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IoT-Technologie

Warum Raspberry Pi 3B+ ideal für die Industrie ist

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CYW43455: Das große WLAN-/Bluetooth-Upgrade für Raspberry Pi

Der neue silberne, mit Raspberry Pi Logo versehene Chip ist auf der Platine unübersehbar. Das hier verwendete Chipset Cypress CYW43455 (ehemals BCM43455) wird von Linux – und damit Raspbian selbstverständlich unterstützt. Dank Hardware-Offloading für AES und das ältere TKIP werden die vier ARM Cores des Pi 3B+ entlastet und können sich auf andere Aufgaben konzentrieren. CYW43455 bietet WLAN nach dem IEEE 802.11ac-Standard, sowie volle Abwärtskompatibilität zu 802.11 a/b/g/n. Raspberry Pi 3B+ unterstützt somit nicht mehr nur wie frühere Modelle den 2,4-GHz-Bereich, sondern auch das 5-GHz-Band.

Vorteil des 5-GHz-Bands

Das 2,4-GHz-Band (ISM - steht für Industrial, Scientific and Medical) ist dank seiner weltweiten Verfügbarkeit mit sehr vielen Anwendern gesättigt. Von der Mikrowelle über DECT für tragbare Telefone bis hin zu Garagentüröffnern, Babyphonen und Bluetooth tummeln sich hier einfach zu viele potenzielle andere Störquellen.

Das 5-GHz-Band – ebenfalls weltweit verfügbar – ist eine hervorragende Alternative. Es bietet sogar physikalisch bedingt höhere Geschwindigkeiten, allerdings dafür eine kürzere Reichweite: die 5-GHz-Signale kommen nicht so gut durch Wände und Decken wie 2,4 GHz. Nicht alle Router (bspw. ältere Fritz!Boxen) unterstützen allerdings den neuen 802.11ac-5-GHz-Standard.

Der reale Datendurchsatz liegt bei rd. 170 MBit/s

Aber genug zu den technischen Details: Sie als Leser interessiert sicherlich insbesondere die tatsächliche maximal mögliche Funk-Durchsatzrate. Dazu zunächst einige theoretische Ausführungen: Der CYW43455 unterstützt einen single spatial stream (1 x 1) für eine Datenrate von bis zu 433,3 Mbps (PHY brutto Datenrate), beim Einsatz von WLAN 802.11ac. Er unterstützt dabei 20/40/80 MHz WLAN-Funk-Kanäle mit optionaler SGI (short guard interval).

80-MHz-Kanäle wurden im 802.11ac-Standard neu eingeführt. Hier gilt: je mehr Breite des Kanals, desto mehr Durchsatz. Theoretisch unterstützt 802.11ac bis zu 160-MHz-Kanalbreite, jedoch gibt es noch kaum Geräte dafür am Markt, und der RPi könnte davon sowieso nicht profitieren. Das Guard Interval dient dazu, damit nicht mehrere unabhängige Sender sich gegenseitig stören – bei SGI wird, wie der Name schon sagt, weniger lang auf andere Sender gewartet, und damit können mehr Bits pro Millisekunde übertragen werden.

Die WLAN-Standards bieten, bereits ab 802.11n die Möglichkeit, mehrere räumlich getrennte Antennen (spatial streams) zu verwenden. So lassen sich vom selben Gerät mehrere Datenströme gleichzeitig zum Empfänger senden, der das wiederum mit seinen Antennen gleichzeitig empfangen kann. Auch hier kann der Pi nicht davon profitieren, da nur eine Antenne verbaut wurde. Auf der Chip-Seite können wir also bis zu 433,3 Mbps schnell funken.

Der CYW43455 ist nun aber über SDIO (den im SoC verbauten Arasan eMMC Controller) an den SoC des Raspberry Pi 3B+ angebunden (der zweite, Broadcom SD Controller, unterstützt SDIO nicht und wird daher für die microSD-Karte genutzt). Der Arasan Controller unterstützt nach Spezifikation das SDIO v3.0 Interface.

Der Arasan eMMC SDIO läuft normalerweise (auf dem Pi 3B) mit 41,6 MHz. Bei einer Übertragung von 4 Bits gleichzeitig erzielt man damit (brutto) 166,4 MBit/s. Falls DDR unterstützt wird, dann 332,8 MBit/s.

Anscheinend ist es (aufgrund von Clock-Settings / Dividern, etc.) nicht möglich, den Arasan mit 50 MHz zu takten. Der nächstmögliche, wenn überhaupt noch stabile Sprung ist auf 62,5 MHz. Damit erhalten wir bei 4 Bit Breite 250 MBit/s, und bei DDR 500 MBit/s. Bei ca. 166,4 MBit/s Durchsatz dürfte Pi 3B+ am Limit sein. Vielleicht können einige Pis auf bis zu 250 MBit/s Durchsatz gepusht werden. Gegenüber dem Pi 3 Model B (72,2 MBit/s WLAN Durchsatz nach 802.11n brutto Maximum) ist das auf jeden Fall bereits eine Verdoppelung der Datenrate. Mit dem weniger dicht besiedelten 5-GHz-Band kann diese Datenrate zudem auch besser ausgeschöpft werden.

Der große Vorteil dieser Anbindung über den SDIO ist, dass der WLAN-Teil des Pi 3B+ vom USB Port unabhängig ist. Damit kann für Selbstbau-Router-Projekte, etc. mehr Bandbreite ausgeschöpft werden. Auch unsere Anonymebox (Tor-basierende Plug & Play Anonymisierungslösung) profitiert davon. Im echten Leben können wir wohl mit bis zu 102 MBit/s netto Durchsatz im 5-GHz-Band rechnen (Zahlen von Milhouse, dem LibreELEC Entwickler). Das spricht für den Arasan SDIO Port als Flaschenhals.

Interessanterweise wurde wie beim Pi Zero W auch eine Proant-PCB-Antenne verbaut. Dadurch soll ebenso eine etwas bessere Performance (Durchsatz + Reichweite) im 2,4-GHz-Bereich erreicht werden als beim Pi 3.

Vorzertifiziertes WLAN-Modul für eigene Projekte

Weniger interessant für Hobby-Maker, dafür allerdings sehr interessant für Unternehmen ist das vorzertifizierte WLAN-Modul. Zusammen mit dem Compute Module 3 kann das Modul zukünftig leicht in eigene Projekte integriert werden. Denn durch die Abschirmung (mit dem Raspberry Pi Logo) konnte es als modulare Lösung zertifiziert werden.

Dank dieser bereits durch die Foundation erfolgten weltweiten Zertifizierung – die Unmengen an Geld und Zeit verschlungen hat – können andere Unternehmen jetzt Produkte auf Basis der Raspberry-Pi-Plattform herausbringen. Die Raspberry-Pi-Plattform steht natürlich nicht nur für guten Software Support, sondern auch für solides Engineering und gute Langzeitverfügbarkeit. So gibt die Raspberry Pi Foundation für den Raspberry Pi 3B+ erstmals eine Fertigungsgarantie bis 2023.

Damit können Unternehmen also eigene WLAN- und Bluetooth-fähige Lösungen entwickeln und so – gemäß Eben Upton – zehn Mal günstiger und schneller auf den Markt bringen. In den meisten Fällen wird nur eine Zertifizierung der nicht-Funkteile erforderlich sein.

Bluetooth 4.2: höhere Geschwindigkeit und Datensicherheit

Der Raspberry Pi 3B unterstützte noch Bluetooth 4.1; Mit dem CYW43455 meistert der Pi 3B+ jetzt auch Bluetooth 4.2, und damit natürlich weiterhin „Bluetooth Classic“ und Bluetooth LE (Low Energy). Bluetooth 4.2 verbessert für Bluetooth LE die Geschwindigkeit, den Datenschutz und die Datensicherheit (Stichworte: LE Privacy 1.2, LE Secure Connections, LE Data Length Extension). Die Bluetooth-LE-Daten-Pakete können zukünftig 2,5 x schneller verschickt werden, und die Pakete können jetzt bis zu 10 x mehr Daten enthalten im Vergleich zur vorigen Version.

Bluetooth 4.1 sieht bereits vor, dass Smart Devices leichter miteinander kommunizieren können, ohne einen Hub wie einen Computer oder ein Telefon nutzen zu müssen. Bluetooth 4.2 hebt dies jedoch auf eine komplett neue Ebene: Mit dem IPSP-unterstützten 6LoWPAN (Internet Protocol Support Profile / Low Power Wireless Personal Area Networks) soll das Internet Protokoll (IP) auf kleinen und leistungsschwachen Geräten unterstützt werden, um am Internet der Dinge (Internet of Things) teilhaben zu können. Leistungsschwache Geräte (Sensoren, Aktoren, vernetztes Haus, IoT) – Dinge, die normalerweise keinen Bildschirm haben, um ein WLAN-Passwort einzugeben. Dazu werden IPv6-Pakete für den direkten Internetzugriff genutzt.

Bluetooth Smart Internet Gateways (GATT) ist eine weitere Funktionalität, die einen Gateway ins Internet bereitstellt. Beispielsweise kann so ein Bluetooth-4.2-Sensor durch den Pi 3B+ als Gateway device Nachrichten schicken und empfangen.

Zum Thema Datenschutz: Bluetooth Beacons, die versuchen, Ihr Gerät zu tracken, müssen ab v4.2 erst explizit eine Erlaubnis von Ihnen bekommen. Und LE Secure Connections ist ein neuer Algorithmus für besonders sicheres Pairing von Bluetooth Geräten, der erst ab Bluetooth 4.2 verfügbar ist. Dadurch können zukünftig beispielsweise auch sicherheitskritischere Anwendungen wie automatisches Aufmachen der Wohnungstür durch den Raspberry Pi, besser abgesichert werden. Übrigens, die aktuellste Version ist Bluetooth 5, vorgestellt 2016. Doch diese Version wird von Raspberry Pi noch nicht unterstützt.

WLAN und Bluetooth sind auf dem CYW43455 in unabhängigen Hardwareeinheiten implementiert. Der Chip sorgt durch interne Verbindungen und "Absprache untereinander", sowie optimierte Empfangs-Algorithmen allerdings für eine friedliche und produktive Koexistenz.

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