Funkkommunikation Schmales Band für weite Strecken

Zum Übertragen von Messdaten, z.B. von elektronischen Verbrauchszählern, genügen Funkverfahren mit niedriger Datenrate. Mit Schmalband-Funkverfahren lassen sich bei niedriger Sendeleistung große Distanzen überbrücken – und Funknetze mit wenigen zentralen Vermittlungsknoten realisieren.

Die Übertragungsreichweite ist eine wichtige Größe bei der Funkkommunikation. In vielen Fällen ist sie sogar das Haupt-Entscheidungskriterium bei der Auswahl einer Funktechnik. Am Beispiel eines per Funk kommunizierenden Wasser- oder Gasverbrauchszählers lassen sich die typischen Anforderungen an die Funktechnik sehr gut darstellen, um die technischen Optionen für die Langstrecken-Funkkommunikation zu erläutern. Die Aspekte lasen sich auch auf die meisten anderen Arten batteriebetriebener Funkknoten übertragen. Wasser- und Gasverbrauchszähler, häufig als Durchflussmesser bezeichnet, werden mit Batterien betrieben und müssen in der Regel eine Betriebsdauer von 10 bis 20 Jahren erreichen, was die Auswahl der zur Kommunikation in Frage kommenden Netzwerkarchitekturen stark einschränkt. Um eine so lange Batterielebensdauer garantieren zu können, nutzen solche Verbrauchsmessgeräte meist ein Netzwerk mit Sternstruktur. In einer anderen Netzform, z.B. vermaschtes Netz, müssten einzelne Zähler zusätzlich als Repeater bzw. Router arbeiten. Dies würde eine Dimensionierung der Batterie und die Planung der Batterielebensdauer nahezu unmöglich machen, da die Einsätze und Betriebszeiten als Repeater/Router vom Ausbau des Netzwerkes, dem Installationsort und dem jeweiligen Übertragungskanal abhängen.

In der Praxis besteht ein Zähler-Netzwerk aus vielen Zählern und wenigen Vermittlungsknoten, die die Daten mehrerer Zähler sammeln. Ein Vermittlungsknoten ist meist teurer als ein Zähler, da die geringeren Stückzahlen die Verwendung von aufwändigeren Funkschaltungen, z.B. Software-Defined Radio, von LNAs (Low-Noise Amplifiers) mit höherer Stromaufnahme, von besserer Antennentechnik sowie von Oberflächenwellenfiltern usw. zulassen. Um ein großes Areal abdecken zu können, muss der Vermittlungsknoten außerdem an einem funktechnisch günstigen Ort platziert werden. Da für Standorte von solchen Basisstationen meist hohe jährliche Nutzungsgebühren zu entrichten sind, wird versucht, mit möglichst wenigen Vermittlungsknoten auszukommen. Für ein sternförmiges Netzwerk werden umso weniger Vermittlungsknoten benötigt, je größer die Übertragungsreichweite ist.

Schmalband-Technik oder Codierungsgewinn

Für eine bestimmte Ausgangsleistung, deren Obergrenze häufig staatlich geregelt ist, wird die Reichweite einer Funkverbindung durch die Datenrate bestimmt: Je niedriger die Datenrate ist, umso größer ist die Reichweite – wegen der höheren Empfindlichkeit des Empfängers. Hier gilt es jedoch abzuwägen, denn sehr niedrige Datenraten erfordern längere Übertragungszeiten, was die Batterielebensdauer wiederum beeinträchtigt. Sehr lange Datentelegramme erhöhen zudem die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Interferenzen bzw. Kollisionen mit anderen Funksystemen kommt. In der Praxis arbeiten Funksysteme mit großer Reichweite deshalb mit einer eher geringen Datenrate von meist nur ca. 1 kbit/s, um ein optimales Verhältnis zwischen Reichweite und Übertragungszeit zu erzielen. Die Schmalband-Funktechnik mit angemessen niedriger Datenrate ist in der Industrie allgemein akzeptiert, um eine große Reichweite zu erzielen, da sie einen optimalen Kompromiss zwischen großer Reichweite und kurzen Übertragungszeiten erlaubt.

Als Schmalband-Funk werden Funktechniken mit einer Bandbreite von weniger als 25 kHz bezeichnet. Sie zeichnen sich durch eine sehr hohe Leistungsübertragungsbilanz aus, da das In-Band-Empfängerrauschen gering ist – schmalbandige Filter im Empfänger entfernen einen Großteil des Rauschens. Üblich ist ein Kanalabstand von 12,5 kHz mit einer Empfängerbandbreite von 10 kHz. Sie werden z.B. von Polizei- und Sicherheitskräften sowie für Seefunk und Notrufe eingesetzt. Ein weiteres Beispiel ist der auf einer Frequenz von 169 MHz arbeitende „wireless M-Bus“-Standard (wM-Bus) für Verbrauchszähler in Europa [1]. Für den wM-Bus wurde die Schmalband-Funktechnik mit 169 MHz gewählt, um Wasser- und Gaszähler mit maximaler Funkreichweite auszustatten, sodass nur sehr wenige Vermittlungsknoten für die Netzwerke fest zu installieren sind. Wie bereits erwähnt, bestimmt die Datenrate die Reichweite.

Eine Alternative zur Schmalband-Funkkommunikation ist die breitbandige Funkkommunikation mit hoher Datenrate plus Codierungsgewinn. Die Nutzung des Codierungsgewinns verbessert weder die Empfindlichkeit noch die Übertragungsreichweite. Es handelt sich lediglich um eine andere Art, die Daten darzustellen. Bei gleicher Netto-Datenrate bzw. gleichem Durchsatz erreichen Schmalband-Funksysteme und Funkverfahren mit Codierungsgewinn ähnliche Reichweiten. Dies lässt sich am besten an einem Beispiel zeigen.

Ein wichtiger Parameter von Funksystemen ist die Bandbreite (B). Sie ist ein wichtiger Faktor für die Festlegung des Eigenrauschens des Übertragungssystems:

PdBm = –174 + 10 × log (B).

Der Wert –174 dBm ist das thermische Eigenrauschen bei Zimmertemperatur und einer Bandbreite von 1 Hz. Das Eigenrauschen nimmt also mit der Bandbreite zu. Mit Hilfe der Gleichung lässt sich das Eigenrauschen für verschiedene Kanalbandbreiten bestimmen:

  • 1-MHz-Kanal:
    PdBm = –174 + 10 × log (1 MHz) = –114 dBm
  • 100-kHz-Kanal:
    PdBm = –174 + 10 × log (100 kHz) = –124 dBm
  • 10-kHz-Kanal:
    PdBm = –174 + 10 × log (10 kHz) = –134 dBm


Eine Verzehnfachung der Bandbreite führt zu einer Anhebung des Eigenrauschens um 10 dB. Um nun die Reichweite eines Schmalband-Funksystems – 12,5 kHz Kanalabstand, 10 kHz Bandbreite – zu erreichen, ist bei einem Funksystem mit 100 kHz Bandbreite ein Codierungsgewinn von 10 dB und bei einem Funksystem mit 1 MHz Bandbreite ein solcher von 20 dB erforderlich. Dieses Beispiel zeigt, dass der Codierungsgewinn keine Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber einer Schmalband-Funkübertragung bewirkt. Es handelt sich, wie erwähnt, nur um eine andere Art, die Daten darzustellen.

Die Anhebung des Codierungsgewinns hilft nicht. Entweder muss dann die Netto-Datenrate reduziert werden oder die Bandbreite ist zu vergrößern. Dieser grundlegende Zusammenhang sollte verstanden werden, wenn die Vor- und Nachteile der jeweiligen Funktechniken für große Reichweiten gegeneinander abgewogen werden müssen.