Datenkommunikaton Industrie-WLAN im 5-GHz-Frequenzband

Redundante Weiterleitung der Datenpakete erhöht die Zuverlässigkeit

Immer mehr Anwendungen aus allen Arbeits- und Lebensbereichen verwenden den knappen Wireless-Frequenzraum. Bei der Entwicklung neuer Funksysteme unter der Prämisse eines immer höheren Datendurchsatzes stoßen Technologien, die nur mit einer Antenne arbeiten, an die Grenzen des vertretbaren technischen Aufwands.

Die Kapazität lässt sich durch Nutzung weiterer Antennen in Kombination mit entsprechenden Chipsätzen steigern, so dass mehrere Datenströme parallel übertragen und ausgewertet werden können (MIMO - Multiple In Multiple Out). IEEE 802.11n ist einer der ersten Funkstandards, bei dem diese Signalverarbeitungs-Methode zum Einsatz kommt (Bild 2).

Die Erhöhung der Datenrate von 54 Mbit/s (IEEE 802.11 a/g) auf mehr als 300 Mbit/s wird meist mit IEEE 802.11n in Verbindung gebracht (Tabelle). Eine solch hohe Übertragungsgeschwindigkeit ist in Automatisierungsanwen- dungen von nachrangiger Bedeutung. Als wichtiger erachten die Anwender eine weitere Steigerung der Zuverlässigkeit. Zu diesem Zweck ergänzen die aktuellen WLAN-Chips die MIMO-Technik um das Space Time Block Coding (STBC).

Dieser Mechanismus ermöglicht eine redundante Weiterleitung der Datenpakete auf zwei parallelen Wegen. Dabei nutzt STBC die Mehrwege-Ausbreitung durch Reflexionen für die Spatial Multiplex (SM - Raum-Multiplex) genannte Übertragung. Typische reflektive Umgebungen im industriellen Umfeld sind dafür bestens geeignet. Die Anzahl der parallelen Datenströme hängt auch von der Antennenzahl ab. IEEE 802.11n beschreibt hier unterschiedliche Szenarien von jeweils einer bis zu vier Sende- und Empfangsantennen (1×1 MIMO bis zu 4×4 MIMO).

In der Praxis lässt sich 2×3 MIMO noch mit vertretbarem Aufwand umsetzen. Dazu verfügen die WLAN-Geräte über drei Antennen, von denen zwei als Sende- und drei als Empfangsantenne fungieren können. Es werden zwei STBC-Verbindungen aufgebaut. Die dritte Antenne kann alternativ im Empfangsfall geschaltet werden, um die vom 2,4-GHz-WLAN bekannte Antennen-Diversität zur weiteren Optimierung zu nutzen.

Für kompakte mobile Teilnehmer (Clients) sieht IEEE 802.11n auch den Einsatz von lediglich einer Antenne vor. Der Downlink vom Access Point mit zwei oder mehr Antennen erfolgt wie erläutert als STBC-Verbindung, der Uplink von der Antenne des Clients zum Access Point hingegen nach dem MRC-Verfahren. Bei diesem Maximum Ratio Combining werden die Signalpegel verschiedener Übertragungswege ohne Verwendung von Spatial Multiplex ausgewertet.

Auf diese Weise können auch kompakte WLAN-Geräte wie beispielsweise der FL WLAN Ethernet Port Adapter 5N von Phoenix Contact mit integrierter Antenne in mobilen Anwendungen von den Vorzügen der robusten IEEE-802.11n-Anbindung profitieren (Bild 3). Letztlich bringt die Übertragung im 5-GHz-Band also eine Reihe deutlicher Vorteile, die man nicht zuletzt in der Automatisierungstechnik sehr gut nutzen kann.

 

Der Autor:

Dipl.-Ing. Sebastian Hube
ist Produktmanager "Wireless Network Technology" bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pymont.