Welches Frequenzband soll es sein?
Funktechnologien im Vergleich
Bei der Auswahl einer optimalen Funktechnologie spielen unterschiedliche Faktoren eine Rolle: Zum einen die konkreten Anwendungen und Geschäftsprozesse, die durch drahtlose Kommunikation unterstützt werden sollen. Zum anderen aber auch Umgebungsbedingungen wie elektromagnetisches Rauschen, Signalreflexionen an Hindernissen (Multipath Fading) sowie andere Anwender, die den gleichen Kanal oder Nachbarfrequenzen nutzen. Neben richtiger Systemdimensionierung geht es immer auch darum, die Verfügbarkeit und Sicherheit für businesskritischen Datenverkehr zu gewährleisten. Der Beitrag stellt die Vor- und Nachteile von 2,4-GHz-Systemen (gemäß IEEE 802.11) und Schmalbandfunk gegenüber.
Geschäftskritische Prozesse, zum Beispiel in der Logistik, sind auf absolute Zuverlässigkeit des
jeweils genutzten Kommunikationskanals angewiesen. Der Warenfluss hängt direkt vom Datenfluss ab.
Im Funknetz müssen die Signale also zunächst einmal bei jedem zu versorgenden Endgerät in
ausreichender Qualität ankommen.
Elektromagnetisches Rauschen
Elektromagnetisches Rauschen ist auf jeder Frequenz vorhanden. Im Wireless LAN gilt: Je größer
die Anzahl der Nutzer, desto höher ist der Grad der "Verschmutzung", mit der Endgeräte fertig
werden müssen. Die ISM-Frequenzen (Industrial, Scientific, Medical) zwischen 2400 und 2483,5 MHz
gelten als am meisten "verschmutzte" Frequenzbereiche. Ursache dafür ist der sprunghafte
Nutzungsanstieg von WLANs, aber auch von Mikrowellengeräten, Industrieheizungen mit 2,4 GHz sowie
Mikrowellenrichtfunk. Untersuchungen in den USA belegen, dass der durchschnittliche Rauschpegel
sogar in ländlichen Gebieten den Empfindlichkeitspegel eines Funkgeräts von -90 dBm (Leistungspegel
bezogen auf 1 mW) deutlich überschreitet (Studie von Do, Akos und Enge, 2003).
Im Vergleich dazu zeigt der NTIA-Report 02-300, dass handelsübliche Schmalbandempfänger mit
einer Rauschbandbreite von 10 kHz das elektromagnetische Rauschen im 400-MHz-Band selbst in Städten
prob-lemlos abfangen, dass ihre Reichweitenleistung also nicht beeinträchtigt wird. Diesem Beispiel
zufolge ist ein 2,4-GHz-Datenfunkgerät in ländlicher Region einer etwa 100.000mal höheren
Rauschstärke ausgesetzt als ein 400-MHz-Schmalbandgerät im städtischen Raum.
Obwohl das IEEE 802.11-Spektrum einen hohen Rauschpegel aufweist, stehen mit DSSS (Direct
Sequence Spread Spectrum) leistungsfähige Verfahren zur Verfügung, die speziell für einen Betrieb
in rausch- und störintensiven Umgebungen entwickelt wurden und die sich durch verbesserte Resistenz
gegen Interferenzen und Störsignale auszeichnen. Erreicht wird dies zum Beispiel durch das Spreizen
des Signals über eine große Bandbreite hinweg. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass das
Signal den richtigen Empfänger erreicht. In jedem Fall sollte Umgebungsrauschen im Vorfeld von
WLAN-Planungen berücksichtigt werden, um Zeit und Kosten für nachträgliche Problembeseitigungen zu
vermeiden.
Multipath Fading
Multipath Fading oder Vielfachausbreitung tritt immer dann auf, wenn mit dem direkten Signal
zugleich ein unerwünschtes, reflektiertes Signal beim Empfänger eintrifft. Reflexion meint hierbei
das "Abprallen" des Signals an einem metallischen Gegenstand. Metall stellt für elektromagnetische
Wellen eine undurchdringliche Barriere dar, etwa Transportcontainer, Metallregale, aber auch Wände
aus Stahlbeton.
Gerade bei höheren Frequenzen wird dieses Phänomen für Anwender wahrnehmbar, zum Beispiel als so
genannter Funkschatten. Das erwünschte Signal wird durch eine phasenverschobene, umgekehrte Version
des Ursprungssignals überlagert. Im schlimmsten Fall löscht die reflektierte Welle das Original
aus. Da bei höheren Frequenzen die Wellenlängen kürzer sind, liegen hier auch die räumlichen
Aufhebungspunkte näher beieinander.
Die effektivste Methode, um unerwünschte Effekte von Multipath Fading in 2,4-GHz-Umgebungen
entgegenzuwirken, ist die so genannte Antenna Diversity, zu Deutsch etwa Antennenvielfalt. Dabei
werden jeweils zwei Antennen im Abstand eines Vielfachen des Viertels der Wellenlänge angeordnet.
Ziel ist es, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass eine Antenne in einem Funkschatten
positioniert ist. Bei Schmalbandsystemen ist dieses Verfahren nicht erforderlich. Denn Wellen
niedriger Frequenz können Materialien einfacher durchdringen, sodass Multipath Fading generell
seltener auftritt. Zudem sind Fading-Muster beim Schmalband "weicher" und verursachen daher kaum
Probleme.
Interferenzen
Das 2,4-GHz-ISM-Band ist in fast allen Industriestaaten lizenzfrei. Anwender müssen sich deshalb
darauf einstellen, dass ihr Betrieb durch neu hinzukommende Interferenzquellen gestört werden kann.
Weder die Standards IEEE 802.11b und g noch die US-amerikanische Zulassungsbehörde für
Kommunikationsgeräte FCC oder andere weltweit verbindliche Normen fordern die Fähigkeit eines
2,4-GHz-Empfängers zur korrekten Signaldekodierung bei konkurrierender Übertragung mehrerer
Teilnehmer auf demselben oder einem benachbarten Frequenzband. Stattdessen verlangen
Regulierungsbehörden, dass 802.11-Bänder auf ein niedrigeres Leistungsniveau als im Schmalband
begrenzt bleiben. Damit sollen wechselseitige Interferenzen benachbarter Netze verringert
werden.
Schmalbandsysteme sind meist so konzipiert, dass sie die europäische Norm EN 300 113 für
privaten Mobilfunk erfüllen. Auf Basis dieser Norm regeln nationale Behörden dann
leistungsrelevante Faktoren wie Empfindlichkeit oder Nachbarkanal- und
Gleichkanalstörunterdrückung. Was den korrekten Signalempfang angeht, ist die Norm für
Schmalbandfrequenzen wesentlich strenger. In den meisten EU-Ländern können sich Funkteilnehmer
zudem durch Lizenzierung von Frequenzen schützen. Meist ist für die Zuweisung eines HF-Kanals
lediglich eine geringe Gebühr zu entrichten. Treten in der Folge dennoch Interferenzen auf, ist die
zuständige Behörde für die Beseitigung der Störung verantwortlich. Sie unterbindet beispielsweise
unbefugten Funkbetrieb.
Störende Effekte vermeiden
Eine Garantie für interferenzfreien Funkbetrieb gibt es in der Praxis nicht. Wohl aber eine
Reihe von Maßnahmen, um störende Effekte zu vermeiden. Im WLAN nutzt DSSS wiederum
Signalspreiztechniken sowie Leistungsbegrenzungen, um die Ausbreitung von Signalen auf benachbarte
Standorte einzuschränken. Zudem versuchen erfahrene Anwender, Signale so zu lenken, dass sie das
eigene Firmenareal nicht verlassen. Das erhöht die Sicherheit, und das wertvolle HF-Signal bleibt
für den nutzbaren Bereich erhalten. Bei Schmalbandsystemen ist Lizenzerwerb ein probates Mittel zum
Schutz vor Interferenzen.
Standardisierung und Sicherheit
Die Standardisierung von IEEE- 802.11-Funknetzen hat zu einem sprunghaften Anstieg der Nutzer-
und Gerätezahlen geführt, was für die Sicherheit der Kommunikation eine ernste Herausforderung
bedeutet. Preisgünstige Technik und das nötige Know-how stehen prinzipiell auch Hackern zur
Verfügung. Darauf haben Standardisierungsgremien mit einer Reihe von Techniken reagiert, darunter
der WiFi Protected Access (WPA), IEEE 802.11i und der Advanced Encryption Standard (AES). IEEE
802.1X liefert zudem ein leistungsfähiges Authentifizierungsprotokoll, bei dem allerdings RADIUS
(Remote Authentication Dial-In User Service) und eine Nutzerdatenbank auf einem Backend-Server
installiert und gepflegt werden müssen. Darüber hinaus müssen WLAN-Administratoren zusätzliche
Vorkehrungen gegen so genannte Rogue Access Points treffen.
Schmalbandnetze stellen weit geringere Anforderungen hinsichtlich Sicherheit. Denn meist sind
mobile Datenkommunikationsgeräte individuell auf ein Unternehmen zugeschnitten. Auch sind die
Modulationsverfahren proprietär, weshalb Signale von fremden Endgeräten nicht aufgelöst werden
können, selbst wenn diese auf gleicher Funkfrequenz senden oder empfangen.
Zusätzliche Sicherheit
Der hierarchische Aufbau von Schmalbandnetzen ähnelt demjenigen heute verbreiteter
Switch-basierender IEEE- 802.11-Netze: Sämtliche Daten müssen durch einen Switch oder über einen
Controller fließen. Damit lässt sich zum einen kontrollieren, wohin Datenpakete gesendet werden.
Zum anderen kann ein weiterer Kompressionsgrad hinzugefügt werden. Das macht nicht nur die
Bandbreitennutzung effizienter, sondern bringt auch zusätzliche Sicherheit. In einem
Schmalbandsystem haben dann nur Anwender mit speziell konfiguriertem Datenterminal Zugang zum Netz.
In der Praxis lässt sich demnach sowohl für Schmalband- als auch für Breitbandfunknetze ein
hinreichend hohes Sicherheits-Level für den Transport geschäftskritischer Daten etablieren.
Datendurchsatz, Funkabdeckung, Leistung
Zahlenmäßige Kapazitätsangaben allein sagen relativ wenig darüber aus, wie effizient die
verfügbaren Übertragungskanäle ausgenutzt werden. Über kurze Distanzen hinweg lassen sich auch bei
limitierter Bandbreite hohe Übertragungsraten erzielen. Sollen bandbreitenintensive Anwendungen
jedoch über größere Entfernungen hinweg bereitgestellt werden, muss entweder die Senderleistung
drastisch erhöht oder die Daten stärker komprimiert werden. Für anspruchsvolle Applikationen mit
großen Datenmengen kommen zweifellos nur Breitbandfunknetze in Frage. Zu beachten ist jedoch, dass
mit zunehmendem Durchsatzvolumen auch die Anzahl der notwenigen Access Points steigt. Im
2,4-GHz-Frequenzspektrum kann ein einzelner Access Point mit einem Durchsatz von 2 MBit/s Areale
mit einem Durchmesser von bis zu 80 Metern abdecken. Bei einem Durchsatz von 54 MBit/s sind es
dagegen kaum mehr als 20 Meter. In der Praxis sind 54 MBit/s allerdings sehr selten tatsächlich
erforderlich.
Die meisten Logistikapplikationen laufen heutzutage mit 802.11b-Geschwindigkeiten. Die
Funkabdeckung liegt typischerweise im Bereich um 2 MBit/s, der tatsächliche Netto-Datendurchsatz
eher bei 1 MBit/s. Auch mit 2 MBit/s ist ein WLAN gemäß IEEE 802.11b noch hundertmal schneller als
Schmalbandfunk, dessen Höchstgeschwindigkeit bei 19,2 kBit/s liegt. Gleichwohl bietet Schmalband
für etliche Einsatzszenarien eine technisch und wirtschaftlich sinnvolle Alternative zum WLAN.
Sinnvolle Alternative zum WLAN
Bei Logistikapplikationen geht es oftmals um Transaktionen, bei denen maximal einige hundert
Byte gleichzeitig übertragen werden müssen, zum Beispiel Barcodes, Standortinformationen oder
Produktnummern. Zudem lässt sich die begrenzte Bandbreite durch Datenkompression effizient
ausnutzen, und per Zeitschlitzverfahren kann für mehrere mobile Geräte die erforderliche Bandbreite
garantiert werden. Mit Controller-basierter Emulation lassen sich im Schmalbandnetz unschwer
Reaktionszeiten von unter einer Sekunde realisieren – trotz des (im Vergleich zum WLAN) geringen
Durchsatzes.
Geringere Investitionskosten für das Funknetz
Wie erwähnt, ist die Sendeleistung im lizenzfreien 2,4 GHz-Frequenzband auf 100 mW limitiert.
Schmalbandsysteme arbeiten dagegen mit bis zu 1 Watt (in Deutschland bis zu 500 mW) und erzielen
daher höhere Reichweiten. Das heißt insbesondere: geringere Investitionskosten für das Funknetz.
Denn die Versorgung einer gegebenen Fläche kommt mit einem Bruchteil der Basisstationen aus, wie
sie für Breitbandabdeckung erforderlich wäre. Im Gegenzug ist bei Schmalbandendgeräten auf
leistungfähige Akkus zu achten. Hier können intelligente Übertragungsprotokolle helfen,
energieintensive Datentransfers zu minimieren, sodass genügend Akkukapazität für einen ganzen
Arbeitstag vorhanden ist.
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