Industrial Wireless Funkstandards für Sensornetzwerke

Kabellose Sensornetzwerke tatsächlich Standard? oder bleiben sie Funksysteme
Kabellose Sensornetzwerke tatsächlich Standard? oder bleiben sie Funksysteme

Es gibt kaum noch einen Bereich im Lebensumfeld, der sich funkender Systeme und Geräte entziehen kann. Doch wie sieht es mit dem tatsächlichen Wireless-Einsatz in der Industrieelektronik und Automatisierungstechnik aus? Sind hier kabellose Sensornetzwerke tatsächlich Standard? Oder bleiben Funksysteme speziellen Anwendungen vorbehalten?

Historisch betrachtet [1] [2] wird seit den 1980er Jahren an der Entwicklung autarker selbstorganisierender Netzwerke gearbeitet. Vielfach entstammen die Ideen und Szenarien aus der militärischen Forschung, was nicht zuletzt der amerikanischen Forschungslandschaft geschuldet ist, die sich in wesentlichen Teilen aus den Mitteln der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) finanziert. Ausgehend von den Erfahrungen des Arpanet, dem Vorgänger unseres Internet, war es stets das Ziel, selbstorganisierende und infrastrukturfreie Netzwerke zu schaffen, die sich dynamisch konfigurieren können.

Frequenzbänder dicht belegt

Durch die fortschreitende Entwicklung in der Mikroelektronik (Prozessorleistung und Speicherdichte), der Software-Technik sowie der Mechatronik zum Ende des 20. Jahrhunderts wurden erstmals miniaturisierte hocheffiziente Sensornetzwerke, sogenannte MEMS (Microelectromechanical Systems), mit integrierter Energieversorgung und Funkkommunikation möglich [3]. Allgemein versteht man unter einem WSN (Wireless Sensor Network) ein drahtloses Netzwerk aus verschiedenen autarken Sensoreinheiten, die physikalische Parameter in einem räumlichen Umfeld erfassen und über ein Gateway zur Verfügung stellen.

Die Zulassung von Funkprodukten ist damit auch ein zentrales Thema bei Sensornetzen. Da Funk Ländersache ist, darf jedes Land seine eigenen Anforderungen definieren. Glücklicherweise hat die ITU (International Telecommunication Union), eine NGO und Sonderorganisation der Vereinten Nationen, sich dieses Themas angenommen und die Welt in drei unterschiedliche ITU-Gruppen eingeteilt, wobei man sich innerhalb der Gruppen und auch übergreifend um eine Harmonisierung der Frequenznutzung kümmert.

 Frequenzband Typ*) Bemerkung, Anwendung
13,56 MHzBSRD, RFID in den meisten Ländern
27 MHzBSRD in vielen Ländern
40 MHzBSRD in vielen Ländern
220 MHzBChina
315 MHzBDiv. Länder, nicht in ITU-Region 1**)
433 MHzASRD in vielen Ländern
868 MHzBnur in ITU-Region 1 **)
912 MHzBnur in ITU-Region 1 **)
2,4 GHzBWeltweit harmonisiert
5,7 GHzBWeltweit harmonisiert
24 GHzBIn vielen Ländern
Tabelle der ISM- und SRD-Frequenzbänder für universelle Anwendungen. *) Typ A: Anwendungen brauchen Genehmigung der jeweils regionalen Autoritäten. Diese können Einschränkungen z.B. in Bezug auf kooperative Funkprotokolle enthalten. Typ B: Genehmigungsfrei, Anwendungen müssen jedoch mit Störungen jeder Art zurechtkommen. **) ITU-Region 1: Europa, Afrika, Nachf. UdSSR; ITU-Region 2: Nord- und Südamerika.

Möchte man weltweit Produkte auf den Markt bringen, so hilft hier nur der Blick auf gemeinsam genutzte Frequenzbereiche (Tabelle). Und die reduzieren sich weitestgehend auf das 2,4-GHz- und das 5,7-GHz-Band.

Da das Ausbreitungsverhalten in den niedrigeren Frequenzbereichen freundlicher ist, reduziert sich die Anwendung nahezu auf das 2,4-GHz-Band. Daneben sind unterschiedliche Frequenzbereiche für spezifische Anwendungen in den jeweiligen Ländergruppen vorgesehen.

Die Konzentration auf das 2,4-GHz-ISM-Band schafft auf der einen Seite eine hohe Verbreitung, auf der anderen Seite ist das gegenseitige Beeinflussungspotenzial erheblich (Bild 1).

Angefangen bei Bluetooth über WiFi (IEEE 802.11) bis hin zu diversen anderen Funktechniken wie ZigBee, IEEE 802.15.4 und WirelessHART (Kasten „Technologie konkret – WirelessHART“), aber auch proprietäre Funkstrecken für Videoübertragung von Fahrzeugrückfahrkameras und Sicherheitssysteme nutzen dieses Frequenzband.

Kasten: Technologie konkret – WirelessHART 

Kabellose Systeme haben gerade in der Prozessindustrie ein großes Potenzial. Deshalb hat sich hier der WirelessHART-Standard IEC 62591 etabliert. Mit mehr als 16.400 Netzwerken mit mehreren 100.000 Knoten und über 2,7 Milliarden Betriebsstunden kann nicht mehr von einer Nischentechnologie gesprochen werden [7]. Die Messstellen sind nicht so kostensensitiv wie in der Produktionsautomation, so dass der Installations- und Wartungsvorteil einen deutlich schnelleren ROI ermöglicht. Darüber hinaus setzt gerade die Anlagenüberwachung nicht unbedingt eine 100%ige Verfügbarkeit voraus, so dass ein verspätet, aber rechtzeitig erkannter Fehler immer noch eine deutliche Verbesserung gegenüber keiner Überwachung darstellt. Bild a gibt hierzu eine Auswahlhilfe.

WirelessHART nutzt ein zeitsynchronisiertes Mesh-Protokoll (TSMP), welches ein redundantes Routing von Nachrichten über alle Kommunikationsknoten hinweg zu einem oder mehreren Gateways ermöglicht. Als Basis wird die Funktechnik nach IEEE 802.15.4 im 2,4-GHz-Band mit einem Frequency Hopping auf 15 Kanälen verwendet. Durch die prinzipbedingt redundanten Kommunikationswege und die Möglichkeit, redundante Gateways einzusetzen, kann neben einer hohen Verfügbarkeit auch eine große Robustheit erreicht werden. Die Nutzung des weltweit harmonisierten 2,4-GHz-ISM-Band ermöglicht einen weltweiten Einsatz der Komponenten.

WirelessHART-Systeme suchen unterschiedliche Pfade zu den Gateways. Die Daten werden über die Pfade redundant übertragen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass auch bei gestörten Einzelverbindungen die Datenpakete zuverlässig zum Empfänger transportiert werden. Ein Gateway kann bis zu 99 Sensoren verwalten. Sind mehr Sensoren notwendig, können mehrere Gateways zur Steigerung der Kommunikationsleistung und der Ausfallsicherheit genutzt werden.

Gerade in explosionsgefährdeten Bereichen haben Funksysteme entscheidende Vorteile gegenüber konventioneller Kabeltechnik (Bild b). Die geringe Sendeleistung von 10 mW hält deutlich Abstand zu der maximal zulässigen Strahlungsleistung gemäß EN 60079-0:2010-03 von bis zu 2 W. Bei einer geeigneten Auslegung der Spannungsversorgung, beispielsweise durch entsprechend gekapselte Batterien, sind eine einfache Installation und ein sicherer Betrieb gewährleistet.

Ob eine Beeinflussung der Kommunikation durch unterschiedliche Systeme stattfindet, hängt nicht von der Frequenz, sondern der tatsächlichen Nutzung und dem implementierten Zugriffsverfahren ab. Unter tatsächlicher Nutzung versteht man die zeitabhängige Belegung der Kommunikationsschnittstelle (Bild 2).

Das Vorhandensein von überlappenden Kanälen ist unerheblich, solange keine Datenübertragung stattfindet. Erst bei einem aktiven Datenaustausch kann es zu Problemen kommen. Man spricht hier vom Duty Cycle (Zeitanteil, während dessen überhaupt gesendet wird). Ein Duty Cycle von nur wenigen Prozent ist in der Regel unkritisch. Schwierig wird es erst, wenn ein Signal eine große Bandbreite über einen längeren Zeitraum permanent belegt.

Das ETSI (European Telecommunications Standards Institute) hat mit der EN 300 328:2012 zumindest für den europäischen Raum Regeln und Vorschriften herausgegeben, wie freundlich sich Funksysteme im 2,4-GHz-Bereich verhalten müssen. „Listen Before Talk“- (LBT-) Strategien oder Frequency Hopping, also das permanente schnelle Wechseln der Kanalfrequenzen, ist damit für viele Technologien obligatorisch. Auch ist die Nutzung des Mediums (MU, Media Utilisation), als Produkt von normierter Sendeleistung und Duty Cycle genau definiert, so dass in einem weiten Bereich eine sichere Definitionslage vorliegt.