Die Attraktivität des 2,4-GHz-Bandes

Neben Mikrowellen-Öfen arbeiten unter anderem WLAN-Router und Bluetooth Headsets im 2,4-GHz-Band. Auch in der Industrieautomatisierung kommen Übertragungstechniken im selben Frequenzbereich oft zum Einsatz. Hier sind es, anders als bei den medienorientierten Anwendungen im privaten Haushalt, oftmals kleinere Datenmengen, die übertragen werden. Dafür steigt allerdings die Anzahl der Knoten deutlich an.

Der größte Vorteil und gleichzeitig auch ein großer Nachteil der Technik im 2,4-GHz-Band steht auf zwei Säulen: Einerseits ist das 2,4-GHz-Band als eines von mehreren so genannten ISM-Bändern – ISM steht für Industrial, Medical and Scientific – für allgemeine Anwendungen freigehalten und darüber hinaus auch noch lizenzfrei. Das bedeutet, dass sich hier unterschiedliche Techniken prinzipiell frei etablieren können. Eine Einschränkung liegt beispielsweise nur in der Beschränkung der Übertragungsleistung auf 100 mW (für Europa). Hinzu kommt noch ein praktischer Aspekt: Die Wellenlänge liegt bei 12,5 cm, womit sich Lambda/4-Antennen mit nur etwas mehr als 3 cm errechnen, die sich einfach in vielen Geräten unterbringen lassen.

Die freie Verfügbarkeit stellt natürlich auch einen Nachteil dar, denn hier haben wir es nicht nur mit einer Technik zu tun, sondern mit mehreren, die sich gegenseitig beeinflussen und stören können. Die Standardisierung hat dazu beigetragen, dass Technologien aus dem Consumerbereich, aufgrund der enormen Stückzahlen, auch für andere Bereiche wie die Industrieautomatisierung oder den Automotive-Bereich zugänglich und interessant sind, oder auch vom Kunden gefordert wurden.

Andererseits wurde leider bei der Standardisierung, zumindest zu Beginn, die jeweils andere Technologie wenig oder gar nicht berücksichtigt, so dass sich heute gegenseitige Beeinflussungen ergeben. Darüber hinaus entwickelt sich momentan mit Bluetooth Low Energy (BLE als Version BT4.0) eine weitere wichtige Funktechnologie für den Markt, die erneut durch den Consumer-Markt forciert wird.

Das neue iPhone 4S unterstützt die BLE Version 4.0. Weitere Smartphones, basierend auf Android, sind bereits angekündigt. Andere Wireless Technologien, die im 2,4 GHz-Band arbeiten wie beispielsweise Zig Bee, ANT oder Videofunk spielen nur eine untergeordnete Rolle beziehungsweise bewegen sich in Nischenapplikationen, in denen eine Koexistenz verschiedener Technologien nur wenig gefordert ist oder gar nicht vorkommt.

Generell sind aber durch den häufigen Einsatz und die starke Verbreitung Kollisionen der verschiedenen 2,4-GHz-Technologien schon vorgegeben und die Koexistenz der Funktechnologien wie bei kombinierten Bluetooth/WLAN-Systemen erhält eine wichtige Bedeutung.

Verschiedene Funk-Techniken

Die verschiedenen Funk-Technologien zielen dabei auch auf unterschiedliche Anwendungen ab. Häufigste Anwendung für WLAN, das Wireless Local Area Network, ist sicherlich im häuslichen Bereich die Vernetzung von Computern, Spielkonsolen und Smartphones mit einem Wireless Hotspot oder als Wireless Access Point. Die Übertragungsraten haben sich von der ersten gängigen IEEE-Standard Version 802.11b, die 1999 verabschiedet wurde, mit 11 Mbit/s bis zu 600 Mbit/s heute (als MIMO), in der Version 802.11n von 2009 entwickelt. Hier musste u.a. mit der rasanten Entwicklung des Internetzugangs Schritt gehalten werden, wobei immer höhere Anschlussbandbreiten zur Verfügung standen, oder neue Applikationen mit hohen Datenraten wie Media- und Video-Streaming unterstützt werden. Fast parallel dazu verlief die Entwicklung von Bluetooth, denn auch hier wurde die erste finale Version der Spezifikation von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) 1999 veröffentlicht. Die aktuelle Version ist die Ausgabe BT 4.0, die auch Bluetooth Low Energy umfasst. Der Schwerpunkt lag nicht so sehr auf einer Erhöhung der Bandbreite (diese stieg von 732,2 kbit/s auf 2,1 Mbit/s in der Enhanced Data Rate Spezifikation und 24 Mbit/s in der Highspeed Spezifikation, dort allerdings in Verbindung mit WLAN bzw. UWB) beziehungsweise Übertragungsgeschwindigkeit im System, sondern auf zusätzlichen Eigenschaften und entsprechende Übertragungssicherheit.

Damit definieren sich auch die Anwendungen, die hier unterstützt werden. Dazu gehören Bluetooth Headsets und – mit entsprechender Audiocodec und – Softwareunterstützung – auch HiFi-Stereokopfhörer, Freisprecheinrichtungen im Kfz-Bereich, Ersatz von einfachen seriellen Anschlüssen oder Computerperipherie wie Keyboards oder PC-Mäusen. Letzteres wird jetzt auch speziell durch Bluetooth Low Energy adressiert, da hierbei der Fokus auf geringsten Stromverbrauch bei der Datenübertragung liegt. Andere Anwendungen für BLE sind  z. B. Fernsteuerungen oder Sensoren. Bluetooth wurde für das Nahfeld um einen Computer, eine Maschine oder den Menschen entwickelt (WPAN, Wireless Personal Area Network). Die drei Technologien WLAN/WiFi, Bluetooth und BLE decken ein großes Bandbreiten-Spektrum im lokalen Umfeld von 1 m bis zu mehreren 100 m ab.

Nutzung im industriellen Umfeld

Einer Nutzung im industriellen Umfeld steht eigentlich nichts mehr im Wege – gäbe es da nicht die Einschränkung auf das ISM-Frequenzband von 2,4 bis 2,485 GHz und die Bandbreite, die jede Technologie für sich benötigt. WLAN teilt das Frequenzband in Europa in 13 Kanäle ein, die je 5 MHz breit sind. Allerdings wird für einen WLAN-Kanal eine Bandbreite von 22 MHz benötigt, womit sich nur drei Kanäle parallel nutzen lassen. Typischerweise wird in einem WLAN-Netz immer ein Kanal genutzt. Bluetooth hingegen teilt das Band in 79 Frequenzstufen von je 1 MHz Breite und springt bei der Übertragung zwischen diesen Stufen bis zu 1600 Mal pro Sekunde hin und her. Dadurch sind Bluetooth-Verbindungen untereinander sehr störunempfindlich. Gleichzeitig ist aber die Wahrscheinlichkeit für eine Kollision innerhalb eines WLAN-Kanals mit 22/79 = 28 % bei kontinuierlichem Senden und Empfangen nicht gerade gering. Zwar ist nicht jeder Sender ständig aktiv, aber die Wahrscheinlichkeit von gegenseitigen Störungen nimmt mit der Anzahl der Sender und bei WLAN mit der Anzahl der genutzten Kanäle zu. Dies bedingt eine bessere Planung bei Netzwerken und eine entsprechende Unterstützung der zugrundeliegenden Technik.

Bei der Planung von WLAN-Netzen kann zum Beispiel die Nutzung unterschiedlicher Kanäle für unterschiedliche Aufgaben vorgesehen werden. Auf der Technikseite gibt es heute Unterstützung hinsichtlich der Koexistenz von WLAN und Bluetooth in einem Gerät. Dabei kommunizieren beispielsweise die CSR-Chipsets für WLAN CSR6031 und Bluetooth CSR8000 software- und hardware-unterstützt miteinander und stimmen die Zeitschlitze für das Senden und Empfangen untereinander ab. Somit wird die Kollision zwischen WLAN und Bluetooth von dieser Seite aus vermieden.

Die Nutzung der MIMO-Technologie im 2,4-GHz-Band ist, was die Vermeidung von Kollisionen angeht, problematisch, denn hier wird parallel und gleichzeitig auf mehreren Kanälen (bis zu drei) gesendet und empfangen. Ziel ist dabei die Erhöhung der Datenbandbreite für dedizierte Kommunikationsaufgaben. Eine Alternative ist das Ausweichen in das 5,8 GHz ISM-Frequenzband. Hier besteht allerdings der Nachteil in einer etwas komplexeren Hardware mit höheren Chipsatzkosten und der geringen Funkreichweite.

(jj)