Wie arbeiten funkvernetzte Geräte besser zusammen?

Über Funk vernetzte Geräte übertragen Informationen über ein Medium wie Luft, Vakuum oder Wasser. Dabei können Interferenzen bzw. Störungen die Funkleistung elektronischer Geräte verschlechtern, was zu niedrigeren Durchsatzraten und dem Risiko eines Verbindungsabbruchs führt. Bei kabelgebundenen Geräten ist dies nicht der Fall, denn hier werden die Informationen über abgeschirmte Draht- oder optische Kabel gesendet und empfangen.

Gefahr von Interferenz

Funktechnik nutzt verschiedene Frequenzbänder für die Kommunikation. Diese lassen sich weiter in viele Kommunikationskanäle unterteilen, die als unabhängige Wege für den Informationsaustausch dienen. Sie sind durch die Mittenfrequenz und die Kanalbreite (Bandbreite) charakterisiert.

In Mobilfunknetzen werden die Frequenzkanäle zwischen den Mobilfunknetzbetreibern (MNOs, Mobile Network Operators) aufgeteilt, die bei den Regulierungsbehörden für Telekommunikation eine Lizenz erwerben. In den zugewiesenen Frequenzen in jedem Teil der Kommunikationskette darf keine zusätzliche, nicht autorisierte Funkstrahlung vorhanden sein. Diese Vorschriften sollen dafür sorgen, dass die lizenzierten Frequenzen so ausgelegt sind, dass sich die Wahrscheinlichkeit möglicher Interferenzen/Störungen verringert.

Interferenz in ISM-Frequenzbänder

Die Gefahr von Interferenzen ist in Funknetzen mit kurzer Reichweite viel größer. Die bekanntesten Techniken in dieser Kategorie sind WLAN und Bluetooth. Beide arbeiten in den ISM-Frequenzbändern (Industrial, Scientific, Medical) und teilen sich einen Teil der Frequenzressourcen. Im Gegensatz zu den Frequenzen von Mobilfunknetzen sind diese zwar nicht lizenziert, aber dennoch reguliert. Wie der Name schon sagt, waren die ISM-Bänder ursprünglich für industrielle, wissenschaftliche und medizintechnische Zwecke gedacht, aber sie bieten auch eine Möglichkeit, funkbasierte Geräte in Wohnungen, Büros, Fahrzeugen und anderswo zu vernetzen.

Die bekanntesten ISM-Bänder sind 2,4 und 5 GHz. Das erste Band wird von beiden der oben genannten Funknetze mit kurzer Reichweite genutzt, während nur WLAN das zweite Band abdeckt. Das 5-GHz-ISM-Band bietet viel mehr Kanäle und ist viel weniger belegt. Dies macht es zum geeigneten Kanal für dicht besiedelte Orte, an denen viele vernetzte Geräte aktiv sein sollen. Der einzige Nachteil ist die geringere Reichweite im 5-GHz-Band im Vergleich zum 2,4-GHz-Band. Der Grund: die kürzere Signalwellenlänge verschlechtert die Reichweite. WLAN im ISM-Band 2,4 GHz hat nur drei sich nicht überschneidende Kanäle, was die Gefahr von Interferenzen weiter erhöht. Eine mögliche Lösung in diesen Bändern sind Techniken wie Listen Before Talk (LBF), Adaptive Frequency Hopping (AFH) oder Dynamic Frequency Selection (DFS).

Viele Geräte nutzen die verschiedene Funktechniken parallel. Das beste Beispiel ist ein Smartphone. Es kann mit einem WLAN für die Internetverbindung verbunden sein und parallel dazu Informationen mit einer Bluetooth-fähigen Smartwatch austauschen, während es für Sprachanrufe weiterhin über ein Mobilfunknetz erreichbar ist. Gründliche Tests sind nötig, um ein angemessenes Benutzererlebnis für alle Funktechniken zu gewährleisten. Dabei machen die unterschiedlichen Standards und Versionen der Techniken das Testen insgesamt komplexer.

Interferenz durch schlechtes Design

Bisher hat sich die Diskussion auf die Interferenzen konzentriert, die aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Frequenzressourcen auftreten. Interferenzen können aber auch durch ein schlechtes Design des Funk-Frontends entstehen. Dies kann zu unerwünschten Emissionen in Frequenzspektren führen und Störungen in anderen Kanälen verursachen. Die Ursache ist oft eine schlechte Materialauswahl, eine schlechte Platzierung von Komponenten oder einfach die Verwendung fehlerhafter Bauteile. Um diese Probleme einzudämmen, wurden gesetzliche Grenzwerte für die Übertragung und den Empfang von Signalen festgelegt.

In Europa sind diese Grenzwerte in Europäischen Normen (EN) festgelegt, die das European Telecommunications Standards Institute (ETSI) erstellt. In den ETSI-Normen werden nicht nur Grenzwerte definiert, sondern auch Prüfverfahren und viele weitere Anforderungen festgelegt.  Weltweit gibt es weitere ähnliche Regulierungseinrichtungen für Telekommunikation.

Validierung von Funknetzen

Es gibt also zwei Hauptgründe für Interferenzen – viele Geräte, die dieselben Funkkanäle nutzen, bei denen die Wahrscheinlichkeit von Interferenzen höher ist, und ein schlechtes Design eines funkbasierten Endprodukts, das möglicherweise Energie in einen anderen als den vorgesehenen Funkkanal abgibt. Deshalb ist es wichtig, dass die Geräte so funktionieren, wie sie sollen, wobei die Funktechniken harmonisch nebeneinander agieren können.

Anritsu stellt als Anbieter von Test- und Messgeräten Lösungen bereit, um die Qualität und Leistungsfähigkeit funkbasierter Geräte in allen Phasen der Entwicklung zu überprüfen. Das Angebot reicht von Spektrumanalyzern und Signalgeneratoren bis hin zu Netzwerksimulatoren, auch bekannt als Callboxen.

Für die Validierung von Funknetzen mit kurzer Reichweite steht der WLAN-Tester MT8862A und der Bluetooth-Tester MT8852B zur Verfügung.

Beim Testen von Mobilfunktechnik unterstützt der Radio Communication Analyzer MT8821C ältere Mobilfunktechnik bis hin zu 4G, einschließlich der Mobilfunk-IoT-Techniken Cat. M und NB-IoT. Hinzu kommt der Signaling Tester MD8475B als Basisstationssimulator. Für 5G gibt es die Radio Communication Test Station MT8000A.

Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen von Anritsu