Raus aus dem Datenfunk-Dschungel:
Wie Sie für jede Anwendung das richtige Funksystem finden

Vor- und Nachteile von den Funktechnologien Bluetooth, WLAN, 5G und Co.

Industriebetriebe, die nachhaltig erfolgreich wirtschaften und auch langfristig am Markt bestehen wollen, kommen an der Digitalisierung ihrer Prozesse und Produktionsabläufe nicht vorbei. Der Einsatz moderner Technologien und ihre Vernetzung sind die Voraussetzung, um dauerhaft mithalten zu können. Eine wichtige Komponente hierfür sind Datenfunksysteme: Sie ersetzen in immer mehr Bereichen Kabelverbindungen und ermöglichen die schnelle, zuverlässige und sichere Kommunikation der einzelnen Komponenten miteinander. Doch welche Funktechnologien- und Funksysteme gibt es, und welche eignen sich am besten für welche industriellen Anwendungen? Wir verschaffen Ihnen den Überblick.

Seit knapp 30 Jahren entwickeln, produzieren und vertreiben wir von der Schildknecht AG die Datenfunksysteme DATAEAGLE® für industrielle Anwendungen. Unsere Kernkompetenz ist die patentierte, hochstabile Funkübertragung von Daten, wie sie in der Kran- und Bühnentechnik, der Wasserwirtschaft sowie bei Seilbahnen oder selbstfahrenden Transportfahrzeugen (FTS) und vielen anderen benötigt wird. Durch die Vorverarbeitung der Daten auf der Softwareebene verhindert das System zuverlässig Bus-Fehler von Feldbussen und somit den Stillstand Ihrer Maschinen.

Vor allem Anwendungen in der Automatisierungstechnik mit rotierender oder linearer Bewegung sind prädestiniert für drahtlose Datenfunklösungen als Alternative zum Kabel. Wir wissen: Die Wahl der Funktechnologie und der genutzten Frequenz ist dabei abhängig von verschiedenen Faktoren, die am Ende dafür verantwortlich sind, ob das System stabil läuft.

Folgende Fragen sollten deshalb vorab beantwortet werden:

1. Welche Daten werden übertragen?
   

In industriellen Anwendungen werden meist Steuerungsdaten oder einfach I/O-Daten, aber auch Bild- und Videodaten übertragen. Bluetooth ist beispielsweise eine schmalbandige Funktechnologie, benutzt also sehr wenig Frequenzspektrum und sendet zudem laufend auf unterschiedlichen Kanälen. Das macht sie sehr robust gegenüber Störungen. WLAN hingegen ist breitbandig, benutzt also mehr Spektrum und kann somit mehr Daten in der gleichen Zeit übertragen, was gerade bei der Übermittlung von Bild- und Videodaten (Streaming) wichtig ist. Allerdings ist WLAN störungsanfälliger, da es auf einem festen Kanal sendet und anderen Nutzern nicht ausweichen kann. Entscheidend ist also, welche Art von Daten Sie mehrheitlich über welche Distanz und mit welchem Energieeinsatz übertragen wollen.

2. Wie groß ist die zu übertragende Datenmenge?

Der Datendurchsatz bei Funksystemen ist im Vergleich zu einem Kabel deutlich geringer – und zwar mindestens um den Faktor 1.000. Außerdem kommen die Daten mit einer Verzögerung, der sogenannten Latenz, an. Funktechnologien im Bereich der freien Bänder unter 1 GHz haben in der Regel eine höhere Latenz und einen geringeren Datendurchsatz. Daher werden hoch-performante Anwendungen wie zum Beispiel fahrerlose Transportsysteme (FTS) meist im Bereich bei 2,4 GHz und 5 GHz umgesetzt, während beispielsweise bei einer Kläranlage mit geringen Echtzeitanforderung bzw. bei geringen Datenmengen wie Sensorwerten auch 869 oder 433 MHz ausreichend sein können.

3. In welchem Land kommen die Funksysteme zum Einsatz?

Die Verwendung eines vorzertifizierten Funkmoduls, das im weltweit nutzbaren Funkspektrum von z.B. 2,4 GHz sendet, bedeutet nicht, dass man damit sein Produkt weltweit auch vertreiben oder betreiben darf. Für jedes Land und jeden Wirtschaftsraum gelten spezielle Richtlinien für Funksysteme. Im europäischen Wirtschaftsraum ist das die Radio Equipment Directive (RED 2014/53/EU), in den USA die FCC. In den meisten Fällen muss eine geräteabhängige Zulassung durch den Hersteller beantragt werden, damit Import und Betrieb genehmigt werden. WLAN und Bluetooth senden im 2,4-GHz-Band und sind ein globaler technischer Standard. Das bedeutet, dass für diese Funksysteme weltweit eine Zulassung beantragt werden kann. Im Gegensatz dazu wird beispielsweise die Frequenz 868/869 MHz in Europa eingesetzt, das Pendant dazu ist das 900- bis 915-MHz-Band in Amerika. In diesen Frequenzbändern gibt es kaum technische Standards wie z.B. LoRa. Die vielen proprietären Funkübertragungstechnologien sind untereinander nicht kompatibel. Hier ist daher der Zertifizierungsaufwand für den Inverkehrbringer deutlich höher.

Funktechnologien für Funksysteme im Überblick

Wer diese grundsätzlichen Fragen bedacht und geklärt hat, hat derzeit die Wahl zwischen den folgenden Funktechnologien:

Bluetooth

Bluetooth dient zur kabellosen Übertragung von Sprache, Musik und Daten über Kurzstrecken. Je nach Version und Leistungsklasse sind jedoch auch Entfernungen über mehrere 100 Meter möglich, bei Sichtverbindung sogar bis zu einem Kilometer. Außerdem hat der Gesetzgeber ein eigenes Koexistenzverfahren für Bluetooth definiert, das eine für industrielle Anwendungen günstigeren Jitter der Latenz ermöglicht, also eine geringere Streuung der Übertragungszeiten.

Das bevorzugte Einsatzgebiet von Bluetooth Low Energy (ab Version 4.1) sind neben Consumer-Anwendungen wie der Freisprecheinrichtung im Auto oder dem Smartphone auch Sensor-Applikationen. Bluetooth 2.x, und seit 2020 auch Bluetooth 5 eignen sich dagegen speziell für industrielle Anwendungen in der Automatisierungstechnik: Hier ist Bluetooth sogar die derzeit robusteste Funktechnologie, wozu vor allem die Eigenschaft des Frequenz-Hoppings beiträgt. Dies ermöglicht eine minimale Latenz und ist durch die vielen Kanäle sehr widerstandsfähig gegenüber Störeinflüssen wie zum Beispiel Reflexionen. Aus diesem Grund verwenden wir bei der Schildknecht AG schon seit mehr als zehn Jahren im 2,4-GHz-Band ausschließlich Bluetooth und kein WLAN mehr für Anwendungen in der Automatisierungstechnik.

Bevorzugter Einsatzbereich:

• Industrielle Anwendungen in der Automatisierungstechnik
• Consumer-Anwendungen
• Sensor-Applikationen

Bandbreite:

• 1 oder 2 MHz Bandbreite im Frequenzspektrum von 2,402 bis 2,480 GHz

Teilnehmer:

• Viele parallele unabhängige Funkstrecken mit bis zu 8 Teilnehmern an einer BT Basisstation (Master)

WLAN

Sollen große Datenmengen wie Bilder oder Videos übertragen werden, ist WLAN meist das Mittel der Wahl. So ist die drahtlose Kommunikation über Industrial Wireless LAN als Lösung schon in vielen Applikationen im Einsatz, beispielsweise bei mobilen Netzwerkteilnehmern wie fahrerlosen Transportsystemen oder bei Krananwendungen. Die jeweiligen Standards wie zum Beispiel WiFi (Wireless Fidelity, Standard IEEE-802.11) oder der neuste WLAN 6 (IEEE 802.11ax) beschreiben die Funktionalitäten des Systems.

WLAN arbeitet zusätzlich zum 2,4-GHz-Bereich auch auf 5 GHz. Die Verbindung besteht in der Regel zwischen fest installierten Access Points, die mit dem Netzwerk verbunden und in ihrer Anzahl nicht begrenzt sind. Auf dem 2,4-GHz-Band nutzt WLAN jedoch lediglich drei Kanäle, da sich benachbarte Router so nicht gegenseitig stören. Durch den CSMA/CA-Medienzugriff, bei der die Netzwerkteilnehmer nicht zeitgleich mit anderen Teilnehmern senden (Listen before talk) und so Kollisionen vermeiden, kann jedoch die Übertragung der Daten auf unbestimmte Zeit verzögert werden. Dies wirkt sich vor allem problematisch auf die Datenkommunikation in der Steuerungstechnik aus, da hier Pakete in engen Zeitgrenzen erwartet werden.

Bevorzugter Einsatzbereich:

• Mobile Netzwerkteilnehmer
• Große Datenmengen wie Bild- oder Videoübertragung

Bandbreite:

• 2,4 und 5 GHz, benötigte Bandbreite 20 oder 40 MHz (802.11.n)

Teilnehmer:

• 3 unabhängige Kanäle bei 2,4 GHz, und 14 bei 5 GHz, beliebig viele Teilnehmer an einer WLAN Basisstation (Access Point)

EchoRing

Eine besonders ausfallsichere Kommunikation zwischen den Anwendungskomponenten bietet die EchoRing-Technologie. Dabei handelt es sich um eine hochzuverlässige, echtzeitfähige deterministische Kommunikation. Die zugrunde liegende ‚Token-Ring-Technologie‘ ist auf ein Service-Level-basiertes Netwerkdesign ausgerichtet. Das Funksystem zeichnet sich durch eine besonders geringe Latenz (URLLC) aus, was wir im Schildknecht-eigenen Testzentrum überprüft und belegt haben (Lesen Sie hier den ausführlichen Beitrag). In Kombination mit der patentierten DATAEGLE®-Technologie können zuverlässig niedrige Latenzen erreicht werden sowie die Echtzeitfähigkeit der Steuerung mit 1ms Aktualisierungszeit aufrechterhalten werden. Somit eignet sich diese Lösung auch für, die eine zuverlässig niedrige Applikationszeit erfordern. Für die Datenübertragung nutzt EchoRing in Deutschland das 5,8-GHz-Frequenzband, was neben den niedrigen Latenzzeiten auch einen stabilen und störungsfreien Betrieb gewährleistet. Damit unterscheidet sich die Funklösung von allen gängigen Funksystemen.

Bevorzugter Einsatzbereich:

• High-Speed-Anwendungen
• Weitläufige und verwinkelte Anlagen

Bandbreite:

• 5,8 GHz

Teilnehmer:

• 2 bis 20 Teilnehmer je Funkkanal

Proprietäre Technologien

Im Laufe der Zeit sind eine Vielzahl von proprietären Funktechnologien entstanden. Manche wurden zu internationalen Standards, die von einer Organisation verwaltet und weiterentwickelt werden – wie beispielsweise Bluetooth von der SIG. Diese Organisationen verlangen Gebühren für die Patente und den Namen sowie weitere Services. Bevor man sich als Hersteller für eine Funktechnologie entscheidet, tut man also gut daran, zu prüfen, unter welchen Rechten die Technologie eingesetzt werden darf. So muss man an diese Technologieverwalter stückzahl- oder firmenabhängige Gebühren entrichten. Von einer Eigenentwicklung raten wir jedoch ab: Wenn es kein weltweiter Standard ist, wird ein weltweiter Vertrieb und Einsatz nicht möglich sein.

5G und 5G-Campusnetze

Der neuste Mobilfunkstandard 5G ermöglicht auch industrielle Anwendungen. Der Name 5G ist dabei zunächst ein Sammelbegriff für unterschiedliche Themen wie Frequenzspektrum, Bandbreite, Datenrate, Latenz, Antennentechnologien etc. 5G wird erst durch die Release-Versionen konkret technisch definiert. Aktuell spezifiziert das Release 15 die technischen Parameter, die in den aktuellen 5G-Smartphones verfügbar sind (enhanced mobile broad band - eMBB). Das Release 16 spezifiziert mit dem Service uRLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communication) industrielle Anwendungen mit unter anderem definierter Latenz und Zuverlässigkeit der Datenübertragung.

Neu an dieser Funktechnologie ist, dass dafür in Deutschland erstmals ein Frequenzbereich von 100 MHz zwischen 3,7 und 3,8 GHz für lokale Anwendungen reserviert wurde: private 5G-Campusnetze. So können Unternehmen für ihren Standort 5G-Bandbreite in 10-MHz-Teilen exklusiv beantragen und eine eigene Basisstation damit betreiben. Diese Basisstationen sind deutlich komplexer zu administrieren als beispielsweise ein WLAN-Accesspoint, weshalb auch Mobilfunkprovider hierfür den Betrieb und Dienstleistungen anbieten. Eine exklusive, eigene 5G-Basisstation auf dem Firmengelände (Campus-Netz) ermöglicht zuverlässigere eigene Wireless-Netzwerk-Infrastrukturen, die auf unterschiedliche Anwendungen optimiert werden können. Die Zuverlässigkeit kommt dabei jedoch weniger vom verwendeten Frequenzband, sondern hauptsächlich durch die exklusive Nutzung sowie die 5G-Technologie und die Leistungsklassen wie beispielsweise uRLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communication). Bei einer exklusiven Frequenznutzung müssen Funksysteme keine gesetzlich vorgeschriebenen Koexistenz-Mechanismen wie in den freien ISM- und SRD-Bändern einhalten.

Bevorzugter Einsatzbereich:

• Industrielle Anwendungen mit Release 16/17 & 18 und 5G-Campusnetze

Bandbreite:

• 3,7 bis 3,8 GHz

Teilnehmer:

• Beliebig viele

Funktechnologien im Vergleich

Sie ahnen es bereits: Die Möglichkeiten der Datenübertragung sind fast unerschöpflich. Jede Funktechnologie hat dabei ihre Stärken und Schwächen, Vor- und Nachteile. Welche Technologie am besten zu Ihnen und Ihren Bedürfnissen passt, wägen Sie am besten anhand konkreter Punkter gegeneinander ab, um einen möglichst objektiven Vergleich und damit eine aussagekräftige Aussage zu erhalten.

Verschiedene Bandbreiten und Kanäle für die Datenübertragung

Im Frequenzbereich unter 1 GHz ist nur eine relativ geringe Anzahl von Kanälen und damit unabhängigen Funkübertragungen möglich. Bluetooth bei 2,4 GHz ermöglicht durch verschiedene technische Maßnahmen mehrere hundert, voneinander unabhängige, parallele Funkübertragungen ohne gegenseitige Beeinflussung. Die schon heute nutzbaren neuen 5G-Campusnetze bei 3,7 bis 3,8 GHz ermöglichen bis zu fünf zusätzliche 20-MHz-Kanäle für lokale Anwendungen. Die Leistungsfähigkeit eines 5G-Kanals entspricht dabei in etwa einem WLAN-Kanal.

Im Vergleich: Bluetooth vs. WLAN

Der größte Unterschied zwischen Bluetooth und WLAN liegt vermutlich in der Bandbreite und somit der Störanfälligkeit beider Technologien. Zur Erinnerung: Bluetooth ist eine schmalbandige Technologie, benutzt wenig Frequenzspektrum und sendet laufend auf unterschiedlichen Kanälen – daher die geringe Störanfälligkeit. WLAN hingegen ist breitbandig, benutzt also mehr Spektrum und kann somit auch mehr Daten in derselben Zeit übertragen. Da WLAN auf einem festen Kanal sendet und anderen Nutzern nicht ausweichen kann, ist es deutlich störungsanfälliger als Bluetooth. Wer die Wahl zwischen beiden Technologien hat, muss sich also entscheiden: Möchte er lieber viele Daten übertragen und nimmt dafür eine höhere Störanfälligkeit in Kauf? Oder kommt er mit einer geringeren Datenmenge zurecht und kann dafür das störunanfälligere Bluetooth nutzen?

Bluetooth nutzt das lizenzfreie ISM-Band (Industrial, Scientific, Medical) und funkt auf 2,402 bis 2,480 GHz – also im selben Frequenzbereich wie WLAN. Die spektrale Dichte darf gesetzlich sogar höher als bei WLAN sein, was bedeutet, dass im Vergleich zu WLAN größere Entfernungen möglich sind. Ein weiterer Faktor vor allem bei batteriebetrieben Geräten kann auch der Stromverbrauch sein. Er könnte für Bluetooth sprechen. Neben diesen beiden gibt es noch eine Vielzahl weitere Funktechnologien, die alle für spezielle Eigenschaften entwickelt und optimiert sind.

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