Funkkommunikation Wireless innoviert auf allen Ebenen

Radio waves glasses. Device

Kommunikation per Funk wird immer wichtiger – auch wenn eine robuste, zuverlässige und echtzeitfähige Datenübertragung gefordert ist. Ihre rasante Weiterentwicklung fördert Innovationen in allen Industrie- und Anwendungsbereichen – sagt Prof. Dr. Axel Sikora von der Hochschule Offenburg.

Seit fast zwei Jahrzehnten sind Funknetze ein wesentlicher Innovations- und Wachstumstreiber für Anwendungen sowohl in der Konsumelektronik als auch im (industriellen) Internet der Dinge. Obwohl sich zum Anfang des Jahrzehnts die Innovationskurve abzuflachen schien, legten die Entwickler in den letzten ein, zwei Jahren noch einmal kräftig zu. Interessanterweise gilt dies für alle Arten von Wireless-Techniken, von den Kurzstreckenfunksystemen (Short Range Wireless Networks – SRWN) über die lokalen Netze (Wireless LAN) bis zu den zellularen und lizenzfreien Niedrigenergiefunktechniken (Low-Power Wide-Area Networks – LPWAN).

Kurzstreckenfunksysteme

Bluetooth geht als der klare Gewinner aus dem Krieg der SRWN-Standards hervor. Übergreifende Standards wie Zigbee und proprietäre Techniken wie Z-Wave, EnOcean oder Somfy haben es sich in ihren jeweiligen Kunden- und Anwendungsnischen bequem gemacht. DECT und ULE scheinen sich mit ihren Spezialbereichen Sprachtelefonie und Heimautomatisierung auch weiterhin zufrieden zu geben. Auch anwendungsspezifische Techniken, wie z.B. Wireless M-Bus oder WiSUN sind in ihren Domänen des Smart Metering oder der Stadtnetze etabliert, haben aber nur wenig Ambitionen, über diese Bereiche grundsätzlich hinaus zu gehen.

Lediglich das IPv6-basierte 6LoWPAN – sprich: six-lou-pähn, mit vollem Namen »IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network« – und seine Erweiterung 6tsch – sprich: six-tisch, mit vollem Namen: »Deterministic IPv6 over IEEE802.15.4e Timeslotted Channel Hopping« – haben sich noch eine gute Ausgangsposition erarbeitet. Für 6LoWPAN gibt es neben den offenen Implementierungen auch sehr leistungsfähige und stabile unternehmensspezifische Implementierungen, u.a. auch Thread. 6tsch schickt sich an, dem für die Prozessautomation wichtigen Wireless HART den Rang abzulaufen.

Ob weitere Funktechniken, wie z.B. das für die Fabrikautomation optimierte IO-Link Wireless in diesem Umfeld eine große Chance haben werden, wird die Zukunft zeigen.

Der Platzhirsch Bluetooth findet weiterhin Anwendung in praktisch allen Anwendungsgebieten und hat seine Innovationsgeschwindigkeit noch einmal deutlich erhöht. Nachdem Bluetooth 4 mit Bluetooth Low Energy (BLE) seit 2009 den Energiebedarf signifikant reduziert hat, wurde Ende 2016 Bluetooth 5 standardisiert, um nicht nur die Reichweite in etwa zu vervierfachen und die Datenrate zu verdoppeln (2 Mbit/s brutto ohne Enhanced Data Rate – EDR), sondern auch mit Bluetooth Mesh einen wesentlichen Beitrag zur Eroberung großflächigerer IoT-Anwendungen zu leisten und neue Dienste wie Standortübermittlung einzuführen. Anfang 2019 wurde Bluetooth 5.1 vorgestellt, das gegenwärtig in den Markt eingeführt wird. Wichtigste Neuheit ist die nun bis auf 10 cm genaue Sende- und Empfangsfunkpeilung in Räumen und Gebäuden durch Messung von Abgangswinkel (Angle of Departure – AoD) und Einfallswinkel (Angle of Arrival – AoA).

Lokale Funknetzwerke – Wireless LAN

Der Anwendungsbereich der lokalen Funknetze wird vom IEEE802.11-Standard dominiert und auch hier ist die Innovationsgeschwindigkeit so hoch, dass man seit Ende 2018 dazu übergangen ist, das ABC der 802.11-er Standards in Generationen einzuteilen. Die fünfte Generation – IEEE802.11ac oder WiFi5 – wurde Ende 2013 veröffentlicht und erlaubt einen Einzelkanal-Durchsatz von bis zu 867 Mbit/s.

Und seit 2019 tritt IEEE802.11ax als WiFi6 an, um nicht nur die Datenrate noch einmal weiter zu steigern, sondern um die Kommunikation mit mehreren Clients per Multi-User-MIMO (MU-MIMO) mit der Übertragungstechnik OFDMA zu optimieren. Im Gruppenbetrieb arbeitet WiFi6 somit effizienter als WiFi5. Hinzu kommt noch ein verbessertes Beamforming. Durch diese drei Techniken kann WiFi6 die Anzahl der Kollisionen reduzieren, wodurch bei Netzwerken mit vielen Clients der effektive Datendurchsatz erhöht wird, außerdem soll sich die Latenz deutlich verkleinern.

Mobilfunktechniken – 4G extended, 5G und 6G

Und erfreulicherweise sind ja auch die Innovatoren der Mobilfunkkommunikationsbranche wieder aufgewacht. 5G steht in den Startlöchern – in Deutschland ja zum Glück auch mit der Zuweisung für private Netze (Campusnetze) bei Frequenzen von 3,7 und 3,8 GHz.

Da der Ausbau in vielen Ländern noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird und sich zunächst auf die hochbitratigen Anwendungen rund um »Enhanced Mobile Broadband« (eMBB) konzentrieren wird, scheint für die 4G-basierten Brückentechniken LTE Cat M und Narrowband IoT (LTE Cat NB) ein signifikantes Zeitfenster für die »massive Machine Type Communication« (mMTC) zu verbleiben. Ansätze für zuverlässige und sehr schnelle Anwendungen (Ultra-Reliable Low-Latency Communication – URLLC) unter Nutzung auch dieser Brückentechniken sind in der Vorbereitung.

Trotz der hohen Dynamik und des beachtlichen Arbeitsaufkommens bei der Standardisierung und Einführung von 5G werden parallel schon recht konkrete erste Schritte in Richtung von 6G unternommen.

Niedrigenergie-Weitverkehrsnetzwerke (Low-Power Wide Area Networks – LPWAN)

Mit den Low-Power Wide Area-Netzwerken ist eine komplett neue Kategorie von Funknetzen entstanden, die auf Grund von Empfängerempfindlichkeiten von bis zu –130 dB oder sogar darüber hinaus Reichweiten von vielen Kilometern ermöglichen, auch wenn die Ausgangsleistungen nur im Milliwatt-Bereich liegen.

Diese Leistungsfähigkeit ist mit miniaturisierten monolithisch integrierten ICs zu Kosten von einigen wenigen Euros zu erreichen. Hierbei sind die LPWA-Netzwerke meist sehr einfach aufgebaut, weil insbesondere die Netzwerkadministration viel einfacher als bei den herkömmlichen zellularen Mobilfunktechniken ist.

Auf Grund dieser Eigenschaften und der Nutzung moderner Halbleitertechniken können die Knoten mit einigen wenigen zehn Milliwatt betrieben werden. Mit diesem geringen Aufwand erreichen die LPWANs – im idealen Fall der Freiraumausbreitung – Reichweiten von über 10 km. In der Praxis können so Stadtviertel oder ganze Gemeinden mit einer Funkzelle abgedeckt werden.

Mit all diesen Eigenschaften zählen LPWA-Netzwerke zu den „enabling technologies“ im besten Sinne des Wortes, weil sie zahlreiche Anwendungen, die vorher undenkbar waren, überhaupt erst technisch und kommerziell ermöglichen.

Man denke nur an die legendäre »Mülltonne im Internet«, die nun sinnvolle Realität wird. Funktechniken wie LoRa / LoRaWAN und Sigfox haben bereits eine signifikante Marktbedeutung erlangt. Weitere Techniken, wie z.B. Mioty stehen in den Startlöchern, um das Angebot an Funktechniken in Richtung privater Netze unter Nutzung offener Standards zu ergänzen.

Viel Neues – viel Information

Übrigens werden die Innovationen der Funkkommunikationstechnik auch auf der anstehenden embedded world Conference vom 25. bis 27. Februar 2020 wieder eine wichtige Rolle spielen. In 30 Fachvorträgen werden in fünf dedizierten Sessions die neuesten Trends vorgestellt und diskutiert. Informationen und Anmeldung unter www.embedded-world.eu.

 

Der Autor

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Dipl. Wirt.-Ing. Axel Sikora,

ist wissenschaftlicher Direktor des Instituts für verlässliche Embedded Systems und Kommunikationselektronik (ivESK) an der Hochschule Offenburg, sowie Bereichsleiter „Software Solutions“ und stellvertretender Institutsleiter bei der Hahn-Schickard Gesellschaft für Angewandte Forschung e.V. in Villingen-Schwenningen. Prof. Sikora ist an die Technische Fakultät der Universität Freiburg assoziiert und Gründer und Gesellschafter der erfolgreichen Ausgründung Stackforce GmbH. In seinen Teams werden Algorithmen, Protokolle und Systeme für die sichere, zuverlässige, echtzeitfähige und effiziente Kommunikation - per Funk und leitungsgebunden – konzipiert, evaluiert, implementiert und verifiziert.

Prof. Sikora ist u.a. auch wissenschaftlicher Beirat des Wireless Congress Systems & Applications und der IoT-Konferenz, sowie Chairman der embedded world Conference.

axel.sikora@hs-offenburg.de