Zuverlässige Funkkommunikation für die Automatisierungstechnik Die Kraft der drei Antennen

Die funkbasierte Automatisierung ist den Kinderschuhen entwachsen, und mittlerweile werden viele Übertragungsaufgaben drahtlos realisiert. Doch immer wieder taucht die Frage auf...

Zuverlässige Funkkommunikation für die Automatisierungstechnik

Die funkbasierte Automatisierung ist den Kinderschuhen entwachsen, und mittlerweile werden viele Übertragungsaufgaben drahtlos realisiert. Doch immer wieder taucht die Frage auf, ob die eingesetzte Funktechnik, die ja sehr oft aus der Konsumelektronik stammt, wirklich das hält, was versprochen wurde. Und so sind Optimierungsmöglichkeiten, wie hier gezeigt, sehr wohl möglich.

Betrachtet man die aktuellen Trends in der Funkkommunikation für industrielle Anwendungen, so ist eine interessante Wendung festzustellen. Anfang des jetzigen Jahrhunderts kamen viele unterschiedliche Funktechnologien auf den Markt und suchten sich ihren Platz in der Konsumelektronik-Industrie. WLAN und Bluetooth haben seitdem eine grandiose Erfolgsgeschichte mit etlichen hundert Millionen Einheiten hingelegt. Dass hier die Begehrlichkeiten der Industrie nach der „Freiheit vom Kabel“ wuchsen, ist selbstverständlich.

Konsumelektronik-Funk nur begrenzt tauglich für industrielle Anwendungen

Um an den Vorteilen des Massenmarkts mit den hohen Stückzahlen zu partizipieren, wurden relativ schnell von diversen Firmen Funksysteme auf Basis von Konsumelektronik-Produkten angeboten. In etlichen Fällen blieben die Ergebnisse deutlich hinter den Erwartungen zurück, und es zeigt sich immer wieder, dass die Anforderungen des Konsumelektronik-Marktes nicht mit denen der Automatisierungstechnik oder generell mit technischen Anwendungen korrespondieren. Auch Funktechnologien, die beispielsweise für die Gebäudeautomation entwickelt wurden, wie ZigBee & Co, erreichen häufig nicht die gestellten Anforderungen in der Automatisierungstechnik. Bild 1 zeigt hierzu ergänzend eine Roadmap zur Entwicklung der nächsten Generationen industrieller Funklösungen.

Um die Probleme der ersten Generation zu überwinden, arbeitet man aktuell an der zweiten Generation der Funktechnologien. Aus Kostengründen wird in der Regel immer noch auf HF-Komponenten aus der Konsumelektronik zurückgegriffen, da sich die Entwicklung eines industrietauglichen HF-Transceivers aufgrund des Abnahmevolumens derzeit nicht amortisiert. Im Gegensatz dazu werden Erweiterungen bzw. Modifikationen an den analogen Vorschaltkomponenten, z.B. Low Noise Amplifier, und an den Protokollstacks in vielen Funklösungen vorhanden sein. Insofern können zukünftige industrielle Funklösungen durch das damit verbesserte Übertragungsverhalten neue Anwendungsbereiche der industriellen Kommunikation erschließen. Heute findet man die im Folgenden genannten wesentlichen Optimierungsformen.

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Durch mehrere Antennen stehen mehrere „Kopien“ des Ursprungssignals zur Verfügung, die über unterschiedliche Wege zum Empfänger gelangt sind (Bild A). Bei einer geeigneten Antennenanordnung muss man die Signale nur noch richtig kombinieren, um ein optimales Signal zu erhalten. Je mehr Antennen (L), desto besser das resultierende Signal. Doch ganz so einfach ist das nicht. Werden die Signale kombiniert, sind Phasenlage und Signalstärke von Bedeutung. Bei Auswahlverfahren benötigt man also ein starkes Kriterium für die Auswahl. Hier die verschiedenen Verfahren:

Switched Combining (SC)

Dies ist die einfachste Diversitätstechnik. Bei SC wird so lange nur über eine Antenne empfangen, bis der Empfangssignalpegel einen vordefinierten Schwellwert unterschreitet. In der Praxis könnte prinzipiell diese Grenze durch die Empfängerempfindlichkeit vorgegeben sein. Wird der Grenzwert unterschritten, erfolgt die Umschaltung auf eine andere Antenne. SC ist der einfachste Algorithmus, der mit wenig Aufwand auch in analoger Hardware zu realisieren ist. Gleichzeitig bietet er aber auch nur einen mäßigen Gewinn.