Tipps zur richtigen Übertragungslösung Die Antenne als IIoT-Schlüsselkomponente

IIoT-Netzwerke sind auf einwandfreie Konnektivität angewiesen – diese wiederum lässt sich nur mit der richtigen Antenne erreichen.

Durch das Industrial Internet of Things (IIoT) erlebt die Industrieproduktion derzeit eine radikale Transformation. Dabei kommen sehr häufig drahtlose Netzwerke zum Einsatz und fordern damit leistungsfähige Antennen an jedem Knotenpunkt der Kommunikationskette.

Bei der Auswahl der richtigen Lösungen und Übertragungstechnologien gibt es allerdings einiges zu beachten.

Prozessautomatisierung und die damit verbundenen IIoT-Anwendungen verlangen nach drahtloser Netzwerktechnologie, die sich auf dem neuesten Stand befindet. Das drahtlose Überwachen und Steuern technischer Prozesse mittels eines Computersystems (SCADA) gibt es zwar schon eine ganze Weile, aber die moderne Prozessautomatisierung schraubt die Anforderungen an die drahtlose Vernetzung noch einmal nach oben. IIoT setzt perfekte Verbindungen immer und überall voraus, und zwar von Maschine zu Maschine (M2M) und von der Maschine zum Personal (M2P).

Bei IIoT-Anwendungen, die mit relativ wenig Bandbreite auskommen, werden die alten VHF- und UHF-Netze, die mit ISA100 oder GSM arbeiteten, gerade durch LPWAN-Technologien ersetzt, wie LoRA und SigFox sowie NB-IoT. LPWAN verbindet niedrige Latenzen und geringen Energieverbrauch mit großflächiger Abdeckung, beispielsweise in einer Werkshalle. Einige LPWAN-Technologien unterstützen auch Fernüberwachungsanwendungen, bei denen eine Datenübertragung über große Entfernungen erforderlich ist. Doch können die Herausforderungen einer „überfüllten“ Industrieumgebung für LPWAN auch schnell zu viel werden. Dann kommen vermaschte Netze (Mesh-Networks) ins Spiel. Dabei handelt es sich um zwischengeschaltete Antennen, die als Knotenpunkte dienen, Signale von isolierten Antennen auffangen und an andere Empfänger im Netz weiterleiten. Bei automatischen Prozessen, wie Selbstheizsystemen, kann auf diese Weise die zuverlässige Kommunikation zwischen lokalen Ressourcen sichergestellt werden. Zu den verbreitetsten Drahtlosprotokollen für Mesh-Netzwerke gehören Zigbee und WirelessHART.

Datenintensive Applikationen wie die Videoüberwachung hingegen benötigen Breitband-Standards, die auch mit großen und schnell getakteten Datenmengen zurechtkommen, beispielsweise WLAN oder LTE. Bei Anwendungen im unlizenzierten Spektrum bietet sich häufig WLAN an. LTE zeichnet sich durch relativ niedrige Latenzen aus und kann in Spektren eingesetzt werden, die von einem Carrier geleast werden, oder in einem privaten Spektrum. Auch die Technik MulteFire kann LTE-Anwendungen ermöglichen, dann allerdings unter ausschließlicher Verwendung unlizenzierter Spektren. Es wird erwartet, dass 5G-Netze demnächst sogar noch höhere Datendurchsatzraten und niedrigere Latenzen unterstützen, und zwar sowohl im gewohnten drahtlosen Bereich, also auch im Millimeterwellenspektrum.

Nicht nur in Produktionsumgebungen entscheidet die Leistung der Antenne, ob eine Übertragung den Empfänger erreicht und wie viel Datenvolumen übertragen werden kann. Dabei ist die maximale Ausbreitung der Funkwellen nicht zwangsläufig ideal, da sich überlappende Systeme gegenseitig stören können. IIoT-Antennen müssen daher gerade so viel Reichweite haben, wie für ihre Aufgabe unbedingt erforderlich ist. Gleichzeitig sollten sie große Datenmengen bei minimalen Interferenzen übermitteln, platzsparend sein und auch widrigen Umständen trotzen.

Bezüglich der Strahlungscharakteristik stehen verschiedene Antennendiagramme zur Auswahl, je nach Aufgabenstellung und Platzierung der Antenne im Netz. In einem Netz mag die direkte Übertragung von Punkt zu Punkt (PTP) gefordert sein, in einem anderen von Punkt zu mehreren Punkten (PTMP). Die einfache PTP-Datenübermittlung erfordert gewöhnlich eine Richtantenne, während der Kommunikation mit vielen Empfängern (PTMP) mit einer Rundstrahlantenne besser gedient wäre. Der Netzentwickler kann natürlich auch für eine PTP-Anwendung eine Rundstrahlantenne einplanen und so Flexibilität gewinnen. Dies wäre eine Lösung für ein Mesh-Netzwerk mit zahlreichen mobilen Elementen: Dort überträgt eine Antenne zwar aus rein technischer Sicht nur PTP, aber zu verschiedenen Zeiten in unterschiedliche Richtungen – je nachdem, wo die nächste Antenne empfangsbereit ist. Doch unabhängig von Richt- oder Rundstrahlantenne kommt es auf das optimale Antennendiagramm an, damit die Abdeckung zuverlässig gewährleistet bleibt und Interferenzen minimiert werden.