Schwerpunkte

Die Zukunft von Industrial Wireless

IO-Link Wireless und (W)LAN im Doppelpack

10. November 2020, 12:46 Uhr   |  Ralf Kaptur

IO-Link Wireless und (W)LAN im Doppelpack
© Bilder: Kunbus

Bild 1: Entwicklung der Mobilfunktechnologien

Die derzeit gängigen industriellen Wireless-Standards durch 5G zu ersetzen ist wirtschaftlich und aus Anwendungssicht nicht in jedem Fall sinnvoll. Aber welche Alternativen bringen Leistungsfähigkeit und Industrietauglichkeit am ehesten in Einklang? Und welche Rolle spielt IO-Link Wireless dabei?

Mobilfunk, WLAN und Bluetooth haben eine lange Historie mit stetig steigendem Komplexitätsgrad. Im Grunde begannen alle drei mit einem FDM-Ansatz (Frequency Division Multiplexing), entwickelten sich dann aber rasch in unterschiedliche Richtungen. Feststellbar ist allerdings, dass sich zumindest die Kanalkodierungen von WLAN und Mobilfunk erneut anglichen, je mehr eine hohe Datenrate in den Mittelpunkt rückte. Folglich setzen heutzutage beide auf ein reines CDMA-System mit großer HF-­Kanalbandbreite sowie – besonders Mobilfunk – auf eine stetige Erweiterung der Nutzfrequenzen (Bild 1). Entsprechend bildet die Einführung der diesbezüglich jeweils aktuellsten Technologien wie QAM, OFDM und MiMo die entscheidenden Meilensteine.

Bild: Kunbus
© Bild: Kunbus

Bild 2: Entwicklung des WLAN

Im Gegensatz zu WLAN und Mobilfunk ist Blue­tooth immer ein Schmalbandsystem geblieben. Verbesserungen in Signalkodierung und Modulation wurden vornehmlich dazu genutzt, die Sendeleistung zu reduzieren und die Robustheit zu verbessern.

Die Basisauslegung als Breit- oder Schmalbandsystem ist eine fast philosophische Frage. Implizit steckt dahinter der klassische Zielkonflikt zwischen der gleichzeitigen Übertragung vieler verzögerungssensitiver Datenströme einerseits und temporär hohen Datenraten andererseits. Letztlich kann man mit beiden Ansätzen beides erreichen, muss aber für das jeweils konträre Ziel einen hohen technischen Aufwand betreiben.

IO-Link Wireless

Angesichts der Summe aller technischen Eigenschaften wurde rasch entschieden, BLE als Basistechnologie für IO-Link Wireless (IOLW) zu verwenden. Die große Zahl weltweit produzierter BLE-Chips hat einen enorm positiven Effekt auf die Stückkosten. Ein weiterer Nebeneffekt der bewusst reduzierten Sendeleistung ist, dass sich Geräte allein durch die Freifelddämpfung räumlich „aus dem Weg gehen“ (spektrale Wiederverwendung).

Bild: Kunbus
© Bild: Kunbus

Bild 3: Entwicklung von Bluetooth

Dadurch, dass ein PAN (Personal Area Network) per Definition an jedem Ort einfach konfigurierbar sein soll und daher ohne Administrator auskommen muss, ergibt sich jedoch auch ein negativer Aspekt: Die Frequenzsprünge einzelner BLE-Verbindungen können nicht synchronisiert sein und nutzen stattdessen adaptive Zufallsalgorithmen, die wie alle statistischen Verfahren nur mit endlicher Wahrscheinlichkeit optimal funktionieren.

Genau an solchen neuralgischen Punkten setzt nun IOLW an. Die Grundlage der Standardisierung waren explizite Vorgaben aus der industriellen Praxis, die sich unter anderem am geplanten Einsatz in kleinen preisgünstigen Sensoren orientierten.

Leistungsvergleich

Wenn man sich beim Technologievergleich auf die Anwendung innerhalb von Gebäuden oder Fabrikhallen beschränkt, ergibt sich grob folgendes Bild: Durch ein ausgefeiltes Traffic Management soll 5G künftig unter anderem den Spagat schaffen zwischen extremer Datenrate und Reichweite einerseits und geringer Latenz sowie großer Knotendichte andererseits. WLAN und zumindest die erste Stufe von 5G (eMBB) sind derzeit auf eine hohe Datenübertragungsrate hin optimiert und nutzen letztlich die gleiche Kanalkodierung. Die maximale Datenrate und Reichweite sind jedoch eine Funktion der Sendeleistung und -bandbreite und unterliegen damit den gesetzlichen Regelungen und der politischen Willensbildung.

Demgegenüber liegt der Schwerpunkt von IOLW auf einer geringen festen Latenz bei zugleich geringer Fehlerrate und geringer Energieaufnahme. Die Anforderungen an die Reichweite sind für den vorgesehenen Einsatzzweck wesentlich geringer, und Datenraten über 1 Mbit/s pro Sensor sind irrelevant.
Wichtig ist dagegen, dass die Inbetriebnahme im Rahmen eines Automatisierungssystems einfach ist und ohne Nachjustieren stabil läuft. Eine streng sternförmige Topologie (rückwärtskompatibel zu kabelgebundenem IO-Link) und ein festes Timing schaffen dafür unter anderem die Grundlage.

Kunbus
© Kunbus

Ralf Kaptur, Kunbus »Die praktische Integration von 5G in industrielle Massen­produkte wie etwa Sensoren ist noch weitgehend offen.«

Bewertung

Mit 5G haben Hersteller und Betreiber auch den Markt der lokalen Netzwerke in der Fabrikumgebung im Visier. Wegen der hohen Komplexität wird dies meist auf ein Betreibermodell hinauslaufen. Die praktische Integration von 5G in industrielle Massenprodukte wie etwa Sensoren ist noch weitgehend offen.

Alternativ lässt sich die dort versprochene Dienstgüte innerhalb der Fabrik auch mit einer Kombination aus (W)LAN und IOLW erreichen. Die industriellen Anforderungen an die untere Feldebene werden per Design und ohne „technologischen Overkill“ erfüllt.

Für die Produktentwicklung stellt Kunbus als einer der IOLW-Pioniere fertige Stacks und Module zur Verfügung, die ohne übergeordnetes Netzwerk sicherstellen, dass die gesamte Funktion in den Besitz des Herstellers und seiner Kunden übergeht und ohne Abhängigkeiten nutzbar ist.

Ralf Kaptur ist Produktmanager bei Kunbus.

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Verwandte Artikel

KUNBUS GmbH