Mike Fahrion
I. Grundlegende Logarithmen.
Hochfrequenz (HF)-Leistung wird in Milliwatt (mW) oder, auf nützlichere Weise, in einer logarithmischen Skala von Dezibel (dB) bzw. Dezibel mit einer Bezugsgröße von 1 mW Leistungspegel (dBm) gemessen. Da die Dämpfung der HF-Leistung als logarithmische Funktion erfolgt, stellt die dBm-Skala ein äußerst praktisches Hilfsmittel dar. Im Folgenden sind einige Beispiele für Bezugswerte der beiden Skalen aufgeführt:
1 mW = 0 dBm
2 mW = 3 dBm
4 mW = 6 dBm
10 mW = 10 dBm
100 mW = 20 dBm
1 W = 30 dBm
Eine 2-fache Erhöhung der Energie erzeugt eine Signalverstärkung um 3 dB.
Eine 10-fache Erhöhung der Energie erzeugt eine Signalverstärkung um 10 dB.
Eine 100-fache Erhöhung der Energie erzeugt eine Signalverstärkung um 20 dB.
II. Je höher die Frequenz, desto mehr Mehrwegausbreitung tritt auf.
Industrielle Anwendungen arbeiten in der Regel in „lizenzfreien“ Frequenzbändern, die auch als ISM-Bänder für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen bezeichnet werden. Die Frequenzen und Leistungspegel dieser Bänder sind von Land zu Land unterschiedlich. Die häufigsten Frequenzen sind wie folgt:
– 2,4 GHz – nahezu weltweit
– 915-MHz-Band – Nordamerika, Südamerika und einige andere Länder
– 868-MHz-Band – Europa
Bei höheren Frequenzen erhöht sich in der Regel auch die verfügbare Bandbreite, dafür verringern sich aber die Reichweite und die Fähigkeit, Hindernisse zu überwinden. Über eine gegebene Distanz findet bei einer 2,4-GHz-Installation im Vergleich zu 900 MHz eine zusätzliche Pfaddämpfung von ungefähr 8,5 dB statt. Beachten Sie, dass bei niedrigeren Frequenzen größere Antennen erforderlich sind, um den gleichen Gewinn zu erzielen.
III. Fernempfang ist nicht ausschließlich von der Sendeleistung abhängig.
Je empfindlicher das Funkgerät ist, desto niedrigere Leistungssignale können erfolgreich empfangen werden.
Sie können Ihre Empfangsempfindlichkeit und damit die Reichweite häufig durch eine Reduzierung der durch die Luft übertragenen Datenraten verbessern. Die Empfangsempfindlichkeit ist eine Funktion der Datenübertragungsgeschwindigkeit (Baudrate). Mit abnehmender Baudrate erhöht sich die Empfangsempfindlichkeit. Bei vielen Funkgeräten kann die Baudrate reduziert werden, um eine maximale Reichweite zu erzielen.
Die Empfangsempfindlichkeit eines Funkgerätes erhöht sich außerdem auch bei niedrigeren Frequenzen. Daraus ergibt sich ein weiterer wichtiger Vorteil im Hinblick auf die Reichweite einer 900-MHz-Installation im Vergleich zu 2,4 GHz. Dieser Unterschied kann sechs bis zwölf dB betragen.
IV. Es kann ebenso hilfreich sein, das Ausmaß des Grundrauschens zu kennen wie die Empfangsempfindlichkeit.
Das HF-Hintergrundrauschen kann aus verschiedenen Quellen wie Sonnenaktivität, digitalen Hochfrequenzgeräten oder konkurrierenden Funkkommunikationssystemen stammen. Durch das Hintergrundrauschen entsteht ein Rauschboden, in dem die gewünschten Signale verloren gehen. Dieses Grundrauschen ist frequenzabhängig.
Das Grundrauschen ist oft niedriger als die Empfangsempfindlichkeit des Funkgerätes. In diesem Fall muss es beim Aufbau des Systems nicht berücksichtigt werden. Wenn Sie sich aber in einer Umgebung mit hohem HF-Rauschen in Ihrem Frequenzband befinden, sollten Sie die Werte für das Grundrauschen anstelle der Empfangsempfindlichkeit für Ihre Berechnungen verwenden. Eine einfache Funkvermessung des Standortes, um das Ausmaß des Grundrauschens zu bestimmen, kann sich auf lange Sicht auszahlen.
Mögliche Störungsquellen sind nicht immer augenscheinlich. Im Zweifelsfall sehen Sie sich zunächst einmal gut um. Antennen finden sich überall, an der Seite von Gebäuden, an Wassertürmen, Plakatwänden und Schornsteinen. Manchmal sind sie sogar als Baum getarnt.
V. Die drahtlose Kommunikation kann von Regen bis Sonneneruption durch alles Mögliche beeinträchtigt werden.
Eine Schwundreserve von nicht weniger als 10 dB bei gutem Wetter kann dazu beitragen, den effektiven Systembetrieb bei ungünstigen Wetter- oder Sonnenbedingungen und HF-Interferenzen zu gewährleisten. Sie können die Schwundreserve eines Systems mit Hilfe verschiedener Methoden selbst bestimmen, ohne eine spezielle Ausrüstung kaufen zu müssen. Wählen Sie eine oder mehrere der folgenden Methoden aus, um sicherzustellen, dass Ihre Installation robust ist:
1. Bei manchen Funkgeräten kann die Ausgangsleistung programmiert werden. Reduzieren Sie die Energie, bis die Leistung schwächer wird, und stellen Sie den Energiepegel dann wieder auf mindestens 10 dB ein. Bedenken Sie, dass eine Verdoppelung der Ausgangsleistung eine Signalverstärkung um 3 dB erzielt und dass eine zehnfache Erhöhung der Sendeleistung erforderlich ist, um eine Signalverstärkung um 10 dB zu erzielen.
2. Investieren Sie in ein kleines 10-dB-Dämpfungsglied (wählen Sie das richtige Dämpfungsglied für Ihre Funkfrequenz aus). Wenn Sie das Dämpfungsglied in Reihe mit einer Ihrer Antennen installieren und daraufhin Kommunikationsverlust auftritt, verfügen Sie nicht über genügend Schwundreserve.
3. Das Antennenkabel ist eine Verlustleitung. Dies gilt umso mehr bei höheren Frequenzen. Die Spezifikationen sind je nach Typ und Hersteller unterschiedlich, deshalb sollten Sie sie selbst überprüfen. Bei 900 MHz beträgt die Dämpfung mit einem RG58 Koaxialkabel in einer Länge von 15 bis 30 m 10 dB. Bei 2,4 GHz beträgt die Dämpfung mit einer Kabellänge von 6 bis 12 m 10 dB. Wenn Ihr System mit der Testlänge des Kabels weiterhin zuverlässig arbeitet, verfügen Sie über eine Schwundreserve von mindestens 10 dB.
VI. Die richtige drahtlose Ausrüstung kann mit Hilfe einfacher Gleichungen bestimmt werden.
Es bedarf keiner schwarzen Magie, um die Reichweite eines bestimmten Funksignals vorauszusagen. Dafür gibt es einfache Faustregeln. Die Gleichung für erfolgreichen Funkempfang lautet wie folgt:
Sendeleistung + TX-Antennengewinn – Pfaddämpfung – Kabeldämpfung + RX-Antennengewinn – 10 dB Schwundreserve > Empfänger-Funkempfindlichkeit oder (seltener) HF-Grundrauschen
Sie können die meisten dieser Parameter aus den Herstellerdaten entnehmen. Lediglich zwei Parameter, die Pfaddämpfung und das HF-Grundrauschen im Falle starker HF-Interferenzen, müssen Sie selbst bestimmen.
VII. Die Platzierung der Antenne kann viel ausmachen.
Auf einem unbehinderten Pfad durch die Luft werden Funksignale mit dem Quadrat der Entfernung abgeschwächt. Eine Verdoppelung der Reichweite erfordert eine vierfache Erhöhung der Energie. Daraus ergibt sich Folgendes:
– Bei Halbierung der Entfernung verringert sich die Pfaddämpfung um 6 dB.
– Bei Verdoppelung der Entfernung erhöht sich die Pfaddämpfung um 6 dB.
In Gebäuden weisen die Pfade meist eine höhere Komplexität auf, deshalb sollten Sie einen höheren Wert einkalkulieren:
– Bei Halbierung der Entfernung verringert sich die Pfaddämpfung um 9 dB.
– Bei Verdoppelung der Entfernung erhöht sich die Pfaddämpfung um 9 dB.
Funkgerätehersteller geben die Reichweite bei Sichtverbindung („line of sight“) an. Sichtverbindung bedeutet, dass Sie Antenne B von der Antenne A sehen können. Dabei genügt es allerdings nicht, lediglich das Gebäude zu sehen, in dem sich Antenne B befindet. Für jedes Hindernis auf der Strecke verkürzt sich die Reichweite bei Sichtverbindung entsprechend. Die Art und Position des Hindernisses sowie die Anzahl der Hindernisse wirken sich auf die Pfaddämpfung aus.
Stellen Sie sich die zwischen den Antennen ausgestrahlten Linien als elliptischen Pfad in Form eines Rugbyballs vor. Das Zentrum des HF-Pfads ist breit und enthält zahlreiche Verbindungen. Ein einzelnes Hindernis in diesem Bereich wirkt sich nur minimal auf die Pfaddämpfung aus. Wenn Sie sich aber einer der Antennen nähern, verengt sich das HF-Feld. Hindernisse in der Nähe der Antennen können daher eine starke Pfaddämpfung bewirken.
Die Entfernung zwischen den Antennen wird leicht unterschätzt. Bei einer Anwendung mit kurzer Reichweite sollten Sie die Entfernung abschreiten. Bei einer Anwendung mit langer Reichweite können Sie die Entfernung mit einem GPS oder Google Maps bestimmen.
Eine Verringerung der Pfaddämpfung kann am besten durch eine höhere Positionierung der Antennen erreicht werden. Bei einer Höhe von 2 m beträgt die Sichtverbindung wegen der Erdkrümmung lediglich 5 km. Daher stellt alles, was über die Höhe eines kurzgeschorenen Rasens hinausgeht, ein Hindernis dar.
Die Wetterbedingungen spielen eine Rolle. Durch erhöhte Luftfeuchtigkeit wird die Pfaddämpfung verstärkt. Je höher die Frequenz, desto höher ist die Pfaddämpfung.
Vorsicht vor Laubwerk. Eine kleine Baumgruppe auf halber Strecke ist kein Problem, aber es ist äußerst schwierig für HF-Strahlen, dichte Waldungen zu durchdringen. Wenn Sie ein Waldgebiet überqueren, muss Ihre Antenne höher als die Baumkronen platziert sein.
Industrielle Installationen umfassen oft viele reflektierende Hindernisse. Dadurch entstehen zahlreiche Pfade zwischen den Antennen. Das empfangene Signal ist die Vektorsumme aller dieser Pfade. In Abhängigkeit von der Phase des jeweiligen Signals können sie addiert oder subtrahiert werden. In Mehrwegeumgebungen kann die Signalstärke deutlich verbessert werden, wenn die Position der Antenne leicht verändert wird.
Manche Hindernisse sind nicht feststehend. Mehr als eine erfolgreiche drahtlose Anwendung ist durch temporäre Hindernisse wie Containerstapel, geparkte Lastwagen oder Transport- und Verladegeräte zu Fall gebracht worden. Planen Sie entsprechend.
Denken Sie daran, dass Metall nicht wünschenswert ist. Eine Antenne kann nicht aus dem Inneren einer Metallkassette oder durch die Wände eines Speichertanks übertragen.
Faustregeln für die Pfaddämpfung:
– Überschreiten Sie auf keinen Fall 50 % der vom Hersteller angegebenen Distanz bei Sichtverbindung („line of sight“). Dadurch allein ergibt sich eine theoretische Schwundreserve von 6 dB, was bereits ein großer Teil der erforderlichen 10 dB ist.
– Verringern Sie die Distanz noch stärker, wenn sich zwischen den beiden Antennen, aber nicht in der Nähe der Antennen, Hindernisse befinden.
– Verringern Sie die Distanz auf 10 % der Herstellerangaben bei Sichtverbindung, wenn mehrere Hindernisse vorliegen, wenn sich Hindernisse in der Nähe der Antennen befinden oder wenn die Antennen in einem Gebäude aufgestellt sind.
VIII. Konkurrierende Antennen können Ihre eigene Antenne störend beeinflussen.
Die Wahl der richtigen Antenne und ihre Aufstellung spielen eine wichtige Rolle für die erfolgreiche drahtlose Konnektivität. Antennen können ihre effektive Leistung erhöhen, indem die abgestrahlte Energie in die gewünschte Richtung gebündelt wird. Bei Verwendung der richtigen Antenne wird nicht nur die Leistung gebündelt, sondern auch die Abstrahlung von Energie in andere Bereiche vermindert.
Die zunehmende Beliebtheit drahtloser Kommunikation bringt allerdings mit sich, dass geeignete hochgelegene Aufstellungsorte für Antennen stark frequentiert sind. Es kommt recht häufig vor, dass sich am geplanten Standort für die Installation einer Antenne bereits zahlreiche andere Antennen befinden. Selbst wenn Sie davon ausgehen, dass diese Systeme mit Frequenzspreizung arbeiten und wahrscheinlich andere ISM- oder lizenzierte Frequenzbänder verwenden, sollten Sie dennoch darauf achten, den Abstand zwischen diesen Antennen und ihrer eigenen Antenne so groß wie möglich zu halten. Die meisten Antennen strahlen in einem horizontalen Muster aus, deshalb ist eine vertikale Abgrenzung sinnvoller als eine horizontale. Versuchen Sie, Antennen mit gleicher Polarisierung durch mindestens zwei Wellenlängen voneinander zu trennen, das heißt circa 0,66 m bei 900 MHz bzw. 0,25 m bei 2,4 GHz.
IX. Verwenden Sie gute Kabel und verlegen Sie diese so kurz wie möglich.
Hohe Frequenzen breiten sich nicht gut durch Kabel und Konnektoren aus. Verwenden Sie ein hochwertiges HF-Kabel zwischen dem Antennenanschluss und der Antenne. Achten Sie darauf, dass alle Konnektoren ebenfalls von hoher Qualität sind und sorgfältig installiert werden. Berücksichtigen Sie eine 0,2-dB-Dämpfung pro Koaxialanschluss zusätzlich zur eigentlichen Kabeldämpfung. Die typische Dämpfung bei zwei häufig verwendeten Kabeltypen ist im Folgenden aufgeführt.
Dämpfungsverlust pro 3 Meter Kabellänge
Frequenz / RG-58U / LMR-400
900 MHz / 1,6 dB / 0,4 dB
2,4 GHz / 2,8 dB / 0,7 dB
Lange Kabelstrecken zu einer Antenne können zwar Signalverluste verursachen, aber dieser Nachteil kann durch eine Erhöhung der Antenne um 7 oder 8 m mehr als wettgemacht werden.
X. Berücksichtigen Sie Latenzzeiten und Paketierung bei der Bestellung.
Bitfehlerraten bei der drahtlosen Kommunikation sind von höherer Größenordnung als bei verdrahteten Netzwerken. Die meisten Funkgeräte führen automatisch eine Fehlererkennung und Wiederholversuche durch, was sich allerdings auf den Durchsatz und variable Latenzzeiten auswirkt. Bei der Verwendung drahtloser Netzwerke muss Ihre Software entsprechend ausgelegt sein und die Kommunikationsprotokolle müssen variable Latenzzeiten zulassen. Protokolle, die empfindlich auf Interbyte-Delays reagieren, erfordern gegebenenfalls besondere Aufmerksamkeit oder eine spezielle Protokollunterstützung durch das Funkgerät. Machen Sie Ihre Hausaufgaben, bevor Sie eine Bestellung aufgeben. Vergewissern Sie sich, dass Ihre Software nicht überlastet wird und dass das vorgesehene Funkgerät ebenso wie Ihre Anwendungssoftware mit dem Protokoll kompatibel sind.
Über Mike Fahrion
Mike Fahrion ist Leiter Produktmanagement bei B&B Electronics, und ein Experte für Datenkommunikation mit 20 Jahren Erfahrung in Systemdesign und Anwendungen. Er ist für die Entwicklung der robusten M2M-Konnektivitätslösungen des Unternehmens verantwortlich, die in drahtlosen und verdrahteten Netzwerken auf der Basis von seriellen, Ethernet-, Wireless- und USB-Kommunikationstechnologien Anwendung finden. Fahrion verfügt insbesondere über Sachkenntnis im Hinblick auf zuverlässige Konnektivitätslösungen für Geräte, die am äußeren Rand eines Netzwerkes in abgelegenen, schwierigen oder ungesteuerten Umgebungen installiert werden. Dank seiner fachlichen Kompetenz und einem besonderen Talent, komplexe Zusammenhänge vereinfacht darzustellen, ist Mike Fahrion in der Lage, technischen Slang und Marketingsprache in praktische und nützliche Informationen für Techniker und Manager umzuwandeln. Fahrion ist ein Referent und bekannter Autor und veröffentlicht unter anderem einen „politisch inkorrekten Newsletter“, eConnections, mit mehr als 50.000 monatlichen Abonnenten. Fahrion hat einen BSEE-Abschluss von der Iowa State University.