Wireless-to-LoRa (WiLo) „Hybrid“-Ansatz verspricht größere WiFi-Reichweiten

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Forschern ist es gelungen, mit handelsüblicher Technologie WiFi- und LoRa-Signale zu kombinieren und so die Vorteile beider Ansätze zu nutzen. Der WiLo genannte Ansatz dürfte vor allem für Smart Cities und andere Langdistanz-IoT-Anwendungen interessant sein.

Sowohl WiFi als auch LoRa werden in unterschiedlichen IoT-Anwendungen genutzt. Doch in Anwendungen, die sowohl hohen Datendurchsatz, niedrige Latenzzeiten als auch große Reichweiten erfordern, stoßen beide Ansätze an ihre Grenzen.

WiFi besitzt einen großen Datendurchsatz mit hohen Geschwindigkeiten, was vor allem Applikationen mit geringen Latenzzeiten von Vorteil ist. Zugleich haben vorhandene WiFi-Technologien allerdings einen hohen Energiebedarf und bieten für gewisse Anwendungen unzureichende Reichweiten, etwa in der Landwirtschaft. LoRa kann hingegen vor allem bei Anwendungen, die lange Distanzen und niedrigen Strombedarf benötigen, punkten. Zu den Nachteilen der Technologie zählen allerdings eine im Vergleich zu WiFi beschränkte Bandbreite und, damit verbunden spürbare Verzögerungen bei der Datenübertragung. Zudem gibt es mit Semtech nur einen Anbieter, der effektiv Chips für LoRaWAN-Anwendungen bereitstellt.

WiLo: Kombination aus WiFi- und LoRa-Kommunikation ohne zusätzliche Technologien

Ein internationales Forschungsteam aus in den USA, China, Großbritannien, Polen, Südkorea und Deutschland ansässigen Forschern hat nun im Fachblatt IEEE Transactions on Communications einen vielversprechenden Ansatz vorgestellt, der die Vorteile beider Kommunikationsprotokolle vereint, ohne dass zusätzliche Technologien zum Überbrücken beider Ansätze notwendig wären. „Dies reduziert Kosten, Komplexität und potenzielle Fehlerquellen und macht IoT-Implementierungen effizienter und skalierbarer“, sagt Demin Gao, Professor an der Hochschule für Informationswissenschaft und -technologie an der Nanjing Forestry University in China und einer der Hauptautoren der Studie.

Das in der veröffentlichten Studie „Wireless to LoRa (WiLo)“ genannte Konzept baut auf einem handelsüblichen SX1280 LoRa Transceiver von Semtech auf, der für sein LoRaWAN-Netzwerk eine Funkfrequenz von 2.4 GHz verwendet. Dieses Frequenzband wird auch von WiFi-Netzwerken nach dem IEEE-802.11ac-Standard genutzt. Allerdings sind LoRa- und WiFi-Signale üblicherweise nicht kompatibel.

Für ihr WiLo-Konzept entwickelten die Forscher daher einen Algorithmus, um die Frequenz der Wi-Fi-Datensignale abzuwandeln: Der Datenmultiplex-Standard von Wi-Fi (OFDM) wird dabei manipuliert, um Chirp-Signale mit größerer Reichweite zu emulieren, die im Chirp-Spreading-Standard von LoRa (CSS) verwendet werden. Diese Signale sind dann mit dem eingesetzten LoRa-Transceiver kompatibel. „Dies ermöglicht die Verwendung von Standard-Wi-Fi-Geräten zur Kommunikation über große Entfernungen mit LoRa ohne zusätzliche Hardware“, sagt Professor Gao.

Mehr Reichweite für WiFi-Signale, aber zugleich höherer Energiebedarf

Das Team testete seinen neuen WiLo-Ansatz sowohl in Innenräumen - in einem Labor und einem Flur - als auch im Freien über Entfernungen von bis zu 500 Metern. Hierbei erreichte WiLo eine erfolgreiche Übertragungsrate von 96 Prozent.

Ein Vorteil von WiLo besteht laut Studie darin, dass es auf vorhandener, handelsüblicher Hardware laufen kann. Folglich würde es keine erheblichen Kosten oder Komplexität bei der Einführung erfordern. Während sich dadurch Stärken zwischen WiFi und LoRa kombinieren lassen, entsteht hierbei zugleich aber ein signifikanter Nachteil: Für die eingesetzten Wi-Fi-Geräte erhöht sich der Stromverbrauch, da diese einen höheren Energiebedarf für die gleichzeitige Kommunikation und den Algorithmus für die Signalemulation benötigen. Das Forschungsteam plant aber, diese Problematik in einer weiteren Verfeinerung des WiLo-Ansatzes vorrangig zu adressieren.

Von einer Marktreife ist der Ansatz daher noch deutlich entfernt. „Um WiLo auf den Markt zu bringen, müssten wir das System weiter optimieren, um die Energieeffizienz, die Datenraten und die Robustheit gegenüber Störungen zu verbessern“, sagt Gao. „Dies dürfte zusätzliche Softwareentwicklung und Tests in verschiedenen IoT-Umgebungen erfordern.“ Ferner müsse sichergestellt werden, dass das System geltenden Industriestandards entspricht und Sicherheitsmaßnahmen für die technologieübergreifende Kommunikation integriert werden.

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