Whitepaper Langstreckenfunkübertragung im 2.4Ghz Frequenzbereich mit Trusted Wireless von PhoenixContact im Vergleich zu Schildknecht AG Lösung

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1 Whitepaper Langstreckenfunkübertragung im 2.4Ghz Frequenzbereich mit Trusted Wireless von PhoenixContact im Vergleich zu Schildknecht AG Lösung (Stand Dezember 2011) Funkübertragungen im zulassungsfreien ISM 2.4GHz Frequenzbandes sind für Kurzstreckenanwendungen bis 500m möglich. Die gesetzlich erlaubte EIRP Sendeleistung beträgt 20dBm gleich 100mW. Bei EIRP wird die Leistung des Sendemoduls gerechnet plus den Antennengewinn. In der Regel darf also der Sender mit maximal 17db senden plus einen Antennengewinn von 2,5db (= isotroper Rundstrahler). Werden Richtantennen verwendet, darf die maximale EIRP keinesfalls 20dBm übersteigen. Für eine 19dB Richtantenne muss die Sendeleistung des Funkmoduls auf 1dBm =1,2 mw reduziert werden. Linkbudget Unter Linkbudget versteht man einen Rechenwert um die Reichweite für eine Funkübertragung zu errechnen. So müssen die EIRP Sendeleistung und die Empfängerempfindlichkeit größer sein als die Streckendämpfung der Elektromagnetischen Welle durch die übertragene Strecke. Für typische Funktechnologien wie WLAN, Bluetooth, Zigbee etc. beträgt das nutzbare Linkbudget: +20dbm EIRP + -80dbm Empfängerempfindlichkeit = 100db (Es wird der Betrag der Empfängerempfindlichkeit gerechnet) Mit einem Linkbudget von 100db kann man eine Entfernung von theoretisch maximal 950m erreichen. Für eine hohe Verfügbarkeit der Funkstrecke wird eine Sicherheitsreserve von 10db empfohlen da Nebel, Regen, Schneefall, Reflexionen, Fadingeffekte eine zusätzliche Dämpfung erzeugen. Der nutzbare Reichweitenbereich liegt also bei 300 bis maximal 950m je nachdem welche Reserve man vorgibt. Erhöhung der Empfängerempfindlichkeit Um die erreichbare Reichweite zu erhöhen gibt es die konstruktive Möglichkeit die Empfängerempfindlichkeit durch eine aufwendige Empfängerschaltung zu erhöhen. Die Erhöhung der Empfängerempfindlichkeit ist rechnerisch gleichwertig zur Erhöhung der Sendeleistung oder Erhöhung des Antennengewinns und zudem vom Gesetzgeber nicht limitiert. Normale Empfängerempfindlichkeiten bei 2.4GHz WLAN b oder Bluetooth liegen bei ca. -80 bis -90dBm. Durch höheren technischen Aufwand sind Empfängerempfindlichkeiten von -120dbm möglich. Die Trusted Wireless Funktechnologie hat eine sehr hohe Empfängerempfindlichkeit von -110dbm.

2 Ist die Erhöhung der Empfängerempfindlichkeit das Ei des Kolumbus und eine effektive Möglichkeit die Reichweite in der Praxis zu erhöhen? Jein! In einem von weiteren Nutzern freien Frequenzband kann man mit dieser Methode die Reichweite tatsächlich dramatisch erhöhen. Für die Satellitenkommunikation werden auch bei sehr schwachen Radiosignalen durch eine sehr hohe Empfängerempfindlichkeit sehr große Reichweiten erreicht. Dazu werden die Empfänger bei Temperaturen von -200 C betrieben und ein exklusives Frequenzband benutzt. Das in Deutschland sehr stark benutze 2.4Ghz Frequenzband für Langstrecken Funkübertragungen über 1000 m zu verwenden ist nach meiner Erfahrung sehr problematisch und nicht zu empfehlen. Es ist eine Frage der Verfügbarkeit der Funkstrecke über 24h/365Tage. Signal Rausch Abstand WLAN Sender können Störreichweiten von 1000m haben, im Vergleich dazu jedoch nur eine Nutzreichweite von ca. 50m. Störreichweite bedeutet dass man Energie des Senders noch in dieser Distanz messen kann, die aber nicht mehr für eine Datenübertragung genutzt werden kann. Diese Energie ist in einem Grundrauschen bei ca. -80dBm bis -90dBm zu messen. Für ein Funksystem mit einer hohen Empfängerempfindlichkeit von -120dbm besteht also das Problem, dass es von einem 40dbm höheren Rauschen massiv gestört wird (-120dbm ist ein um Faktor (=40db) geringeres Signal als ein -80dbm Signal) und dadurch die hohe Empfängerempfindlichkeit kaum ausnutzen kann. Der Eingangsverstärker wird seine Empfindlichkeit an die Umgebungsbedingungen anpassen und entsprechend stark herunterregeln wenn er Rauschen bzw. Energie von anderen Nutzern empfängt. Einen viel größeren Einfluss auf die Reichweite hat statt der Empfängerempfindlichkeit also der Signal/Rausch (S/N = Signal Noise) Abstand. Das S/N wird zum Beispiel von der Empfängertemperatur bestimmt und von der Restenergie im Band wie z.b. Mikrowellenöfen, WLAN, Bluetooth in der Nähe. An heißen Sommertagen mit 60 Schaltschranktemperatur wird das Rauschen entsprechen höher sein und die Verbindung entsprechend schlechter werden. Trusted wireless (registrierte Marke von Omnex bzw PhoenxContact)) Das Linkbudget für Trusted Wireless Technologie bei einer Empfängerempfindlichkeit von -110dBm und einer Sendeleistung von 20dBm beträgt ca. 130dB. Damit ließe sich bei 2.4Ghz theoretisch ein Reichweite von 30km erreichen. Aber nur unter der Voraussetzung, dass die Empfängerempfindlichkeit tatsächlich ausgeschöpft werden kann. Werte über -90dbm sind in Deutschland nur unter äußerst günstigen Konstellationen denkbar, wenn zum Beispiel der nächste Ort mehrere

3 Kilometer entfernt ist, und die Antennen auf einem entsprechend hohen Mast montiert werden. Diese Bild aus dem Handbuch der Firma PhoenixContact mussten wir wegen Urheberrechten an der grafischen Gestaltung aufgrund einer Abmahnung entfernen. Das Bild oben zeigt einen Auszug aus dem PhoenixContact RAD Handbuch für die Mindestempfangssignalfeldstärke. Als Mindestfeldstärke wird -75dBm empfohlen um 10dB Reserve zu haben. Der Hersteller geht also von einer praktikablen Empfängerempfindlichkeit von nur noch -85dBm aus. Zusammen mit der 20dBm EIRP Sendeleistung stehen 95 dbm Linkbudget zur Verfügung. Das reicht für eine Reichweite von ca. 530m in der Praxis. Der Hersteller gibt eine mögliche Reichweite von 3km an. Bei einer angenommen Übertragungsstrecke von 3km beträgt die sogenannte Fresnelzone 6m. So muss der Mast eine Höhe haben von 6m über jedem Hindernis wie Bäume, Strassen mit Fahrzeugen, Gebäude etc. auf der Übertragungsstrecke. Ragt nur ein Baum in diese Fresnelzone wird die elektromagnetische Welle um ca db zusätzlich gedämpft. Also selbst wenn sich die Antennen am Punkt A und C sehen, muss immer ein Radius r von mindestens 6m frei sein. Denken Sie daran, dass sich die Vegetation laufend verändert, und Bäume und Äste entsprechend wachsen werden. Hier war eine Grafik aus dem Handbuch der Firma PhoenixContact über die möglichen Reichweiten unterschiedlicher Funktechnologien WLAN, Bluetooth, Trusted Wireless. Aufgrund einer Abmahnung wegen Urheberrechten an der grafischen Gestaltung der Grafik haben wir diese Übersicht entfernt. Die uns wichtige Aussage in der Fusszeile sei hier als Zitat von PhoenixContact herausgearbeitet: Die Reichweite (für Trusted Wireless typisch von 3000m) kann deutlich über oder unterschritten werden und ist abhängig von der Umgebung, Antennentechnik und dem eingesetzten Produkt

4 Auszug aus dem Webshop der Firma PhoenixContact Stand August Ein Hardcopy des Webshops unterliege wegen grafischer Gestaltungselemente dem Urheberrecht. Deshalb haben wir den Inhalt hier in einer eigenen Tabelle zusammengestellt. Preis für ein RAD ISM 2400 Set-Bd-Bus-Ant System mit 8 digitalen Eingängen über Funk auf 8 Ausgänge unidirektional sowie 4 analoge Eingänge und 4 analoge Ausgänge bidirektional. Die im oben gezeigten Warenkorb verwendeten Antennen sind in Kombination mit der maximal einstellbaren Sendeleistung gesetzlich nicht erlaubt und übersteigen EIRP um 9dB entspricht ungefähr Faktor 10.

5 Die Alternative zu Trusted Wireless Wir empfehlen für Funkübertragungen über 500m bis ca. 4km das Frequenzband 869MHz zu verwenden. Darüber hinaus bis zu 10km empfehlen wir zulassungspflichtige MHz Funktechnik. Schildknecht setzt neben der Erhöhung der Empfängerempfindlichkeit zusätzlich auf die Verwendung höherer Sendeleistung und verwendet dazu ein dafür geeignetes Frequenzband. Hier ist eine Sendeleistung von 500mW =27dBm ERP gesetzlich erlaubt. Mit einer ebenfalls hohen Empfängerempfindlichkeit von -114dbm jedoch einer höheren erlaubten Sendeleistung und einem deutlich niedrigen Pfadverlust von 100db bei 869MHz bei 3km im Vergleich zu einem Pfadverlust von 110db bei 2400MHz hat man ca. 17db=Faktor 50 mehr Reserve, die nicht auf Ausnutzung der Empfängerempfindlichkeit beruht. 869MHz Schildknecht AG 2.4GHz Trusted wireless Einsetzbar Europa zulassungsfrei Weltweit zulassungsfrei Sendeleistung 500mW 10mW Anzahl Kanäle E(I)RP 27dBm 20dBm Empfängerempfindlichkeit Energie pro Bit RF Medienzugriff FHSS/50hops (FDMA) + FHSS 37/hops TDMA Modulation FSK Freifelddämpfung 3km 100dB 110dB Theoretische Reichweite 40km 10km Praktikable Reichweite 4km 0,5km Reserve 3km Reichweite +41dB +20dB Theoretische rauschfreie Umgebung +20 C Reserve 3km Reichweite -80dBm Rauschpegel +7dB -10dB (Störspannungsabstand zu gering Preis: 8 Digitale Eingänge/Ausgänge 4Analoge Eingänge, 4Analoge Ausgänge Funkstrecke mit Antennen für Datenübertragung) Euro Euro Trusted Wireless ist vermutlich eine registrierte Marke mit Rechten des jeweiligen Inhabers

6 Gerätetypen Folgende Funksystem sind von Schildknecht mit 869MHZ und MHz lieferbar DATAEAGLE MHz/ 500mW SPS über Funk DATAEAGLE 3323A 869MHz/ 500mW Profibus über Funk DATAEAGLE Compact MHz/ 500mW Signalkopplung über Funk DATAEAGLE Compact 3323A 869MHz/ 500mW Profibus über Funk DATAEAGLE xxMHz /1000mW SPS über Funk DATAEAGLE 3403A 4xxMHz /1000mW Profibus über Funk DATAEAGLE Compact xxMHz /1000mW Signalkopplung über Funk DATAEAGLE Compact 3403A 4xxMHz /1000mW Profibus über Funk Thomas Schildknecht Dipl.Ing. Vorstand Schildknecht AG