Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Wi-Fi HaLow – weniger ist mehr!
Drahtlose Datennetze, wie man sie im lokalen Umfeld kennt, werden als Wireless Local Area Networks (WLAN) bezeichnet. Sie benötigen keine kostenintensiven, drahtgebundenen Verbindungs- und Vernetzungssysteme und sind dadurch eine Voraussetzung für mobile Kommunikationsanwendungen im Nahbereich.
Den Vorteilen kabelloser Netzwerke stehen eine Reihe von Nachteilen im Vergleich zu Twisted-Pair-Kabel- oder Glasfaser-Vernetzungssystemen gegenüber:
frequenzabhängige, geringere Reichweite,
Dämpfung durch Objekte im Funkfeld,
erschwerte Übertragungssicherheit durch Abhörbarkeit,
geringere Bandbreite der übertragenen Signale,
eingeschränkte Störfestigkeit,
erhöhter Energiebedarf und einige mehr.
Dies sind grundsätzliche, mit der Funktechnik verbundene Einschränkungen, die sich jedoch mit einigem technischen Aufwand recht gut für den jeweiligen Einsatzzweck beherrschen lassen. Eine relativ neue WLAN-Variante ist WiFi HaLow, die von der Wi-Fi Alliance im Jahr 2017 als Standard IEEE 802.11ah für Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf und hoher Reichweite veröffentlicht wurde.
Bild 1 erlaubt eine grobe Einordnung von 802.11ah im Reigen der konkurrierenden WPAN-Netze (Wireless Personal Area Networking) wie ZigBee und Bluetooth Low Energy (BLE) mit Reichweiten bis zu mehreren 10 m und moderaten Übertragungsgeschwindigkeiten sowie LP-WAN-Netze (Low Power – Wide Area Networking) wie LoRa und Sigfox, die auf Kosten der Übertragungsgeschwindigkeit größere Distanzen überwinden können. In Bezug auf den Kompromiss zwischen Bitrate und Reichweite füllt 802.11ah hier eine Lücke.
Frequenz und Reichweite
Bei allen Funkübertragungssystemen besteht ein prinzipieller Zusammenhang zwischen der Frequenz der elektromagnetischen Trägerwellen und der Reichweite ihrer Ausbreitung. Für die eingeschränkte Reichweite sind Dämpfungen auf dem Übertragungsweg ursächlich, die verschiedene Ursachen haben.
Freiraumdämpfung
Der Freiraumdämpfung (FSL: Free Space Loss) sind grundsätzlich alle elektromagnetischen Ausstrahlungen unterworfen. Sie entsteht allein dadurch, dass die Leistungsdichte einer omnidirektionalen (d. h. in alle Richtungen gleichförmigen) Strahlung abnimmt, indem sie sich in wachsendem Abstand zum Sender auf einen größeren Raum verteilt. Das geschieht nach dem quadratischen Abstandsgesetz, welches besagt, dass die Leistungsdichte der elektromagnetischen Ausstrahlung (Leistung pro Wirkfläche der Empfangsantenne) bei einer Verdoppelung des Abstandes auf ein Viertel abnimmt.
Atmosphärische Dämpfungen
Besteht das Funkfeld nicht aus einem reinen Vakuum, sondern aus einer Atmosphäre, wird durch deren absorbierende Eigenschaft (Absorption: Energieaufnahme) eine Schwächung des Funksignals verursacht – die atmosphärische Dämpfung. Diese Energieentnahme ist im Wesentlichen von der Luftfeuchte (Regen, Nebel) und der Strahlungsfrequenz abhängig.
Materiebedingte Einflüsse
Im Innenraumbereich ist mit atmosphärischen Dämpfungen naturgemäß nicht zu rechnen. Dagegen können die Funkwellen beim Auftreffen auf Materie (Wände, Einrichtungsgegenstände, Glasscheiben, …) reflektiert werden. Ein Teil der auftreffenden Energie dringt in das Innere der Materie ein und gegebenenfalls wieder aus. Dabei wird dem elektromagnetischen Feld Energie entzogen, die dann bei dessen weiterer Ausbreitung fehlt und zu einer verringerten Empfangsfeldstärke führt. Diese Dämpfungen sind sowohl von den Materialeigenschaften als auch von der Frequenz abhängig. Regelmäßig wird dadurch die Reichweite der Funkverbindung reduziert, woraus die Forderung nach einem möglichst freien Funkfeld resultiert.
Autor: Karsten Jungk
Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.