Autoren: Rossella Guiot, Central Marketing Manager, Ture Nielsen, Product Marketing Manager, Lior Weiss, Senior Director Connectivity, Wi-Fi
In der sich ständig weiterentwickelnden Welt des Internets der Dinge (IoT) ist die Wahl des WLAN-Frequenzbands mehr als nur ein technisches Detail; es ist eine strategische Entscheidung, die sich direkt auf Netzwerkleistung, Zuverlässigkeit, Latenz, Reichweite und Stromverbrauch auswirkt. Da WLAN mittlerweile auf den Frequenzbändern 2,4 GHz, 5 GHz und dem neu eingeführten 6-GHz-Band (über Wi-Fi 6E) arbeitet, ist das Verständnis der jeweiligen Vor- und Nachteile unerlässlich für die Entwicklung robuster IoT-Systeme.
Der Übergang von Einband- zu Zweibandverbindungen
Viele frühe IoT-Geräte nutzten Wi-Fi 4, das ausschließlich auf dem 2,4-GHz-Band basierte. Obwohl dieses Band eine große Reichweite und bessere Durchdringung von Wänden bietet, ist es aufgrund der begrenzten Kanalanzahl anfällig für Überlastung und Interferenzen. Heutzutage ist die Dualband-Kompatibilität, die den Betrieb sowohl im 2,4-GHz- als auch im 5-GHz-Band ermöglicht, ein grundlegendes Designprinzip für moderne IoT-Ökosysteme.
Dualband-Konnektivität ermöglicht es Geräten, das optimale Frequenzband intelligent anhand von Reichweite, Bandbreite und Leistungsaufnahme auszuwählen. Dies gewährleistet eine zuverlässige Abdeckung, effiziente Spektrumnutzung und den reibungslosen Betrieb in unterschiedlichen Einsatzszenarien. Durch die Nutzung der komplementären Vorteile beider Frequenzbänder erreichen IoT-Netzwerke die notwendige Balance aus Reichweite, Zuverlässigkeit und Reaktionsfähigkeit, um in der sich stetig weiterentwickelnden digitalen Landschaft eine umfassende und geschäftskritische Vernetzung zu gewährleisten.
Tatsächliche Vorteile des Betriebs im 5-GHz-Band
Um die praktischen Vorteile des 5-GHz-Bandes zu demonstrieren, wurde eine WLAN-Umgebung in einem intelligenten Gebäude simuliert. Mehrere Netzwerke waren gleichzeitig in Betrieb, wodurch deutliche Unterschiede zwischen den beiden Frequenzbändern sichtbar wurden:
- 2,4-GHz-Band: Beschränkt auf drei Hauptkanäle, was zu Überlastung und Interferenzen führt.
- 5-GHz-Band: Bietet elf oder mehr Kanäle, was Interferenzen deutlich reduziert und höhere Datenübertragungsraten ermöglicht.
Dieses sauberere Spektrum führt zu konkreten Vorteilen für den Benutzer: höhere Übertragungsgeschwindigkeit, geringere Latenz, geringerer Energieverbrauch und eine zuverlässigere Verbindung, insbesondere in Umgebungen mit vielen verbundenen Geräten.
Leistungstests: Übertragungsgeschwindigkeit, Latenz und Stromverbrauch
Es wurde eine Reihe von Tests in einer typischen, stark ausgelasteten Umgebung durchgeführt. Dabei wurde ein Zugangspunkt verwendet, der mit dem in fester Entfernung befindlichen Prüfling (DUT) verbunden war. Die Messungen erfolgten im 2,4-GHz- und 5-GHz-Band.
Messeinstellungen
Das EK-RA6W1-Evaluierungskit (DUT) wurde über Wi-Fi mit einem als virtueller Zugangspunkt (Soft AP) konfigurierten Android-Telefon verbunden, um einen drahtlosen Datenaustausch zwischen den beiden Geräten zu ermöglichen.
Abbildung 1. Wi-Fi-Testaufbau.
Die Tests wurden in einem Großraumbüro mit mehreren aktiven WLAN-Netzwerken und elektronischen Geräten durchgeführt, die auf denselben Frequenzbändern arbeiteten. Ziel war es, die Leistung des Geräts unter realen Bedingungen zu analysieren.
Abbildung 2. Wi-Fi-Evaluierungskit (DUT) EK-RA6W1
Spektrum der gemessenen Umgebung
Zur Untersuchung des in der beschriebenen Umgebung vorhandenen Frequenzspektrums wurde eine Wi-Fi-Analyseanwendung verwendet.
Wie in Abbildung 3 dargestellt, war das 2,4-GHz-Spektrum aufgrund überlappender Netzwerke stark überlastet, was zu höheren Latenzzeiten und schlechterer Leistung führen kann.
Abbildung 3. 2,4-GHz-WLAN-Spektrum
Im Gegensatz dazu zeigt Abbildung 4, dass das 5-GHz-Spektrum gleichmäßiger auf die Kanäle verteilt wurde, wodurch Interferenzen reduziert und die Konnektivität verbessert wurde.
Abbildung 4. 5-GHz-WLAN-Spektrum
Performance
Obwohl sowohl das 2,4-GHz- als auch das 5-GHz-Band mit derselben Kanalbandbreite von 20 MHz getestet wurden, bot das 5-GHz-Band eine deutlich höhere Leistung. Diese Verbesserung ist hauptsächlich auf das sauberere und weniger ausgelastete Spektrum im 5-GHz-Band zurückzuführen.
- Weniger Neuübertragungen: Im 2,4-GHz-Band führen die begrenzte Kanalverfügbarkeit und die hohe Gerätedichte häufig zu Interferenzen und Paketkollisionen.
- Mehr verfügbare Kanäle: Das 5-GHz-Band bietet eine größere Auswahl an sich nicht überlappenden Kanälen.
- Weniger Störungen: Da es im 5-GHz-Band weniger Überlappungen mit anderen Technologien wie Bluetooth, Zigbee und Mikrowellenherden gibt, ist es weniger Umgebungsgeräuschen ausgesetzt.
- Effiziente Spektrumnutzung: Geräte, die im 5-GHz-Band arbeiten, können fortschrittliche Wi-Fi-6-Funktionen wie MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) und OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) nutzen.
Abbildung 5. Wi-Fi-Datendurchsatz – UDP RX
Abbildung 6. Wi-Fi-Datendurchsatz – UDP TX
In der Praxis bedeutet dies schnellere Downloads, eine reibungslosere Datenübertragung und reaktionsschnellere IoT-Anwendungen, insbesondere in Umgebungen mit vielen vernetzten Geräten. Dies wird in den UDP-Messungen in Abbildung 5 und 6 deutlich.
Latenz
In Leistungstests zeigte das 5-GHz-Band eine 2,5-fache Reduzierung der Ping-Round-Trip-Zeit im Vergleich zum 2,4-GHz-Band. Diese signifikante Latenzverbesserung ist auf mehrere Schlüsselfaktoren zurückzuführen: schnellere Übertragung von Management-Frames, wodurch der Bandbreitenverbrauch sinkt; geringere Interferenzen, was zu weniger Neuübertragungen und einer reibungsloseren Kommunikation führt; kleinere Funkzellen, die die Client-Konflikte verringern; und fortschrittliche MAC/PHY-Funktionen wie OFDMA und MU-MIMO, die es mehreren Geräten ermöglichen, gleichzeitig und effizienter zu senden.
Abbildung 7. Roundtrip-Latenz beim Wi-Fi-Ping
Energieverbrauch
IoT-Geräte sind so konzipiert, dass sie Energie sparen und gleichzeitig die Cloud-Verbindung aufrechterhalten. Um die Verbindung zu gewährleisten, überwachen diese Geräte kontinuierlich Netzwerk-Beacons und senden regelmäßig Verbindungsbestätigungssignale, die ihre Anwesenheit und Kommunikationsbereitschaft bestätigen. Das 5-GHz-Band bietet hierbei einen deutlichen Vorteil: Es ermöglicht höhere Übertragungsgeschwindigkeiten für Beacons und andere Management-Pakete. Weniger Interferenzen führen dazu, dass Geräte aktive Sitzungen schneller abschließen und längere Zeiträume mit geringem Stromverbrauch arbeiten können. Dies entspricht einer um etwa 20 % geringeren Leistungsaufnahme, wie Abbildung 6 zeigt: Der Stromverbrauch liegt bei 2,4 GHz durchschnittlich bei 40 mA, im Vergleich zu durchschnittlich 34 mA bei 5 GHz.
Abbildung 8. Stromverbrauchsmessung im 2,4-GHz- und 5-GHz-WLAN
Dualband-Kompatibilität: Ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Reichweite
Das 5-GHz-Band zeichnet sich durch hervorragende Datenübertragungsleistung, Signalintegrität und geringen Stromverbrauch aus, jedoch schränkt seine kürzere Wellenlänge Reichweite und Durchdringung von Wänden ein. Das 2,4-GHz-Band hingegen ist mit seinen überlegenen Ausbreitungseigenschaften ideal für Anwendungen mit großer Reichweite wie intelligente Zähler und Umweltsensoren, weist jedoch Einschränkungen bei der Datenübertragungsleistung und einen höheren Stromverbrauch auf.
Die Kompatibilität mit beiden Frequenzbändern bietet die nötige Flexibilität, um den vielfältigen Anforderungen moderner IoT-Implementierungen gerecht zu werden und Datenübertragung, Abdeckung und Energieeffizienz in Einklang zu bringen.
Renesas RA6W1: Eine Dualband-Lösung für modernes IoT
Renesas hat sein Portfolio an Mikrocontrollern für fortschrittliche IoT-Architekturen um den RA6W1 erweitert, einen extrem stromsparenden Dualband-Wi-Fi-6-Mikrocontroller, der für kontinuierliche Konnektivität entwickelt wurde.
Der RA6W1 integriert Wi-Fi 6-Funktionen und bietet Folgendes:
- 2,4-GHz-Band für erweiterte Reichweite und robuste Konnektivität in Umgebungen mit starken Störungen.
- 5-GHz-Band für hohen Datendurchsatz, reduzierte Latenz und optimierte Energieeffizienz.
Dieser Mikrocontroller nutzt die Wi-Fi-6-Erweiterungen wie OFDMA für eine effiziente Kanalnutzung und Target Wake Time (TWT) zur Energieeinsparung in batteriebetriebenen Geräten. Dank seiner fortschrittlichen Funkleistung und Dualband-Flexibilität gewährleistet der RA6W1 eine deterministische Kommunikation mit geringer Latenz für eine Vielzahl von IoT-Anwendungen – von Smart-Home-Systemen über die industrielle Automatisierung bis hin zu unternehmenskritischen Systemen.
Für detaillierte Spezifikationen und Designressourcen besuchen Sie die Produktseite RA6W1 und entdecken Sie das umfassende Portfolio von Renesas an Dualband-Wi-Fi-6-Lösungen, die für skalierbare, robuste und zukunftssichere IoT-Implementierungen entwickelt wurden.
