2,4-GHz- oder Sub-GHz-Funknetze?
Schneller ist nicht immer besser
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Schneller ist nicht immer besser
Die Empfindlichkeit ist umgekehrt proportional zur Kanalbandbreite, sodass der Empfänger aufgrund der kleineren Bandbreite empfindlicher ist und bei geringeren Übertragungsraten effizienter arbeitet. Sind zum Beispiel bei 300 MHz die Quarzfehler im Sender und Empfänger (XTAL-Ungenauigkeiten) jeweils 10 ppm, beträgt der Fehler jeweils 3 kHz. Für ein effizientes Senden und Empfangen beträgt die minimale Kanalbandbreite das Zweifache der Fehlerrate (6 kHz), was ideal für Schmalbandanwendungen ist. Bei 2,4 GHz würde das gleiche Szenario eine minimale Kanalbandbreite von 48 kHz erfordern, was Bandbreite für Schmalbandapplikationen verschwendet und wesentlich mehr elektrische Leistung im Betrieb erfordert.
Generell benötigen alle Funkschaltungen, einschließlich rauscharmem Verstärker, Leistungsverstärker, Mischer und Synthesizer, bei höheren Frequenzen mehr Strom, um die gleiche Performance zu erzielen als bei niedrigeren Frequenzen. Sub-GHz-Anwendungen haben gegenüber 2,4-GHz-Lösungen also eine ganze Reihe von Vorteilen. Allerdings gibt es auch einige Nachteile; der wohl größte ist die größere Antenne bei Sub-GHz-Anwendungen. Antennenlänge und Sendefrequenz sind nämlich umgekehrt proportional zueinander. Mittels Gleichung (2) lässt sich die Länge für l/4-Antennen bestimmen.
(2) 
Die optimale Antennenlänge für 433-MHz-Applikationen kann demnach bis zu 18 cm betragen (Tabelle 1):
| Sendefrequenz | Antennenlänge |
|---|---|
| 433 MHz |
17,3 cm |
| 915 MHz | 8,2 cm |
| 2,4 GHz |
3 cm |
Tabelle 1: Je höher die Sendefrequenz, desto kürzer die Antenne (λ/4)
Ist die Größe des Funkknotens ein wichtiges Designkriterium, können Entwickler die Frequenz erhöhen (bis zu 950 MHz), um eine kleinere Antenne zu integrieren. Reichweite, Leistungsaufnahme, Antennengröße und Datenrate sind nicht die einzigen Designerwägungen bei Funkanwendungen. Der weltweite Einsatz, die Größe des Software-Stacks und die Kosten sind ebenfalls relevant. Hersteller von Videospielen, die ihre Produkte weltweit vertreiben wollen, können 2,4-GHz-Funk für alle ihre Konsolen verwenden, da es sich dabei um eine weltweite ISM-Zuordnung handelt.
Auf ähnliche Weise teilen sich Funkanwendungen im 433-MHz-Band eine weltweit gültige Sub-GHz-ISM-Zuweisung, wobei nur Japan eine Ausnahme bildet. Außerdem wird 915 MHz vor allem in Nordamerika und Australien verwendet; 868 MHz in Europa und 315 MHz in Nordamerika, Asien und Japan. Eine Reihe von Standardlösungen für die Funk-PHY-, -MAC- und -Stack-Layer stehen für 2,4-GHz- und Sub-GHz-Anwendungen zur Verfügung. IEEE 802.15.4 (PHY/MAC), ZigBee, Bluetooth, 6LoWPAN, WLAN und RF4CE sind gängige 2,4-GHz-Lösungen. Sub-GHz-basierte Standardlösungen umfassen ZigBee (derzeit das einzige Protokoll, das sowohl 2,4-GHz- als auch Sub-GHz-Versionen in den 868-MHz- und 900-MHz-Bändern bereitstellt), »EnOcean«, »io-homecontrol«, »ONE-NET«, »INSTEON« und »Z-Wave«.
Standardlösungen bieten den Vorteil anbieterunabhängiger interoperabler Knoten, erhöhen aber meist die Kosten und den Speicherbedarf eines jeden Knotens. Ein ZigBee-Funkknoten für 2,4 GHz kostet etwa zwei US-Dollar, und der Software-Stack erfordert in etwa 128 KByte Embedded-Speicher. Umgekehrt zielen proprietäre Sub-GHz-Knoten auf kostengünstige Systeme ab, wobei jeder Knoten etwa dreißig bis vierzig Prozent weniger kostet und 4 KByte für den Stack benötigt, beispielsweise der »EZMacPRO« von Silicon Labs. Mit speziellen Funktionen und kleinen Software-Stacks können proprietäre Lösungen kleine Die-Größen erzielen und weniger Speicherbedarf erfordern. Hinzu kommt, dass die weniger komplexen Stacks die Installation vereinfachen und die Wartungskosten senken. Proprietäre Sub-GHz-Lösungen eignen sich daher für sehr kostengünstige lokale Punkt-zu-Punkt-Netzwerke, zum Beispiel Garagentoröffner oder Home-Automation-Systeme.
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