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Bluetooth, ZigBee und nanoNet – Friedlich miteinander?

10. Juli 2007, 15:18 Uhr | Prof. Dr. Jörg F. Wollert

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Bluetooth, ZigBee und nanoNet – Friedlich miteinander?

Heute findet man bei den modernen Verfahren eine Kombination aus den vier vorgestellten Grundformen. GSM kombiniert beispielsweise Orts-, Zeitund Frequenzmultiplexing-Verfahren für eine optimale Kommunikation. Generell können die unterschiedlichsten Mechanismen clever kombiniert werden (Bild D), was auch in den meisten Fällen geschieht. Ein universelles „richtiges“ Zuteilungsverfahren kann es aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen gar nicht geben.

Literatur:

[1] Wollert, J.F.: Drahtlose Kommunikation. Robust in Industrieanwendungen. etz 1/2006, S. 6ff.
[2] Vedral, A.; Altrock, R.; Buda, A.; Wollert, J.F.: The Capability of Bluetooth for Real-time Transmission in Automation. Proceedings of the IASTED Int. Conference on Networks and Communication Systems (NCS 2006), ISBN: 0-88986-590- 6, pp. 168 – 175, Chiang Mai, Thailand, March, 2006.
[3] Vedral, A.; Wollert, J.F.: Praktische Untersuchungen zum zeitlichen Übertragungs- und Bündelfehlerverhalten der IEEE 802.15.4. Design&Elektronik, ZigBee&Co. Entwicklerseminar, Munich, Germany, April, 2006.
[4] Vedral, A.; Wollert, J.F.: Praktische Untersuchungen zur Reduzierung der Restfehlerrate von Funksystemen. VDI-Fachtagung Wireless Automation, VDI-Berichte 1939, Darmstadt, Germany, May 2006.
[5] Vedral, A.; Wollert, J.F.: Analysis of Error and Time Behaviour of the IEEE 802.15.4 PHY-Layer in an Industrial Environment. Proceedings of the 6th. IEEE Workshop on Factory Communication Systems (WFCS 2006), June, Torino, Italy, 2006.
[6] Vedral, A.; Wollert, J.F.: Langzeitstatistische Untersuchungen zur Qualität von Funkkanälen für das industrielle Umfeld. VDI-Fortschrittberichte, Wireless Technologies Congress 2006, Dortmund, Germany, October, 2006.
[7] Wollert, J.F.: Workshop Wireless – Ein Überblick kabelloser Systeme. VDI-Fortschrittberichte, Wireless Technologies Congress 2006, Dortmund, Germany, October, 2006.
[8] Wollert, J.F.: Wireless in industriellen Anwendungen. Elektronik Scout 2007, WEKA Verlag GmbH, ISSN 1863-3420, Dezember 2006, Seite 40 ff.

Jörg F. Wollert ist Professor für Softwaretechnik und Rechnernetze an der FH Bochum. Seit über 15 Jahren beschäftigt er sich mit dezentralen verteilten Echtzeit-Systemen, in den letzten sechs Jahren im Schwerpunkt mit kabellosen Systemen für technische Anwendungen in der Automobilindustrie und der Automatisierungstechnik.
joerg.wollert@fh-bochum.de

Die Angabe „Empfängerempfindlichkeit“ in einem Datenblatt wird typischerweise bei einer Bitfehlerrate von 10^–3 angegeben. Was haben diese Werte miteinander zu tun? Betrachtet man die Empfangsleistung und den Abstand eines Empfängers von der Sendequelle, dann kann man die (auch mathematisch fixierte) quadratische Abnahme der Empfangsleistung mit wachsender Entfernung feststellen. Diese so genannte Freifelddämpfung ist durch die Fresnel-Formel beschrieben. Für die Übertragung ist der gesamte Kanalgewinn (Linkbudget) verantwortlich, der sich aus Sendeleistung, Empfängerempfindlichkeit, Antennengewinn und Freifelddämpfung errechnet. Betrachtet man nun die Empfangsleistung über die gesamte Entfernung von Sender zum Empfänger, kann man feststellen, dass nicht immer ein hinreichender Empfang möglich ist. Man unterscheidet deshalb zwischen dem Übertragungs-, Erkennungs- und Interferenzbereich. Im Übertragungsbereich ist eine Kommunikation möglich. Im Erkennungsbereich kann eine Station identifiziert werden, eine Kommunikation ist jedoch nicht möglich, und im Interferenzbereich trägt die Sendequelle nur noch zum Störteppich bei. Eine besondere Bedeutung hat der Übergang vom Übertragungs- in den Erkennungsbereich.

Nahezu alle Chiphersteller geben diesen Übergang als Empfindlichkeitsgrenze an. Eine typische Größe liegt bei –90 dBm mit einer BER von 10^–3. Die Abkürzung BER steht für Bit Error Rate und heißt in diesem Fall (10^–3), dass jedes 1000. Bit nicht korrekt ist. Im Nahbereich kann und wird die Bitfehlerrate natürlich wesentlich besser sein und durchaus auch die „kabeläquivalente“ BER von 10^–6 bis 10^–9 erreichen. Eine andere Angabe, die gerade bei paketorientierten Übertragungsverfahren gewählt wird, ist die PLR (Packet Lost Rate). Hier hat sich die Schwelle bei PLR = 10^–2 als Praxiswert für den Übergang von Übertragungs- zum Erkennungsbereich herausgestellt. Für hochwertige Daten- und Sprachdienste ist jedoch eine wesentlich bessere BER notwendig. Sprache und Daten können mit einer BER von 10^–5 ganz gut leben; für technische Anwendungen mit Sicherheitsfunktionen ist auch bei Funk eine BER von besser als 10^-9 notwendig.

Bei Funksystemen spielt die Nutzung des Mediums „Luft“ eine große Rolle. Wie auch bei kabelgebundenen Techniken kann ein und derselbe Kanal nicht mehrfach verwendet werden. Für Funk heißt das, dass dieselbe Frequenz an einem Ort und zu einer Zeit von exakt einer Station verwendet werden darf. Das ist auch der Grund, warum Regulierung so wichtig ist. Im Gegensatz zu konventioneller Kabeltechnik stehen den Funkern aber die Dimensionen Raum, Zeit, Frequenz und Code zur Verfügung. Ortsmultiplexing ist durch zellulare Netzwerke, wie sie beispielsweise in der Mobilfunktechnik verwendet werden, bekannt (Bild A).

Durch die systembedingt begrenzte Reichweite kann eine Frequenz an unterschiedlichen Orten mehrfach verwendet werden. Aktuell arbeiten Mobilfunkprovider mit unterschiedlichen Zellgrößen für dicht und weniger dicht besiedelte Gebiete, so dass durch eine geschickte Ortswahl eine hohe Kommunikationsdichte erzielt werden kann.