Strategien gegen Mehrwegeschwund Simultan Empfangen mit UHF-Dreiband-Receiver-IC

Signaleinbrüche beim Empfang
Was hilft gegen Signaleinbrüche durch Mehrwegeausbreitung?

Tritt Mehrwegeausbreitung auf, sind die Orte mit Signaleinbrüchen beim Empfang in der Praxis im Allgemeinen nicht vorhersagbar. Ein Lösungsansatz hierzu ist der gleichzeitige Empfang auf mehreren Frequenzen. Dies kann auch mit Low-Power- Empfängern gelingen – mit einer Stromaufnahme unter 10 μA.

Die allermeisten Funkempfänger brauchen immer noch mehrere Milliampere Strom. Bei der Funkübertragung kommt grundsätzlich oft noch die Unsicherheit beim Empfangspegel hinzu. Manchmal erschweren dann noch längere Reaktionszeiten die Bedienbarkeit und vermindern die Akzeptanz von ferngesteuerten Systemen. Um moderne IoT-Anwendungen zu entwickeln, sollten diese Nachteile unbedingt vermieden werden. Im Folgenden werden diese Nachteile beschrieben und Lösungen aufgezeigt.

Mehrwegeausbreitung – die »Wurzel allen Übels«

Besonders bei Funkübertragungen im Innenbereich führen die Mehrfachreflexion elektromagnetischer Wellen zum sog. frequenzselektiven Schwund (frequency-selective fading). Wände, Fußböden, Türen oder Türrahmen können dabei als unerwünschte Reflektoren fungieren. Die Ausprägung der Feldstärkeminima ist abhängig von der Position des Funksenders, seiner Antennenabstrahlcharakteristik, der reflektierenden Umgebung zwischen Funksender und Funkempfänger sowie der Position des Funkempfängers und seiner Antennencharakteristik. Sind Funksender, Funkempfänger (vorübergehend) ortsfest und die Umgebung starr, wird dies als statischer Fall bezeichnet. Die Orte mit starken Signaleinbrüchen beim Empfang sind in der Praxis im allgemeinen nicht vorhersagbar.

Messungen zur Funkausbreitung in geschlossenen Räumen

In einer einfachen Versuchsanordnung mit einem HF-Signalgenerator und einem beweglichen Mehrbandempfänger – z.B. einem Spektrumanalysator – kann die Ausprägung von Feldstärkeminima gut beobachtet werden. Dazu ist eine Anordnung im Innenraumbereich, etwa in einem Gebäudeflur, zu wählen, um Mehrwegeausbreitung zu provozieren. Daneben ist ein Abstand von Boden oder Wänden von mindestens 80 cm zu wählen. Befindet sich die Sender-Empfänger-Anordnung näher an einer planen reflektierenden Fläche, so liegen die Feldstärkeminima örtlich weiter auseinander: Es gibt weniger Fading-bedingte Feldstärkeminima.

Werden die Ergebnisse dreier Messfahrten mit dem beweglichen Messempfänger für die Frequenzen 433 MHz, 868 MHz und 2,4 GHz betrachtet (Bild 1), so lässt sich sofort feststellen, dass für 2,4 GHz etwa alle 60 cm Feldstärkeminima auftreten. Für 433 MHz tritt Fading am wenigsten häufig auf. Die Fading-Positionen bei 2,4 GHz sind außerdem recht scharf abgegrenzt, d.h. sie weisen eine geringe örtliche Ausdehnung auf, unter 5 cm. Bei 433 MHz weisen die Minima eine örtliche Ausdehnung bis etwa 15 cm auf. Positiv auffällig ist allerdings, dass die Minima an einem und demselben Ort selten für alle drei Frequenzen ausgeprägt sind. Anders ausgedrückt: ein stark ausgeprägtes Feldstärkeminimum in einem Frequenzband bietet als Alternative fast immer zwei Frequenzbänder ohne Fading-bedingte Feldstärkeminima.

Nachteile von Mehrwegeschwund

Die Ausprägung von Feldstärkeminima führt bei bewegten Teilnehmern häufig zum Abbruch der Funkverbindung. Auch die Nichterreichbarkeit von benachbarten Funkmodulen oder eines Gateways kann an bestimmten Orten auftreten. Eine veränderliche Umgebung (geöffnete statt geschlossener Bürotüren), Hindernisse (Laborwagen oder Transportmittel) oder auch Abschattungen durch Personen beeinflussen die Zusammensetzung der Funkausbreitungspfade und damit auch die Lage der Orte mit fast vollständiger Auslöschung.

Auch die Ausprägung von Orten mit besonders gutem Empfang tritt dabei auf. Dann kommt es zu einer konstruktiven Überlagerung von Funksignalen beim Mehrwegeempfang. Diese Orte sind ebenfalls stark abhängig von der Umgebung und können unter Umständen besseren Empfang vortäuschen als in der unmittelbaren Umgebung tatsächlich vorliegt. Besonders auffällig ist die Veränderung dann, wenn beim Anbringen eines Funkmoduls an einem bestimmten Ort mit Feldstärkemaximum zu einem späteren Zeitpunkt manchmal schlechter Funkempfang oder gar kein Funkempfang mehr möglich ist. Im Innenraumbereich kann dann tatsächlich der Zustand bestimmter Türen entscheidend sein.

Falls im Betrieb Datenpakete per Funk nicht oder unvollständig ankommen, sind weitere Nachfragen oder Sendewiederholungen notwendig. In dieser Zeit ist der Funkkanal belegt. Der Datendurchsatz für die Funkanwendung wird dadurch reduziert. In bestimmten Fällen können auch Funkrelais (Repeater) erforderlich sein, um Stellen mit schlechtem Funkempfang doch noch zu erreichen. Auch eine höhere Sendeleistung in den Funkmodulen kann helfen.

Häufig wird bei der Auswahl der Funkempfänger auf besonders hohe Empfindlichkeit geachtet, um auch bei Feldstärkeminima noch Daten zu empfangen. Fading führt insgesamt zu Mehraufwänden, höheren Kosten und vermindert die Zuverlässigkeit der Funkverbindung.

Mittel gegen Fading wegen Mehrwegeausbreitung

Um für ein Funkübertragungssystem eine Lösung für das Fadingproblem zu finden, muss die Entstehungsweise der Feldstärkeminima genauer betrachtet werden. Die Überlagerung der einzelnen Anteile an der Empfangsfeldstärke sind abhängig von der Länge des jeweils betrachteten Ausbreitungspfades. Dabei treten noch zusätzlich Phasendrehungen an reflektierenden metallischen oder glänzenden Flächen auf. Je mehr verschiedene Ausbreitungspfade ausgehend vom Funksender zum Funkempfänger zum Empfang beitragen, desto komplexer ist die Ausprägung der Feldstärkeminima im Raum.

Wenn die reflektierten Funksignale fast genauso stark sind, wie die einfallenden Funksignale, liegt ein Reflexionsgrad nahe 100 % vor. Feldstärkeminima können dann besonders deutlich ausgeprägt sein, bis hin zu einer nahezu vollständigen Auslöschung. Dabei lässt sich feststellen, dass die örtliche Ausdehnung eines konkreten Feldstärkeminimums gar nicht so groß ist, sondern meist nur 1 bis 2 cm. Oft genügt bereits eine Positionsänderung um 1 cm und der Empfang ist wieder deutlich besser. Bestens bekannt ist dieses Phänomen den meisten Autofahrern, die bei Annäherung an eine Verkehrsampel eine Verschlechterung des Radioempfangs registrieren. Fährt der Wagen nur ein kleines Stück weiter, ist der Empfang wieder gut – und die Empfangsantenne befindet sich außerhalb des Feldstärkeminimums.
Um die Lage der Feldstärkeminima zu beeinflussen, ist es denkbar, die Position des Funksenders zu verändern. Die Orte der Feldstärkeeinbrüche verschieben sich dadurch. Es ist allerdings möglich, dass sich die Orte der Feldstärkeminima nur wenig verschieben. Das kann beispielsweise dann auftreten, wenn Sender und Empfänger nahe an einer langen reflektierenden Wand, jedoch weit auseinander platziert sind. Es kommt auch darauf an, ob die Positionsänderung senkrecht zur nächsten Wand oder parallel zur Wand erfolgt.

Ähnliches gilt auch für Positionsänderungen des Empfängers. Bewegte Funkempfänger sind beispielsweise fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV, Automated Guided Vehicle) oder Personen mit Smartphone, PDA (Personal Digital Assistant) oder Tablet-PC. Bei bewegten Funkempfängern wird aus der statischen Lage der Feldstärkeminima nun ein dynamischer Vorgang: Während der Bewegung des Funkempfängers erfolgt der Funkempfang mit kurzen Unterbrechungen der Funkverbindung. Größere Datenpakete müssen daher mit einer geeigneten Fehlerkorrektur versendet bzw. empfangen und decodiert werden.

Eine zusätzliche Schutzmaßnahme ist das Interleaving, d.h. ein zunächst zusammenhängendes Datenpaket wird zerlegt in kleine Teile. Diese wiederum werden unterschiedlich versetzt angeordnet und dann als Funktelegramm ausgesendet. Im Funkempfänger kommen die Paketteile über einen größeren Zeitraum verteilt an und müssen wieder in ihre ursprüngliche Reihenfolge zurück umgesetzt werden. Damit ist eine geringere Fehlerdichte pro Datum erreichbar, anstelle des vollständigen Ausfalls einzelner Datenpakete. Eine einfache Fehlerkorrektur kann dann die wenigen Fehler bereits korrigieren.

Eine unidirektionale Funkübertragung kann mit diesem Verfahren auch weiterhin ohne eine Rückfrage im Rückkanal auskommen. Würden die Feldstärkeminima nicht oder nur noch sehr vereinzelt auftreten, beispielsweise bei einer reinen Außen-Funkstrecke an einer Wiese oder einem Acker, kann das Interleaving und die Fehlerkorrektur in günstigen Fällen entfallen. Meistens jedoch können die Positionen des Funksenders und des Funkempfängers im Einsatz nicht mehr verändert werden. Bei einem installierten Funksystem soll der Funkbetrieb ohne manuelle Eingriffe erfolgen.