Always ON DFS: Der intelligente Weg, DFS-Kanäle zu nutzen

| Autor / Redakteur: Hiten Dalal * / Michael Eckstein

Platz da: Im 5-GHz-Frequenzspektrum nach IEEE 802.11 haben Radar-Anwendungen im Bereich zwischen 5600 und 5650 MHz Vorfahrt.
Platz da: Im 5-GHz-Frequenzspektrum nach IEEE 802.11 haben Radar-Anwendungen im Bereich zwischen 5600 und 5650 MHz Vorfahrt. (Bild: ON Semiconductor)

Mithilfe einer dynamischen Frequenzwahl und weiteren ausgeklügelten Mechanismen können WLAN-Anwender störungsarme DFS-Kanäle sinnvoll nutzen. Wir zeigen wie.

WLAN/Wi-Fi ist die dominierende Technik für den Internetzugang in Haushalten und Unternehmen. Immer mehr Anwendungen wie Video und Gaming nutzen WLAN als primäres Kommunikationsmedium. Angesichts der wachsenden Zahl von High-Speed-Anwendungen und Anwendungen mit geringer Latenz, die WLAN nutzen, ist ein effizientes Kanalmanagement unerlässlich.

ON Semiconductor bietet dafür seine Smart-Scan-Technik. Always ON DFS (Dynamic Frequency Selection; Dynamische Frequenzwahl) ist einer von mehreren Mechanismen darin, die helfen, das in DFS-Kanälen verfügbare Spektrum besonders effizient zu nutzen.

DFS-Kanäle belegen einen Teil des 5-GHz-Spektrums, in dem heute zum Teil auch Radarsysteme arbeiten. Dazu gehören Flughafen-, Militär- und Wetterradar, die in Bild 1 als TDWR (Terminal-Doppler-Wetterradar) aufgeführt sind. Im 5-GHz-Spektrum stehen daher nur zwei Kanäle mit einer Bandbreite von 160 MHz für WLAN zur Verfügung. Beide Kanäle bestehen ganz oder teilweise aus DFS-Kanälen.

In vielen Fällen sind die DFS-Kanäle die störungsärmsten Kanäle mit der geringsten Anzahl von Geräten, da die Erfassung des Kanals komplex ist. Darüber hinaus ermöglicht der DFS-Kanal in bestimmten Regionen wie der Europäischen Union eine höhere Übertragungsleistung. Daher bietet der Betrieb in diesen Kanälen bestimmte Vorteile. Um diese Kanälen nutzen zu können, muss jeder WLAN Access Point (AP) dem DFS-Protokoll. Tabelle 1 beschreibt die Anforderungen für den Betrieb in einem DFS-Kanal.

DFS-Kanal ohne Unterbrechung frei geben

Die beiden größten Herausforderungen, die WLAN-fähige Geräte heute meistern müssen, sind erstens einen DFS-Kanal OHNE Unterbrechung des Datenverkehrs freizugeben und zweitens so lange wie möglich in freigegebenen DFS-Kanälen zu verbleiben. Die meisten heutigen Lösungen stoppen den gesamten Datenverkehr, während sie sich in der Kanalerfassungsphase für die Belegung eines DFS-Kanals befinden. Dies ist eine enorme Störung des Betriebs und wird in den meisten Fällen nur nachts ausgeführt, wenn sich der AP im Leerlauf befindet.

Eine weitere Herausforderung ist die Unfähigkeit zu bestimmen, auf welchem Teilband ein Radarimpuls erfasst wurde. Dies ist besonders wichtig, wenn das Gerät die DFS-Kanäle 106 und 122 für den 160-MHz-Betrieb freigegeben hat. Heutzutage sind Geräte gezwungen, den gesamten 160-MHz-Kanal zu verlassen, wenn ein DFS-Ereignis erkannt wird – auch wenn das Ereignis auf Kanal 106 stattgefunden hat. Alle Anstrengungen, die zur Freigabe des strengeren Wetterkanals (Kanal 122) aufgewendet wurden, waren dann aufgrund des Ereignisses auf dem unteren 80-MHz-Kanal umsonst.

Always ON DFS sorgt für eine intelligente Nutzung der Kanäle

ON Semiconductor hat diese Aspekte in die Entwicklung seiner aktuellen Generation von Wi-Fi-6-Lösungen einbezogen. Die Chipsätze QSR10GU-AX und QSR5GU-AX Plus lösen das Problem mittels Always ON DFS. Tabelle 2 gibt einen Überblick über die einzelnen Mechanismen, die Always ON DFS ausmachen. Die Wi-Fi-6-Lösungen von ON Semiconductor sind in der Lage, eine oder mehrere Antennen mit einem nicht benachbarten Kanal zu verknüpfen, um den für die Belegung eines DFS-Kanals erforderlichen CAC durchzuführen. Dies geschieht ohne Beeinträchtigung des Datenverkehrs. Auf diese Weise müssen Geräte nicht bis spät in die Nacht warten, um den DFS-Kanal erneut nutzen zu können.

Bild 2: Zero Wait DFS kann überprüfen, ob ein nicht benachbarter DFS-Kanal unbelegt ist, ohne den Datenverkehr zu unterbrechen. Dazu weist es verfügbare Antennen unterschiedlichen Kanälen zu.
Bild 2: Zero Wait DFS kann überprüfen, ob ein nicht benachbarter DFS-Kanal unbelegt ist, ohne den Datenverkehr zu unterbrechen. Dazu weist es verfügbare Antennen unterschiedlichen Kanälen zu. (Bild: On Semiconductor)

Laufende Applikationen lassen sich so schneller auf störungsfreie und meist leistungsfähigere Kanäle verlegen, was zu einem besseren Benutzererlebnis führt. Ein Beispiel für eine Anwendung ist in Bild 2 dargestellt. Der AP bootet auf Kanal 42 (Nicht-DFS-Kanal) und verwendet dann Zero Wait DFS, um Kanal 106 zu nutzen, ohne den Verkehr auf Kanal 42 zu unterbrechen.

Prüfung der Verfügbarkeit von Breitbandkanälen

Breitband-CAC (Wideband Channel Availability Check) ist eine Funktion, die den benachbarten 80-MHz-DFS-Kanal nahtlos freigibt, ohne den Datenverkehr zu unterbrechen. Aufbauend auf dem bereits beschriebenen Zero-Wait-DFS-Szenario kann der AP nach der Freigabe des Kanals 106 WCAC bis Kanal 122 verwenden. Zu beachten ist, dass der Kanal 122 der Wetterradarkanal ist und einen bis zu 10-minütigen CAC für die Freigabe erfordert. Die Fähigkeit, diesen Kanal nutzen zu können, ist für den 160-MHz-Betrieb von entscheidender Bedeutung.

Bild 3: Mithilfe von Breitband-CAC (Wideband Channel Avialbility Check) kann ein Access Point den benachbarten 80-MHz-DFS-Kanal belegen, ohne die Datenübertragung unterbrechen zu müssen.
Bild 3: Mithilfe von Breitband-CAC (Wideband Channel Avialbility Check) kann ein Access Point den benachbarten 80-MHz-DFS-Kanal belegen, ohne die Datenübertragung unterbrechen zu müssen. (Bild: ON Semiconductor)

Bild 3 zeigt, wie WCAC verwendet wird, um einen 160-MHz-Betrieb zu ermöglichen, oder einfach auf Kanal 122 zu wechseln und im 80-MHz-Modus zu arbeiten. Zunächst arbeitet der AP auf Kanal 106 mit 80 MHz Bandbreite. Per WCAC überprüft er, ob der für das Wetterradar reservierte Kanal 122 frei ist. In diesem Fall hat der AP zwei Möglichkeiten: Entweder er nutzt fortan beide Kanäle und kombiniert deren Bandbreite, oder er wechselt zum Kanal 122 und gibt Kanal 106 frei. Das kann sinnvoll sein, wenn beispielsweise viele andere APs gleichzeitig diesen Kanal verwenden und Interferenzen die Funkübertragungen stören könnten.

Subband-DFS-(S-DFS-)Technik erkennt DFS-Ereignis

Subband-DFS ist eine weitere Technik zum Feststellen, auf welchem 80-MHz-Kanal ein DFS-Ereignis erkannt wurde. Dies ist wichtig, um länger in DFS-Kanälen verbleiben zu können. Aufbauend auf dem genannten WCAC-Beispiel hat der AP nun die Kanäle 106 und 122 freigegeben und arbeitet jetzt auf Kanal 114, einem 160-MHz-Kanal. Radarpulse sind sehr schmalbandig und belegen nicht den gesamten 80-MHz-Kanal. Ohne S-DFS müsste – sofern ein Radarimpuls in Kanal-106- oder Kanal-122-Frequenzen auftreten würde – das gesamte 160-MHz-Spektrum freigegeben werden.

Bild 4: Subband-DFS (S-DFS) kann feststellen, in welchem Subband ein DFS-Ereignis aufgetreten ist.
Bild 4: Subband-DFS (S-DFS) kann feststellen, in welchem Subband ein DFS-Ereignis aufgetreten ist. (Bild: ON Semiconductor)

Mit der S-DFS-Funktion lässt sich feststellen, in welchem Subband das Radar aufgetreten ist. Ist dies auf Kanal 122 der Fall, reduzier der AP die Bandbreite auf 80 MHz und arbeitet danach vollständig im Kanal 106. Auf diese Weise wird die Betriebszeit in den aufwendig freizugebenden DFS-Kanälen maximiert. Nach Ablauf der Nichtbelegungszeit für Kanal 122 lässt sich dann WCAC nutzen und der Kanal wird nahtlos freigegeben, um den 160-MHz-Betrieb wieder aufzunehmen.

Freigabe von DFS-Kanälen ohne Unterbrechung

Unter dem Strich sind Always-ON-DFS-Funktionen der effizienteste Weg, um DFS-Kanäle freizugeben und die Belegungsdauer dieser Kanäle zu maximieren. Die Freigabe erfolgt ohne Unterbrechung des Datenverkehrs. Anwender können den Wetterkanal mittels Breitband-CAC effizient nutzen und profitieren von bis zu 160 MHz Kanalbandbreite, was hohe Übertragungsgeschwindigkeiten ermöglicht. Sie können die störungsarmen DFS-Kanäle zudem länger und öfter verwenden und haben die Möglichkeit zu erkennen, auf welchem Subband das Radar erkannt wurde.

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Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft Embedded Systems Development und Internet of Things I der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

* Hiten Dalal ist Senior Marketing Manager der Abteilung Quantenna Connectivity Solutions von ON Semiconductor.

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