenden en ontvangen?’, ‘hoe lang moet de batterij meegaan?’, ‘hoe ver mag het apparaat van een gateway verwijderd zijn?’, ‘hoeveel apparaten kan ik op een netwerk aansluiten?’, ‘hoe eenvoudig is het om het netwerk in te stellen en te beveiligen?’ De antwoorden hierop bepalen het connectiviteitsprotocol. In gevallen waarin een groot bereik belangrijk is en kan worden volstaan met een gemiddelde datadoorvoer, biedt Wi-Fi HaLow een oplossing.

Door: Brandon Lewis, namens DigiKey

Of het nu gaat om het volgen van activa, sensoren in de landbouw, verlichting of metingen, draadloze IoT-workloads hebben één ding gemeen: de afzonderlijke eindknooppunten sturen continu ruwe data naar cloudplatforms voor analyse en controle. Deze apparaten zijn vaak relatief eenvoudig. Het is de cloud die het meeste denkwerk verricht in deze toepassingen.

Laten we dit vergelijken met draadloze edge-toepassingen die lokale data-analyse en besluitvorming op het apparaat zelf bieden, bijvoorbeeld voorspellend onderhoud. Hier detecteert een sensorknooppunt een verandering in machinekenmerken of -prestaties buiten een vooraf gedefinieerd bereik en stuurt een melding naar de cloud, in plaats van continu gegevens te verzenden voor analyse in de cloud. Dit bespaart begrijpelijkerwijs op de vaak beperkt voorhanden zijnde netwerkbandbreedte.

Niettemin kunnen ruwe of gecomprimeerde data soms het beste in realtime worden gestreamd, zoals voor beveiligingscameranetwerken met een lage bitsnelheid of bij slimme gebouwinfrastructuur, waar controle even belangrijk is als rapportage. In dit geval zijn LPWAN-protocollen (Low-Power Wide-Area Network) met een groot bereik niet altijd geschikt, aangezien deze voornamelijk zijn ontworpen voor kleine datapakketten en incidentele rapportage. Standaard Wi-Fi hoge biedt de gewenste hoge datasnelheden, maar het vereiste bereik en het stroomgebruik kunnen een beperkende factor zijn voor de implementatiemogelijkheden van batterijgevoede apparaten. Ontwikkelaars hebben daarom baat bij draadloze protocollen die een compromis tussen beide bieden: Wi-Fi HaLow.

Best of both worlds

De onderliggende open IEEE 802.11ah-standaard voor Wi-Fi HaLow biedt hogere datasnelheden dan LPWAN-technologieën en een groter bereik in vergelijking met standaard Wi-Fi. Dit stelt ontwikkelaars in staat om veeleisende draadloze workloads te implementeren, zoals gecomprimeerde videostreaming of hoogfrequente databursts.

Voorbeelden van technische specificaties uit de standaard, die direct vertaald kunnen worden naar operationele voordelen voor IoT-implementaties, zijn:

• Carrierfrequentie onder 1 GHz. Het gebruik van een relatief lage frequentie van de draaggolf biedt een goede penetratie door muren heen en ondersteunt betrouwbare communicatie in gebouwen. Daarnaast maakt de Wi-Fi HaLow-standaard een bereik van ongeveer 1 km buitenshuis mogelijk.
• Smalbandige OFDM-kanalen. De standaard is ontworpen voor grootschalige implementaties, zoals smart cities, en definieert een theoretische capaciteit van meer dan 8.000 apparaten per toegangspunt.
• Native IP-ondersteuning. Hoewel Wi-Fi HaLow wel eigen toegangspunten vereist, ondersteunt het een directe interface met LAN-technologie. In tegenstelling tot veel andere draadloze standaarden zijn hiervoor geen eigen middlewarelagen nodig, wat de implementatie vereenvoudigt.

Wi-Fi HaLow is ook compatibel met energiebesparende modi en Target Wake Time (TWT)-functionaliteit, waardoor apparaten met een lage dutycycle maanden of jaren op een batterij kunnen werken. Dit vermindert de onderhoudsvereisten voor traditionele IoT-implementaties en maakt tegelijkertijd on-demand communicatie met gemiddelde datadoorvoer mogelijk.

Compacte Wi-Fi HaLow-modules

Het is begrijpelijk dat ontwikkelaars terughoudend kunnen zijn om nieuwe draadloze protocollen voor hun IoT-netwerken te omarmen, maar de implementatie hoeft niet moeilijk te zijn. Er bestaan oplossingen voor compacte Wi-Fi HaLow-integratie met verminderde RF-ontwerpcomplexiteit.

Een voorbeeld hiervan is de FGH100M Wi-Fi HaLow-module van Quectel. De module biedt Wi-Fi HaLow-functionaliteit in een 0,72 gram wegende behuizing van 13 × 13 × 2,2 mm, wat hem geschikt maakt voor compacte lichtgewicht IoT-apparaten.

De voedingsopties omvatten 3,0 tot 3,6 volt voor directe werking op batterijen, of 1,8 tot 3,6 volt via de I/O van het apparaat. Dit maakt het eenvoudig om de module in bestaande ontwerpen te integreren. Integratie via een enkele SDIO-, SPI- of antenne-interface draagt hier verder aan bij. Daarnaast biedt Quectel pre-certificering voor Europa, Amerika, Canada, Australië en Nieuw-Zeeland, wat de naleving van vigerende regelgeving vergemakkelijkt en de time-to-market versnelt.

De FGH100M-serie bestaat uit twee modellen voor verschillende toepassingen met hoge en lage maximale datasnelheden op de fysieke laag (PHY). De FGH100MAAMD biedt communicatiesnelheden tot 3,3 Mbits/s en ondersteunt toepassingen met een lage tot gemiddelde datadoorvoercapaciteit, zoals slimme deursloten en spraakassistenten. Voor gebruiksscenario’s met een hogere datadoorvoercapaciteit, zoals videocom-systemen met gecomprimeerde video, die mogelijk grotere firmware-updates of datastreaming met beperkte bandbreedte vereisen, ondersteunt de FGH100MABMD snelheden van 32,5 Mbit/s, afhankelijk van de kanaalconfiguratie.

Conclusie

Veel IoT-ontwikkelaars hebben behoefte hebben aan protocollen met een groot bereik, die niet het onderste uit de kan hoeven te halen qua datadoorvoercapaciteit. Wi-Fi HaLow past goed in deze niche, met als extra voordelen een goede penetratie door muren en native IP-ondersteuning. Dankzij een eenvoudig te integreren ontwerp en pre-certificering bieden de FGH100M-modules van Quectel een snelle manier om Wi-Fi HaLow in diverse toepassingen te implementeren.