Raspberry Pi Pico W: Grundlagen zu WLAN (IEEE 802.11)

WLAN bzw. Wireless Local Area Network ist der Oberbegriff für alle Techniken und Standards mit denen sich lokale Funknetzwerke aufbauen lassen. Allerdings wird im allgemeinen Sprachgebrauch der Begriff "WLAN" für ein Funknetzwerk verwendet, dass auf dem Standard IEEE 802.11 basiert. International ist für diesen Standard die Bezeichnung „Wireless Fidelity“, kurz „Wi-Fi“, üblich.

Die WLAN-Technik ist die einfachste, komfortabelste und üblichste Möglichkeit, mobile Geräte mit einem Netzwerk oder dem Internet zu verbinden.

Anstatt Daten über ein Kabel zu übertragen, dient die Luft als Übertragungsmedium, die per Funktechnik nutzbar ist. Die drahtlose Übertragung erhöht die Mobilität und verbessert den Komfort, bei der Nutzung von Geräten, die ein Verbindung zu einem Netzwerk oder dem Internet haben sollen.

Betriebsarten

WLAN-Standard: IEEE 802.11n

Der im Raspberry Pi Pico W eingebaute Infineon-Chip CYW43439 unterstützt den WLAN-Standard IEEE 802.11n, der Ende 2003 entwickelt und Ende 2009 verabschiedet wurde. Es ist also ein relativ alter Standard. Im Prinzip entspricht er nicht mehr ganz dem Stand der Technik. Es gibt also schon neuere und deutlich schnellere Standards. Allerdings haben die alle den Nachteil, das diese Standards von der technischen Seite her viel umfangreicher und komplexer sind. Außerdem verbrauchen die technischen Implementierungen deutlich mehr Strom. Was die Stromversorgung in Mikrocontroller-Systemen angeht, unterliegt man da einer gewissen Limitation.
Der Standard IEEE 802.11n bildet sozusagen den kleinsten gemeinsamen Nenner, was auch die Unterstützung in den üblichen Heim-Routern betrifft.

Wi-Fi 4 / IEEE 802.11n / WLAN mit 150 MBit

Frequenzbereich und Kanalbreite

Der Pico W verfügt über eine Antenne für den Frequenzbereich 2,4 GHz. Dieser Frequenzbereich unterliegt der Allgemeinzuteilung und darf nicht dauerhaft genutzt werden. Er muss mit anderen Funktechniken, Funknetzen und allen Teilnehmern geteilt werden. Man spricht deshalb auch von einem „shared medium“.
Um die geteilte Nutzung zu vereinfachen, ist der Frequenzbereich in Kanäle unterteilt, um die eine bestimmte Kanalbreite genutzt werden darf. Der definierte Kanal bildet mit der Kanalbreite den Raum, in der die Teilnehmer eines WLANs Senden und Empfangen dürfen.

WLAN-Frequenzen und WLAN-Kanäle

WLAN-Datenrate

Im Datenblatt des Funkchips CYW43439 von Infineon wird eine maximale Empfangsgeschwindigkeit von 65 MBPS angegeben. Darüberhinaus ist mit MCS7 (Modulation and coding schemes) 72,2 MBit/s erreichbar. Im Datenblatt vom Raspberry Pi Pico W wird keine Geschwindigkeit angegeben. Zur Sendegeschwindigkeit stehen im Infineon-Datenblatt keine konkreten Werte. Das heißt, alle Angaben, die man zur Übertragungsgeschwindigkeit des Raspberry Pi Pico W irgendwo findet, sind reine Spekulation und somit falsch.
Diese Übertragungsraten entsprechen dem rechnerischen Maximum der theoretischen Übertragungsrate unter Einbeziehung aller Leistungsmerkmale, die im jeweiligen Standard vorgesehen sind. In der Praxis gibt es allerdings Einschränkungen, wegen denen diese Übertragungsraten nicht realisierbar sind.

Geht man davon aus, dass zumindest die Empfangsgeschwindigkeit über 54 MBit/s liegt, dann ist das natürlich nicht besonders schnell, wenn man das mit den üblichen Datenraten der WLAN-Standards IEEE 802.11ac und 11ax vergleicht. Dazu muss man aber auch wissen, dass mehr Geschwindigkeit keinen Sinn ergibt, weil der Mikrocontroller RP2040 im Normalbetrieb nur eine Taktrate von 120 MHz hat. Eine höhere WLAN-Datenrate bringt also nichts, wenn dem keine entsprechende Verarbeitungsleistung gegenübersteht. Außerdem bedeutet schnelles WLAN auch immer ein hoher Stromverbrauch. Und der ist im Normalbetrieb eines Raspberry Pi Pico W schon deutlich höher als beim Raspberry Pi Pico ohne WLAN.

Weil der Pico W in der Regel mit einem möglichst niedrigen Stromverbrauch betrieben wird, ergibt der Wunsch nach mehr Geschwindigkeit keinen Sinn.

WLAN-Übertragungsgeschwindigkeit

Programmcode zur Anzeige anderer WLANs

Funktechniken haben den Nachteil, dass je nach Umgebung, die Reichweite eines Funksignals mal mehr und auch mal weniger gut ist. Damit eine Verbindung zu einem WLAN möglich ist, müssen dessen Funksignale empfangen werden können. Mit dem folgenden MicroPython-Programmcode kann man sich die empfangbaren WLANs mit der Signalstärke in der Umgebung anzeigen lassen.

import network
wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
wlan.active(True)
print(wlan.scan())

Die Ausgabe in der Kommandozeile ist eine Liste mit WLANs, die der WLAN-Chip in diesem Augenblick empfangen kann.

Troubleshooting: WLAN

Wenn es mit dem Programmcode Probleme gibt, dann betrifft das hauptsächlich die WLAN-Verbindung. Der Umgang mit Funkverbindungen ist immer etwas schwierig, weil man nicht „sieht“ was passiert. Man ist dann auf Status-Meldungen vom Programmcode angewiesen. Von der Status-Meldung lässt sich aber nur selten auf eine Problemlösung schließen. Hier muss man etwas genauer hinschauen, um den Fehler zu finden, der sich nicht im Programmcode befinden muss.

Raspberry Pi Pico W: Troubleshooting WLAN

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