Abwehrmaßnahmen gegen Funkstörungen Zuverlässige Datenübertragung im Sub-1GHz-Band

Das CC1120 Development Kit zum Entwickeln von hochgradig störungsimmunen Funklösungen mit dem TI-Transceiver CC1120 der »Performance-Line«. Rechts im Bild sind die zwei mitgelieferten Evalierungsmodule mit den zugehörigen Stabantennen zu sehen.
Das CC1120 Development Kit zum Entwickeln von hochgradig störungsimmunen Funklösungen mit dem TI-Transceiver CC1120 der »Performance-Line«. Rechts im Bild sind die zwei mitgelieferten Evalierungsmodule mit den zugehörigen Stabantennen zu sehen.

Weil in der Gebäudeautomation immer mehr Funktechnik zum Einsatz kommen wird, ist auch ein Ansteigen des Störpotenzials in den Sub-1GHz-Bändern zu erwarten. Die EU hat deshalb seine Mitglieder zur Marktüberwachung verpflichtet, und die Industrie will mit störungsresistenten Empfangstechniken antreten.

In Europa kommen für den Kurzstreckenfunk vor allem Short Range Devices (SRD) zum Einsatz, deren Betriebsfrequenz im 868-MHz-Band liegt. Die in diesem Band definierten frei benutzbaren Bänder sind gut reguliert, so dass bei Einhaltung der Vorschriften Störungen durch benachbarte Sender eher selten sind. Allerdings ist diese Einhaltung nicht unbedingt sichergestellt. Olaf Schwab, Vorsitzender des Interessenverbandes ISAD, in dem sich die SRD-Anwender und -Hersteller organisiert haben, weiß ein Lied davon zu singen: »Es kommen vor allem aus Fernost vielerlei Funkgeräte, die nicht konform sind. Das ist aber schwer zu überprüfen, auch wenn kraft europäischer Gesetzgebung in jedem EU-Land inzwischen eine Marktüberwachung vorhanden sein muss. Sie existiert aber nur marginal, unter anderem weil etliche Länder nur ein paar Mitarbeiter für die Wahrnehmung dieser Aufgabe ernannt haben, die zu alledem meist kein einziges Testlabor für Funk und EMV zur Verfügung haben.«

Die Marktüberwachung kann aber ohnehin nicht alle Probleme lösen, weil sehr oft für die 868-Bänder nicht die bestmögliche Technik (passende Modulationstechniken etc.) eingesetzt wird. »Hinzu kommt, dass das benachbarte 862-MHz-Band zunehmend von LTE benutzt wird und so ein weiteres Störpotenzial entsteht, das sich bereits manifestiert hat«, merkt Schwab an. »Zwar haben einige Untersuchungen schon zu Vorschlägen aus ETSI und ECC/SE24 geführt, die eine bessere Abgrenzung mittels Blocking und Spurious Emission bzw. Spectrum Mask zum Ziel haben, jedoch ist auch das kein Allheilmittel.«

Oft liegt die Lösung im Empfänger

In der neuen R&TTE (diese wird dann RED = Radio Equipment Directive heißen) haben die Regulierer sich vielfach auf die Regulierung der Sender fokussiert, und es gibt in Europa sogar Befürworter einer Verbannung der Empfangstechnik aus der RED (Radio Equipment Directive). Schwab (und mit ihm der ISAD) jedoch ist ein Verfechter der Maxime, dass man den Empfänger nicht von der Funktechnik lösgelöst betrachten kann und deshalb der Empfänger unbedingt Teil der RED bleiben soll. Dass man empfängerseitig viel gegen Störer unternehmen kann, weist zum Beispiel Texas Instruments mit seinem Performance Line Transceiver CC1120 nach. Hans-Günter Kremser, der bei TI Principal Field Application Engineer für analoge Produkte ist, merkt dazu an: »Mit der Anzahl der Funkverbindungen steigt das Risiko, dass manche Datenpakete nicht übertragen werden, weil jeder andere Sender im gleichen Frequenzband auch eine Störquelle für die eigentliche Übertragungsstrecke darstellt.« Das ist zunächst nicht weiter tragisch, da es Korrektur-Maßnahmen gibt, wie die Überprüfung, ob das Paket auf der Empfängerseite wirklich angekommen ist, und dann entsprechend reagiert wird; etwa mit einem erneuten Sendeversuch. Andere Möglichkeiten sind Verschlüsselung, Spreizspektrum-Techniken wie Mehrträgerverfahren oder das DSSS (direct sequence spread spectrum), welches bevorzugt in den zellularen Netzen wie UMTS eingesetzt wird.

All diese Verfahren ändern nichts an der Tatsache, dass sich der Eingangspegel der Funkempfänger bei der Präsenz immer weiterer Nachbarsender erhöht. Dabei sind auch Störungen möglich, wenn diese Nachbarsender nicht auf exakt derselben Frequenz arbeiten. Störungen lassen sich durchaus nachweisen, wenn benachbarte Sender ihre Betriebsfrequenz einige 100 kHz abseits des Nutzkanals haben. Neben der abgestrahlten Sendeleistung des Störers ist also auch der Frequenzabstand zwischen Störer und Nutzsignal-Empfänger ein Parameter, der die Fehlerrate bei der Übertragung beeinflusst.

Wie eine höhere Nachbarkanaldämpfung dessen potenzielle Störwirkung eliminiert, lässt sich mit der Faustformel »6 dB mehr Link-Budget = doppelte Reichweite« gut beschreiben: Mit einer um 30 dB höheren Nachbarkanaldämpfung erreicht man demzufolge die 32-fache Reichweite. Oder anders herum ausgedrückt: Ein eventueller Störer kann bei einer um 30 dB höheren Nachbarkanaldämpfung 32-mal näher am Empfänger positioniert sein, ohne dass mit vermehrter Störung zu rechnen ist.

Will man den optimalen Transceiver-Chip auswählen, ist ein direkter Vergleich der IC-Parameter oft nicht zielführend, weil die Werte im Datenblatt häufig mit unterschiedlichen Messbedingungen wie z.B. Datenrate, Modulationsart, Hub, Filtereinstellungen etc. erzielt werden. Zum besseren Verständnis soll im folgenden Beispiel der Begriff Empfindlichkeit (im engl.: Sensitivity) und Nachbarkanal-Dämpfung oder -Trennung (engl.: Blocking) näher erläutert werden: In den Datenblättern zweier 868-MHz-Transceivern finden sich z.B. folgende Werte:

ParameterChip AChip B
Empfindlichkeit-114 dBm bei 4,8 kbps-114 dBm bei 1,2 kbps
Nachbarkanal-Dämpfung (bei ± 1 MHz)48 dB69 dB

In puncto Empfindlichkeit wäre Chip A die bessere Wahl, weil dieser bei gleichem Empfangspegel die vierfache Datenrate ermöglicht. Und ein Stör-Signal im Abstand von 1 MHz mit einer empfangenen Leistung von -80 dBm würde keinen der Empfänger stören, weil die Trennfähigkeit beider Chips ausreicht, um die In-Band-Signalstärke (-128 dBm bzw -149 dBm) deutlich unterhalb der Empfindlichkeitsschwelle von -114 dBm zu halten. Erhöht man jedoch die Sendeleistung des Störers auf -40 dBm, ist Chip B mit einer In-Band-Signalstärke von -109 dBm gegenüber Chip A mit -88 dBm die bessere Wahl.