Bluetooth, ZigBee und nanoNet – Friedlich miteinander?

Wie selbstverständlich nutzen wir heute das WLAN im Haus, die Handy- Freisprecheinrichtung mit Bluetooth, den drahtlosen Lichtschalter oder die Audio-Funkstrecke, die wir beim Discounter gekauft haben. Warum funktioniert das eigentlich? Und warum manchmal nicht? Hier gibt es Antworten auf diese Fragen.

Wie selbstverständlich nutzen wir heute das WLAN im Haus, die Handy- Freisprecheinrichtung mit Bluetooth, den drahtlosen Lichtschalter oder die Audio-Funkstrecke, die wir beim Discounter gekauft haben. Warum funktioniert das eigentlich? Und warum manchmal nicht? Hier gibt es Antworten auf diese Fragen.

INHALT:
Alle bei 2,4 GHz miteinander – geht das?
Testszenarien
Szenario für Bluetooth
Szenario für IEEE 802.15.4
nanoNET
Die Messkammer-Tests
Stör-Messungen im industriellen Umfeld
Welche ist die beste Funktechnik?
Linkbudget und Bitfehlerrate
Kanalnutzung in Funksystemen
Literatur
Autor

Kernproblem in der Wireless- Welt ist die Nutzung der recht spärlich verfügbaren Frequenzen für die unterschiedlichen Dienste. Betrachtet man die für universelle Anwendungen verfügbaren Frequenzbänder, so findet man für die weltweite Nutzung einen sehr schmalen Frequenzbereich um die 900 MHz und knapp 85 MHz bei 2,4 GHz sowie mit einigen Haken und Ösen ein Bereich zwischen 5 und 5,8 GHz. Die weiteren dieser lizenzfreien ISM- (Industrial, Scientific, Medical) bzw. SRD-Bänder (Short Range Devices) sind aufgrund der geringen verfügbaren Bandbreite für hochwertige Sprach- und Datendienste so gut wie nicht verwendbar – oder die Regulierungsbehörden haben sich noch nicht auf ein einheitliches Frequenzspektrum geeinigt. Die logische Konsequenz ist die möglichst effiziente Nutzung der spärlichen zur Verfügung stehenden Frequenzen.

Eines der wichtigsten Frequenzbänder ist das ISM-Band von 2,4 bis 2,4835 MHz, in dem sich viele Funkdienste „tummeln“.

Alle bei 2,4 GHz miteinander – geht das?

Aktuelle Technologien müssen einerseits koexistieren können, ohne sich gegenseitig zu stören, andererseits muss aber auch die Koexistenz mit bereits existierenden Technologien in bestehenden Frequenzbändern gesichert sein. Eine besondere Bedeutung hat dabei die Definition von Schutzabständen in Bezug auf Raum, Frequenz, Zeit und Sendeleistung sowie einer geeigneten Codierung. Aktuelle Untersuchungen beschäftigen sich übrigens mit der dynamischen und räumlich flexiblen Nutzung von Frequenzbändern und mit den unterschiedlichen Diversitätskonzepten. Doch wie sieht es bei den aktuellen Technologien aus? Können „Bluetooth und Co.“ konfliktfrei betrieben werden?

Auf den ersten Blick ist das natürlich theoretisch möglich. Doch gerade in dem dominant genutzten 2,4-GHz- ISM-Band herrscht eine dramatische Enge. Alle relevanten Funktechniken von Bluetooth über WLAN und Analog- Video-Funk bis hin zu ZigBee nutzen dieses Frequenzband. Die korrekte „Interoperabilität“ all dieser Techiken vorherzusagen, ist so gut wie unmöglich. Doch es gibt einige theoretische und praktische Aspekte, die man als Kriterien heranziehen kann. Im Folgenden werden beispielhaft für praktische Messungen und daraus resultierend auch für Parameterbeurteilungen die PAN-Funkverfahren (Personal Area Network) Bluetooth, IEEE 802.15.4 und „nanonet“ herausgegriffen. Sie unterscheiden sich zwar nicht im Frequenzbereich, jedoch wesentlich im Kanalzugriff. Die Messwerte stammen aus realen Tests, die im Rahmen von Projektarbeiten und praktischen Demonstrationen am Lehr- und Forschungsgebiet Softwaretechnik und Rechnernetze an der FH Bochum erarbeitet worden sind.

Beim Frequenzmultiplexing (Bild B) wird die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite in kleinere Subbänder unterteilt. Ein Übertragungskanal kann so einen Frequenzabschnitt über den gesamten Zeitraum nutzen. Das ist im besonderen für Broadcast- Medien von Vorteil, wie es sich z.B. bei analogem Radio wiederfindet. Der Nachteil liegt aber auch auf der Hand, denn es wird Bandbreite verschwendet, wenn die Belastung der Kanäle nicht gleichmäßig ist.

Ein weiteres klassisches Verfahren der Frequenzzuteilung ist das Zeitmultiplexing. In fest vorgegebenen oder rein zufälligen Zeitabschnitten steht den Kommunikationsteilnehmern der gesamte Kanal für einen Bruchteil der Zeit zur Verfügung. Der Vorteil liegt auf der Hand: In einem Zeitabschnitt ist nur ein Träger auf dem Medium, und auch bei einer hohen Teilnehmeranzahl bleibt der Durchsatz erhalten. Nachteilig erweist sich die notwendige Synchronisation der Teilnehmer.

Eine weitere, immer attraktivere Form ist das Codemultiplexing (Bild C). Hierbei ist eine Kommunikation zwischen Teilnehmern durch einen persönlichen Code charakterisiert. Die Teilnehmer können zur selben Zeit im selben Frequenzabschnitt senden, „fischen“ sich aber nur die Nachrichten heraus, die für sie bestimmt sind. Auch hier liegen die Vorteile auf der Hand: Es ist keine Koordination und Synchronisation erforderlich, die Bandbreiteneffizienz ist recht hoch. Aber erkauft werden diese Vorteile durch eine begrenzte Benutzerdatenrate und eine komplexe Signalaufbereitung. Realisiert wird das Codemultiplexing in den unterschiedlichen Spreiz-Spektrum-Verfahren.