PROZESSAUTOMATION WIRELESS TECHNOLOGY TECHNOLOGY GUIDE

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1 PROZESSAUTOMATION WIRELESS TECHNOLOGY TECHNOLOGY GUIDE

2 Drahtlose Technologien werden heute ganz selbstverständlich genutzt, ganz gleich, ob es um ein Mobiltelefon, ein drahtloses DECT-Telefon oder per WLAN vernetzte Computer geht. Mit ihrer ständigen Verbesserung sind drahtlose Technologien zunehmend auch in den Bereich industrieller Anwendungen vorgedrungen. Die Anforderungen und Einschränkungen in der Industrie unterscheiden sich jedoch grundlegend vom Consumer-Bereich. Industrielle Anwendungen erfordern nicht nur Produkte in einer anderen Qualität. Ihr erfolgreicher Einsatz erfordert auch mehr Hintergrundwissen. Zur Einrichtung eines drahtlosen Systems, das seine Aufgabe in der erforderlichen Qualität erfüllt, sind Kenntnisse zu unterschiedlichsten Aspekten hilfreich: Physikalisches Grundwissen über die drahtlose Kommunikation Antennen Moderne drahtlose Technologien Vorhandene Standards, deren Inhalte, Vorteile und Nachteile Spezielle Anforderungen im industriellen Umfeld Wenn keine ausreichenden Kenntnisse zu diesen Themen bestehen, kann sich die Einrichtung eines drahtlosen Systems als Zufallsspiel erweisen und die Fehlersuche in einem nicht funktionierenden System wird zur Glückssache. Es kann daher sehr wertvoll sein, einige entscheidende Zusammenhänge zu kennen. Diese Einführung soll hilfreiche Hintergrundkenntnisse über die technischen und physikalischen Zusammenhänge vermitteln und damit zu einer erfolgreichen Installation und Fehlersuche beitragen.

3 Inhalt 1 Physikalische GrundLAGEN 1.1 Elektromagnetisches Spektrum Ausbreitung von Wellen Ausbreitung im freien Raum Tatsächliche Ausbreitung Gründe für kürzere Reichweiten in der Praxis Veränderung der Umgebungsbedingungen Zusammenfassung 12 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN 2.1 Modulation FHSS DSSS Vorteile besserer Modulationstechniken Zusammenfassung 16 3 Bestimmungen und Standards 3.1 ISM-Bänder MHz Band ,4-GHz-Band Weltweite Standards IEEE (WLAN) IEEE (WPAN / Bluetooth) IEEE (Low Rate WPAN / ZigBee) Vergleich Koexistenz Zusammenfassung Netzwerk-Topologien Sternförmig Maschenförmig (Mesh) Kombinierte Stern- und Maschen-Topologie (Star Mesh) Zusammenfassung Antennen Abstrahlcharakteristik Antennengewinn Zusammenfassung Energieversorgung Netzbetrieb Energy Harvesting Galvanische Zellen Zusammenfassung Verschlüsselung WEP und WPA WPA2/AES Spezielle Verschlüsselungsbetriebsmodi Zusammenfassung 26 4 Industrielle drahtlose KOMMUNIKATION 4.1 Allgemeine Voraussetzungen für den Einsatz drahtloser Technologien Klassifizierung industrieller Anwendungen Spezielle Bedingungen für den Einsatz drahtloser Technologien Fabrikautomation Prozessautomation Zusammenfassung 40 5 Tabellen, Abbildungen, Quellen Tabellen 41 Abbildungen 41 Quellen 42

4 1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN 1.1 Elektromagnetisches Spektrum Wie das Licht, so sind auch Funkwellen ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, welches die unterschiedlichen Arten elektromagnetischer Wellen beschreibt. Der einzige Unterschied zum Licht ist die Wellenlänge, oder die Frequenz, mit der sich die Wellen schwingen. Die einzelnen Frequenzbereiche tragen unterschiedliche Bezeichnungen, wie zum Beispiel UHF, Mikrowellen, infrarotes oder ultraviolettes Licht. Abbildung 1: Elektromagnetisches Spektrum Für Funkanwendungen wird der Bereich zwischen 10 khz und 100 GHz eingesetzt, der wiederum in einzelne Bänder unterteilt ist (siehe Kapitel 2.1). Eine Eigenschaft von Licht, die natürlich auch für den unsichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums gilt, ist die Frequenzabhängigkeit. Die Stärke aller Effekte, die später beschrieben werden, ist von der Frequenz abhängig. Die Frequenzabhängigkeit elektromagnetischer Effekte kann leicht anhand der Lichtbrechung an einem Prisma gezeigt werden. Abbildung 2: Lichtbrechung an einem Prisma 4

5 1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN 1.2 Ausbreitung von Wellen Der erste Aspekt ist die räumliche Ausbreitung von Funkwellen. Eine Funkwelle breitet sich ausgehend von der Quelle (Antenne) gleichmäßig in alle Richtungen aus. Das ist vergleichbar mit einer Glühlampe, die das Licht ebenfalls nicht nur in eine Richtung, sondern kugelförmig in (fast) alle Richtungen abstrahlt. Die räumliche Ausbreitung wird von einem entscheidenden Merkmal geprägt: die Intensität der Funkwellen nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Der Zusammenhang zwischen Entfernung und Strahlungsintensität, das Abstandsquadratsgesetz, wird mit der nachfolgenden Grafik illustriert: Abbildung 3: Abstandsquadratsgesetz Das Resultat ist, dass mit zunehmendem Abstand die Intensität der Funkwelle nach der Funktion 1/r 2 abnimmt. Bei der Verdopplung der Distanz beträgt die Signalintensität nur noch ein Viertel, bei der Verdreifachung der Distanz beträgt sie ein Neuntel. Dezibel Die Abschwächung (oder Dämpfung) eines Signals wird üblicherweise in Dezibel (db) ausgedrückt. Dezibel stellen ein logarithmisches Berechnungswerkzeug dar, das zwei Zahlen in eine Beziehung zueinander setzt. db Faktor -20 0, ,1-6 0, Dezibel alleine hat keine Bedeutung. Es muss angegeben werden, mit welchem physikalischen Wert es verglichen wird. Beispielsweise bedeutet dbm, dass es sich bei dem Vergleichswert um Milliwatt handelt, bei dbw bezieht sich der Wert auf Watt und bei dbv auf Volt. Durch die Verwendung von Dezibel wird die Berechnung von Verstärkungen und Abschwächungen einfach, weil die Multiplikationen in einfache Additionen und Subtraktionen umgewandelt werden. Außerdem werden die Zahlen nicht so groß oder so klein, wenn mehrfach multipliziert oder dividiert wird. Überträgt beispielsweise ein Sender mit 8 dbm mit einer Antenne mit einem Antennengewinn von 2 db, und die Feldstärke weist Verluste von 85 db auf, dann erhält der Empfänger -75 dbm. Das bedeutet, dass ein Verlust von 10 dbm ausdrückt, dass die Energiedichte nur noch ein Zehntel der ursprünglichen Energie beträgt, bei einem Verlust 5

6 1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN von 20 dbm beträgt sie nur noch ein Hundertstel usw. Umgekehrt steht ein Gewinn von 10 dbm für das Zehnfache und 20 dbm für das Hundertfache der ursprünglichen Energie Ausbreitung im freien Raum Wenn sich Funkwellen ohne Hindernisse in alle Richtungen ausbreiten können, spricht man von Freiraumausbreitung. Der dabei auftretende Verlust in Abhängigkeit von der Entfernung zum Sender verhält sich wie folgt: Abbildung 4: Theoretische Ausbreitung im freien Raum Die Freiraumausbreitung wird hier unter Berücksichtigung der Atmosphäre betrachtet, also im Zusammenhang mit Regen, Nebel, Schnee, Dunst oder Smog. Für lokale Netzwerke haben diese Effekte keine maßgeblichen negativen Auswirkungen. Beispielsweise können Signale mit 2,4 GHz durch gebietsweisen Regen um bis zu 0,05 db/km abgeschwächt werden (100 mm/h oder 100 l/m 2 pro Stunde). Dichter Nebel verursacht eine Abschwächung um bis zu 0,02 db/km. Für lokale Netzwerke kann diese Wirkung vernachlässigt werden. Sie ist nur für die Kommunikation über Mobiltelefone oder Satelliten von Bedeutung, was jedoch im Umfang dieser Broschüre nicht berücksichtigt wird Tatsächliche Ausbreitung Die Freiraumausbreitung ist eine theoretische Annahme, die lediglich aussagt, in welchem Umfang eine Welle gedämpft wird. In der Realität müssen jedoch die vorhan- 6

7 1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN denen Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Dabei sind empirisch in verschiedenen Umgebungen die Dämpfungen gemessen worden, die in einem Verlustexponent zusammengefasst werden können: Tabelle 1: Feldstärkeverlust bei unterschiedlichen Umgebungen Umgebung Feldstärkenverlust-Exponent Freiraum 2 Bebaute Umgebung 2,7 bis 3,5 Abschattung durch Bebauung 3 bis 5 Im Inneren von Gebäuden ohne Sichtverbindung 4 bis 6 Im Inneren von Fabriken ohne Sichtverbindung 2 bis 3 Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, ist der Verlust größer, je mehr Materie sich in der Umgebung befindet. Der Feldstärkeverlust drückt sich in einer ganz entscheidenden Dämpfung des Signals aus. Abbildung 5: Reale Ausbreitung in einer beschatteten städtischen Umgebung (Feldstärkenverlustexponent 3,7) Oben stehende Kurve zeigt beispielhaft eine bebaute Umgebung mit Abschattung durch Gebäude und einen daraus resultierenden Feldstärkenverlust-Exponenten von 3,7. Beim Vergleich der theoretischen Freiraumwellenausbreitung und der Ausbreitung unter realistischen Bedingungen in einer schattigen städtischen Umgebung bei 2,45 GHz zeigt sich, dass der theoretische Abstand von 175 m mit einem Empfänger von einer Empfindlichkeit von -85 dbm auf nur 14 m sinkt. Beim Vergleich der beiden Kurven bei 900 MHz nimmt der theoretische Abstand von 850 m mit einem Empfänger von einer Empfindlichkeit von -90 dbm auf 180 m ab. 7

8 1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Gründe für kürzere Reichweiten in der Praxis Durchdringung von Hindernissen Da Funkwellen grundsätzlich dasselbe wie Licht sind, breiten sie sich in gleicher Weise aus. Bedingt durch die unterschiedlichen Wellenlängen ergeben sich jedoch teilweise andere Auswirkungen. Licht durchdringt offensichtlich Glas oder andere transparente Materialien, während es von einer Mauer vollständig blockiert wird. Es kann dünnes Papier und sogar dünne Pappe durchscheinen. Es kann von Hindernissen gebeugt werden, sodass der Randbereich hinter dem Hindernis als Schatten wahrgenommen wird. Von poliertem Metall oder Spiegeln wird Licht vollständig, von anderen Materialien teilweise reflektiert. Funkwellen verhalten sich im Grunde genommen nicht anders, aber die Grenzwerte sind nicht dieselben. Je tiefer die Frequenz und damit je länger die Wellenlänge, desto besser sind sie in der Lage, Materialien zu durchdringen. Selbst eine massive Mauer stellt kein absolutes Hindernis dar, auch wenn dabei die Intensität der Wellen gedämpft wird. Funkwellen gelangen problemlos hinter Hindernisse, wobei auch hier die Regel gilt: je niedriger die Frequenz, desto leichter kann die Welle Hindernisse durchdringen. Von Metalloberflächen werden alle Funkwellen unabhängig von ihrer Wellenlänge reflektiert, von anderen Materialien werden sie teilweise reflektiert Reflexionen Ein wichtiger Faktor, der speziell in industriellen Umgebungen berücksichtigt werden muss, ist die Reflexion von Funkwellen an metallischen Oberflächen. Das bedeutet zunächst einmal, dass ein Objekt aus Metall von Funkwellen nicht durchdrungen werden kann. Dies trifft auch auf armierte Betonwände zu, da der darin enthaltene Stahl wie ein Reflektor wirkt. Dabei hat die reflektierte Welle eine um 180 gedrehte Phase. Reflexionen haben noch eine weitere Wirkung. Je nach dem Winkel, in dem eine Welle auf das Hindernis trifft, kann die Reflexion auch bewirken, dass bestimmte Bereiche hinter einem Hindernis auf Umwegen erreicht werden Beugung durch Hindernisse Trifft eine Funkwelle auf die Kante eines Hindernisses, das größer als ihre Wellenlänge ist, wird sie an der Kante gebeugt. Das heißt, sie breitet sich auch hinter dem Objekt aus, von dem sie grundsätzlich eigentlich abgeschattet wird Streuung durch Hindernisse Zur Streuung kommt es, wenn eine Funkwelle auf ein Hindernis trifft, das kleiner als ihre Wellenlänge ist. Dabei wird das Signal in mehrere schwächere Signale aufgeteilt, die sich wiederum in alle Richtungen ausbreiten (siehe Abbildung 6) Interferenzen Bei der Reflexion, Beugung und Streuung von Funkwellen werden jeweils neue Wellen erzeugt, die sowohl mit der ursprünglichen Welle, als auch untereinander Wechselwirkungen entwickeln und dabei sowohl zu einer Verstärkung als auch zu einer Auslöschung führen können. Die beiden Abbildungen zeigen lediglich das Prinzip, die Wirklichkeit ist ungleich komplexer, da sich mehrere Wellen im 3-dimensionalen Raum überlagern. Diese Überlagerung wird Interferenz genannt. In der Praxis kann sie dazu führen, dass ein Signal an einem bestimmten Punkt noch gut zu empfangen ist, während es bereits in geringer Entfernung davon nicht mehr zu empfangen ist. 8

9 1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Diffusion Reflection Bending Penetration Abbildung 6: Streuung, Reflexion, Beugung an und Durchdringung von Hindernissen Abbildung 7: Positiv überlagerte Welle, konstruktive Interferenz Abbildung 8: Negativ überlagerte Welle, destruktive Interferenz 9

10 1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Abbildung 9: Interferenz von zwei kreisförmigen Wellen. Die dunklen Bereiche stehen für destruktive, die hellen für konstruktive Interferenzen ( Autor: Florian Marquardt (Ludwig-Maximilians-Universität München)) Mehrweg-Signalverzerrung Ein weiterer Effekt tritt dann auf, wenn die Funkwelle ein oder mehrmals an einem oder mehreren Hindernissen reflektiert wird und dabei über mehrere Wege beim Empfänger eintrifft. Auf Empfängerseite kann das sowohl zur Auslöschung als auch zur Zerstörung des Signals führen. Es kann passieren, dass das Ursprungssignal leicht zeitverzögert beim Empfänger eintrifft. Ein Effekt, der selbst dann auftreten kann, wenn Sender und Empfänger relativ nahe beieinander platziert sind, und eventuell dazu führt, dass der Empfänger nicht mehr in der Lage ist, das Signal eindeutig zu erkennen. Abbildung 10: Empfang des Ursprungssignals und seiner Beugungen, Reflexionen und Streuungen 10

11 1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Fresnel-Zone Wie aus den vorherigen Kapiteln beim Vergleich von Licht- und Funkwellen deutlich wurde, kann bei Sichtverbindung immer eine Funkverbindung bestehen. d [m] b [m] 900 MHz b [m] 2,4 GHz 10 0,913 0, ,443 0, ,041 1, ,887 1, , ,082 2, ,564 2,795 Um diese Verbindung jedoch zuverlässig und stabil zu machen, muss die Fresnel-Zone berücksichtigt werden. Fresnel-Zonen sind rotierende Ellipsoide, die sich zwischen zwei Antennen bilden. Für den praktischen Gebrauch ist nur die erste Fresnel-Zone von Bedeutung, weil in ihr die meiste Energie übertragen wird. Aus diesem Grund sollte der Raum innerhalb der ersten Fresnel-Zone frei von Hindernissen sein. Wenn Hindernisse innerhalb der Fresnel-Zone liegen und die Hälfte des Bereichs abdecken, entsteht eine zusätzliche Dämpfung von 6 db. Dieses Wissen ist wichtig, wenn in der Praxis Geräte eingerichtet werden: auch um die Sichtverbindung herum muss ausreichend viel Raum sein. Hier ist der Mittelpunktsradius für die erste Fresnel-Zone in einer Tabelle für 900 MHz und 2,4 GHz angegeben. Diese Zone sollte frei von Hindernissen gehalten werden. b d/2 d/2 d Boden Straßenverkehr Hindernisse Abbildung 11: Fresnel-Zone und mögliche Störungen 11

12 1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Veränderung der Umgebungsbedingungen Doch nicht nur statische Bedingungen müssen berücksichtigt werden. Die meisten industriellen Anwendungen sind ständigen Veränderungen unterworfen: Fahrzeuge fahren vorbei, mobile Ausrüstungen werden versetzt, temporäre Installationen werden auf- und wieder abgebaut. All das verändert die Umgebung und damit die Bedingungen zur Ausbreitung von Funkwellen und kann dazu führen, dass eine Funkverbindung zu einer Zeit funktioniert und zu einer anderen Zeit nicht. Wenn die Gründe dafür bekannt sind, kann jedoch gezielt dagegen vorgegangen werden. Eine andere Einflussgröße sind veränderte Ausbreitungsbedingungen für Funkwellen, die sich nicht beeinflussen lassen. Da Funkwellen Teil des elektromagnetischen Spektrums sind, teilen sie dasselbe Medium mit anderen Wellen den offenen Raum. Niemand kann kontrollieren, was in diesem Raum alles passiert: Mobile Radios werden benutzt. Handys oder WLAN-Notebooks werden zur Inbetriebnahme oder Wartung eingesetzt, Mikrowellenöfen in der Teeküche werden genutzt und können das 2,4-GHz-Frequenzband stören. Auch Frequenzumsetzer mit hohen Störstrahlungen oder Schweißmaschinen strahlen ihre Energie in den Raum, wenn auch in einem anderen Spektrum. Selbst das Wetter kann die Wellenausbreitung beeinflussen, wenn zum Beispiel Luftfeuchtigkeit an der Antenne kondensiert und damit ihre Leistung abschwächt. All das kann sich auf die Kommunikation auswirken und sich von Minute zu Minute verändern Zusammenfassung Aus all den genannten Aspekten ergeben sich einige Grundsätze beim Einsatz drahtloser Kommunikationstechniken: Eine Sichtverbindung zwischen den Kommunikationspartnern ist grundsätzlich vorteilhaft Wenn keine Sichtverbindung möglich ist, sollten die Hindernisse nicht zu groß sein und die Kommunikationspartner sollten sich eher im Bereich der Kanten befinden, in dem die Wellen gebeugt werden Es sollten ganz bestimmte Wege für bewegliche Geräte und Transportfahrzeuge festgelegt werden Metall kann sich zum Vor- oder Nachteil entwickeln, denn es kann eine Welle entweder verstärken oder auslöschen Bei Interferenzen durch Reflexionen oder Mehrweg-Empfang kann sich das Problem schon durch das Versetzen der Antenne um wenige Zentimeter lösen lassen Bei mehreren Netzwerken in einer Umgebung, die den Raum elektromagnetisch verunreinigen, sollten die Frequenzen zur drahtlosen Kommunikation gezielt zugeteilt werden 12

13 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN 2.1 Modulation Die Funkwelle selbst überträgt keinerlei Informationen. Die Informationen müssen auf die Welle aufgesetzt werden ein Vorgang, den man als Modulation bezeichnet. Dafür stehen unterschiedliche analoge und digitale Modulationsverfahren zur Verfügung. Die am häufigsten verwendete Modulationsart ist die Amplitudenmodulation, bei der die analoge Information gewissermaßen auf die Trägerwelle aufgesetzt wird. Abbildung 12: Amplitudenmodulation Trägerwelle, Welle mit der Information und resultierende Welle Seit Aufkommen der digitalen Informationstechnologie wurden weitere, effizientere Wege zur digitalen Modulation gefunden. Es gibt heute v. a. zwei hoch entwickelte Methoden, die immer wieder genannt und daher nachfolgend beschrieben werden. Beide sind so genannte Frequenzspreizmethoden, bei denen ein Signal mit kleiner Bandbreite auf eine größere Bandbreite gespreizt wird. Somit kann die Energie des Funksignals über ein breiteres Frequenzspektrum übertragen werden. Resultat ist, dass das Signal oder das Hintergrundrauschen verwischt. Dadurch ergibt sich eine bessere Toleranz gegenüber Schmalband-Störungen und eine insgesamt sicherere Übertragung, da das Signal für systemfremde Empfänger schwieriger zu erkennen ist. 13

14 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN FHSS Mit Hilfe von Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) werden einzelne Informationspakete jeweils über unterschiedliche Frequenzen übertragen, wobei die Reihenfolge der einzelnen Frequenzen quasi zufällig über das gesamte Frequenzband verteilt ist. Die einzelnen Pakete werden mit geringer Bandbreite übertragen. Da die Sequenz der einzelnen Übertragungen ständig wechselt, wird zur Kommunikation dennoch die gesamte Bandbreite verwendet. Abbildung 13: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Eine Variante von FHSS ist eine adaptive Version, bei der bestimmte Kanäle, auf denen bereits andere Systeme senden, automatisch vermieden werden. FHSS wird von Bluetooth eingesetzt (siehe Kapitel 3.2.2) DSSS Bei Direct Sequence Spread Spectrum werden die einzelnen Datenpakete mit einer Binärsequenz multipliziert, dem sogenannten Spread-Key, der eine größere Bandbreite aufweist als die Information selbst. Daher wird zur Übertragung eine höhere Bandbreite benötigt, wobei jedoch weniger Energie erforderlich ist. 14

15 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN Abbildung 14: Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Die geringere Energie sorgt dafür, dass andere drahtlose Systeme weniger gestört werden. Außerdem wird der Informationsinhalt vor dem Grundrauschen verwischt und ist daher für nicht autorisierte Empfänger schwerer zu entdecken. Die Information kann nur ausgelesen werden, wenn der Empfänger denselben Spread-Key zur Entschlüsselung hat, wie der Sender. Ein kleines Beispiel: Nehmen wir an, der Spread-Key ist und es sollen die Bits 1 und 0 übertragen werden. Anstelle der einzelnen Bits werden die mit dem Spread-Key multiplizierten Bits gesendet: Signal 1 0 Spread-Key XOR Anstelle von 2 Bits werden also insgesamt 16 Bits übertragen, wodurch eine Redundanz erzeugt wird, da jetzt das einzelne Bit in einer Folge von 8 Bits enthalten ist. Auf Empfängerseite erfolgt die Entschlüsselung auf dieselbe Art und Weise. Signal Spread-Key XOR

16 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN Mit Hilfe von Integration und Normierung werden die Bits 1 und 0 zurück gewonnen. Dabei lassen sich selbst einzelne Bitfehler korrigieren, solange die Summe der Bits größer ist als ein bestimmter Schwellwert. Eine Variante davon, die ebenfalls eingesetzt wird, nennt sich Code Division Multiple Access (CDMA). Dabei verwendet jeder Sender seinen eigenen Spread-Key. Da die Informationen ohnehin im Hintergrundrauschen versteckt sind, können alle Sender parallel senden und dennoch entschlüsselt werden, sodass der Empfänger die einzelnen Sender unterscheiden kann. DSSS wird bei WLAN (siehe Kapitel 3.2.1) und ZigBee verwendet. CDMA wird bei UMTS Mobilfunk sowie beim Global Positioning System GPS verwendet Vorteile besserer Modulationstechniken Ergebnis der einzelnen Modulationstechniken ist eine bessere Kommunikationsverbindung. Normalerweise benötigt ein Empfänger eine bestimmte Signalstärke, um ein gesendetes Signal erkennen zu können. Diese Signalstärke sollte deutlich über dem Grundrauschen liegen, sodass jedes gesendete Bit klar identifiziert werden kann. Die modulierten Signale erlauben es dem Empfänger, das gesendete Signal zu lesen, selbst wenn seine Stärke relativ nahe am Grundrauschen liegt. Dabei wird die Fähigkeit, selbst kleine Signalstärken empfangen zu können, als System- oder Modulationsgewinn bezeichnet. Dieser Gewinn ermöglicht die Überbrückung größerer Distanzen mit derselben Sendeleistung, während gleichzeitig die Bitfehlerrate (siehe Kapitel 4.1) reduziert wird Zusammenfassung Die neuen Modulationstechniken zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus: Digitale Modulationstechniken verbessern die Empfangsfähigkeit Die bessere Empfangsfähigkeit ermöglicht größere Distanzen Die drahtlose Kommunikation wird sicherer und widerstandsfähiger gegenüber Störungen Anders herum stört eine Kommunikationsverbindung nicht so leicht andere drahtlose Verbindungen 16

17 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN 2.2 Antennen Die gebräuchlichste Antenne ist ein Dipol. Dabei spricht man von einer omni-direktionalen Antenne. Wie die folgende Abbildung zeigt, hat die Abstrahlcharakteristik einer solchen Antenne die Form eines Torus: Abbildung 15: Abstrahlcharakteristik einer unbeeinflussten Dipol-Antenne Diese Abstrahlcharakteristik trifft jedoch nur auf eine Antenne im freien Raum zu, die sich nicht in unmittelbarer Nähe zu Hindernissen oder speziellen metallischen Oberflächen befindet. In unmittelbarer Nähe zu Metall verändert sich die Abstrahlcharakteristik ganz erheblich. Abhängig von der Wellenlänge des Funksignals sowie der Entfernung und Größe der Metalloberfläche kann das Abstrahlverhalten folgende Charakteristiken annehmen: Abbildung 16: Abstrahlcharakteristik eines Dipols mit reflektierenden Oberflächen in unterschiedlichen Entfernungen Daraus ergibt sich, dass sich in unmittelbarer Nähe zur Antenne kein Metall befinden sollte, wenn eine in alle Richtungen gleichmäßige Abstrahlung gewünscht wird. Der Einfluss von Metall lässt z. B. im 2,4-GHz-Band bei Entfernungen größer als 20 bis 30 cm deutlich nach und die Abstrahlcharakteristik nimmt zunehmend wieder die Form eines Torus an. 17

18 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN Dieser Effekt lässt sich natürlich auch nutzen, um eine gezielte Richtwirkung des Funksignals zu erreichen. Er wird zum Beispiel bei Richtantennen eingesetzt, die bevorzugt in eine Richtung abstrahlen sollen. Dabei wird eine Metallplatte mit einer berechneten Größe in einer ganz bestimmten Entfernung zur Antenne eingesetzt. Diese Platte wirkt sich positiv auf die Welle aus und bewirkt eine Verstärkung des Signals. Dadurch lässt sich die Reichweite in eine ganz bestimmte Richtung erweitern, während in die übrigen Richtungen keinerlei Abstrahlung erfolgt. Diese Eigenschaft ist auch beim Aufstellen von Antennen zu berücksichtigen. Da in einige Bereiche keine oder nur sehr geringe Abstrahlung erfolgt, können zu diesen Bereichen keine Verbindungen aufgebaut werden. Folgende Grafik verdeutlicht den Zusammenhang: keine Verbindung annehmbare Verbindung gute Verbindung Abbildung 17: Empfangsqualität abhängig von Abstrahlcharakteristik und relativer Position der Funkteilnehmer Eine omni-direktionale Dipol-Antenne hat einen Öffnungswinkel von 39 Grad. Die Faustregel besagt, dass der Empfang akzeptabel ist, wenn der Winkel kleiner als 45 Grad ist Abstrahlcharakteristik von Antennen Die oben beschriebenen Wirkungen werden häufig in zweidimensionalen Diagrammen dargestellt, welche das Abstrahlverhalten einer Antenne wiedergeben. Die beiden Extreme sind omni-direktionale Antennen mit gleicher Abstrahlung in alle Richtungen und Richtantennen, die fast ausschließlich in eine Richtung abstrahlen. Abbildung 18: Abstrahlcharakteristik von omni-direktionalen und Richtantennen 18

19 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN Antennengewinn Die Datenblätter von Antennen enthalten zusätzlich eine Angabe des Antennengewinns in dbi. Das bedeutet nicht, dass die Antenne den Signaleingang verstärkt. Diese Angabe stellt einen relativen Faktor dar, gibt das Verhältnis im Vergleich zu einer isotropischen Abstrahlung an und wird deshalb auch als dbi bezeichnet. Isotropische Abstrahlung bedeutet, dass die Energie gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt wird. Ein idealer isotropischer Strahler ist beispielsweise die Sonne. Selbst eine omni-direktionale Antenne strahlt nur auf einer Ebene ab. Das heißt, die Energie wird nicht nach oben oder unten abgestrahlt und wirkt daher eher planar. Die Energie in dieser Richtung ist jetzt höher als sie es wäre, wenn ein Teil der Energie nach oben oder unten abgestrahlt würde. Eine Richtantenne fokussiert die gesamte Energie in eine Richtung, dadurch wird die Leistung in dieser Richtung erhöht und in alle anderen Richtungen reduziert. Eine Dipol-Antenne hat in der Regel eine um 1,76 db höhere Empfangsempfindlichkeit (Faktor 1,5) als ein isotroper Strahler Zusammenfassung Antennen bilden einen wesentlichen Bestandteil der Kommunikationsverbindung Antennen strahlen ihr Signal in einer bestimmten Charakteristik ab Dadurch entsteht in bestimmte Richtungen ein starkes, in andere ein schwächeres oder gar kein Signal Bei Auswahl und Montage der Antenne sollte ihre Abstrahlcharakteristik berücksichtigt werden Die Umgebung einer montierten Antenne kann ihre Abstrahlcharakteristik verändern (z. B. bei Metalloberflächen in unmittelbarer Nähe) Antennengewinn wird durch eine gezielte Richtwirkung erreicht und bezieht sich nur auf den Bereich, in dem das Signal abgestrahlt wird Antennengewinn gilt nicht nur auf Sender- sondern auch auf Empfängerseite. Eine Empfangsantenne mit einem höheren Antennengewinn steht für eine höhere Empfangsempfindlichkeit 19

20 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN 2.3 Energieversorgung Natürlich müssen alle Funkgeräte mit Strom betrieben werden. Dafür gibt es mehrere Optionen: Stromnetz, Energy Harvesting oder Batterien Netzbetrieb Eine gebräuchliche Methode, insbesondere bei WLAN-Installationen im Büro und im Privatbereich, ist die Versorgung der Funkinfrastruktur über einen Netzanschluss. Lediglich mobile Geräte werden über Batterien betrieben. Der offensichtliche Vorteil ist, dass die Energie so gut wie immer zur Verfügung steht und die Infrastruktur ununterbrochen versorgt ist. In einer Privat- und Büroumgebung ist es kein Problem, eine Verbindung zum Stromnetz herzustellen, und auch in industriellen Bereichen steht vor Ort Strom für Pumpen, Lüfter, Kühler und sogar Beleuchtung zur Verfügung. Es kann vorteilhaft sein, diese Energiequellen zu benutzen, wenn sie sich in der Nähe des Funkgeräts befinden, oder um Router oder Repeater im Netzwerk mit Energie zu versorgen. Für mobile Geräte dagegen ist diese Option der Energieversorgung nicht geeignet, ebenso wie für autonome Messungen, weil das Gerät dann immer noch an einem Kabel hängen würde. Es wäre also nicht wirklich kabellos. Aber selbst bei dieser Anwendung kann es einen großen Vorteil darstellen, wenn die Signalleitung wegfallen kann, insbesondere wenn der Signalverbraucher weit von der Quelle entfernt liegt und das Signalkabel ein paar hundert Meter weit geführt werden müsste. Wenn eine Anwendung sehr wichtig ist, muss unbedingt auch die Zuverlässigkeit des Stromnetzes berücksichtigt werden. Manchmal ist der normale Lichtstrom nicht auf redundante oder zuverlässige Weise installiert, weil er eine geringere Bedeutung aufweist. Eine durchgebrannte Sicherung würde dann auch die Energieversorgung für das drahtlose Gerät unterbrechen Energy Harvesting Energy Harvesting ist der Sammelbegriff für alle Methoden, die Strom aus anderen Energieformen gewinnen, die in bestimmten Umgebungen vorliegen. Eine der bekanntesten Formen sind Solarzellen, die die Energie des Sonnenlichts aufnehmen. Es können jedoch auch andere Energieformen in elektrische Energie umgewandelt werden: Vibrationen von Pumpen, Motoren, Lüftern, bewegten Maschinenteilen usw. können von einem Piezo-Sensor oder einer vergleichbaren mechanischen Methode genutzt werden. Kraft von einem bewegten Teil (z. B. einem Lichtschalter) kann von einem Piezo- Sensor genutzt werden. Wärme von Heizgeräten, Rohrleitungen oder Motoren kann von Thermoelementen genutzt werden. Auch andere Konzepte sind möglich, z. B. eine Turbine für Druckluft. 20

21 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN Diese Konzepte existieren heute nur auf Papier und in ersten Studien, aber die Effizienz dieser Methoden ist bisher sehr gering (unter 10 %). Außerdem stellen sie die Energie nur bei Tageslicht (Solarzellen) oder bei laufendem Motor (Vibration) bereit, sodass sie keine dauerhafte Versorgung gewährleisten können. Aufgrund der geringen Effizienz und weil die Umgebungsenergie möglicherweise nicht ununterbrochen zur Verfügung steht, müssen all diese Geräte einen Energiespeicher besitzen, um Energie für Spitzenlasten zu speichern. Dieser Speicher stellt ebenfalls eine Schwierigkeit dar. Man könnte sich Hochleistungskondensatoren als Lösung vorstellen, aber die meisten davon sind aufgrund des begrenzten Temperaturbereichs nicht für die industrielle Umgebung geeignet. Die Lebensdauer eines Superkondensators in einer industriellen Umgebung beträgt etwa 5 Jahre. Akkus sind ebenfalls sehr teuer und könnten zu Problemen in explosionsgefährdeten Bereichen führen. Sie können nicht beliebig oft geladen werden und sind fast genauso teuer wie Batterien. Aus diesem Grund befinden sich alle Konzepte für das Energie Harvesting momentan in einer sehr frühen Entwicklungsphase und haben keine wirkliche Bedeutung für den Markt Galvanische Zellen Galvanische Zellen sind Energiewandler, die durch eine Redoxreaktion auf elektrochemische Weise Spannung erzeugen. Die Spannung ist von den verwendeten Elektrodenmaterialien und der Art und Menge des Elektrolyts abhängig. Galvanische Zellen können primäre Zellen sein (auch als Batterien bezeichnet), die nicht wiederaufgeladen werden können, oder sekundäre Zellen (Akkus), die aufgeladen werden können. Die Eigenschaften einer galvanischen Zelle sind von ihrem Design abhängig. Chemische Reaktionen sind temperaturabhängig, deshalb bestimmt die Auswahl der Materialien für Elektroden und Elektrolyt den Temperaturbereich, in dem die Zelle eingesetzt werden kann. Die Energiekapazität ist ebenfalls von den verwendeten Materialien für Elektroden und Elektrolyt abhängig, ebenso wie von der Größe der Batterie (verwendete Masse oder verwendetes Material). Die Form der Elektroden kann sich auf die Leistung auswirken, die bereitgestellt werden kann. Elektroden mit großer Oberfläche können eine höhere Spitzenleistung bieten als Elektroden mit kleinerer Oberfläche (weil die Oberfläche für die Redoxreaktion größer ist). Lagerzeit: die chemische Zusammensetzung bestimmt auch die Zeitdauer, wie lange eine galvanische Zelle gelagert werden kann, ohne einen maßgeblichen Kapazitätsverlust zu erleiden. Abbildung 19 zeigt einen Überblick über die Eigenschaften verschiedener Akkus. Sie stellt die Abhängigkeiten von Materialkombinationen in Hinblick auf Leistung und Energiedichte dar. Bleiakkus (z. B. Autobatterien) haben die geringste Energiedichte und Leistungsdichte der gezeigten Akkus, Li-Ion-Akkus haben die höchste. Das grüne Kondensatorfeld dient nur Referenzzwecken. Es umfasst auch Superkondensatoren (die obere Hälfte). 21

22 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN Zahlreiche drahtlose Geräte für den Gebrauch im privaten Bereich und im Büro, wie etwa Laptops oder Mobiltelefone, werden von Li-Ion-Akkus betrieben. Selbst wenn sie eine sehr hohe Energiekapazität haben, müssen sie einmal pro Woche (Mobiltelefon) oder sogar täglich (Laptop) aufgeladen werden. Primärzellen bieten eine höhere Energiekapazität und sind deshalb besser für Geräte geeignet, die für einen längeren Zeitraum autonom betrieben werden sollen. Die höchste mögliche Energiedichte bietet heute Lithium-Thionylchlorid. Dies ist eine spezielle Chemikalie, die 684 Wh/kg und 7200 W/kg enthält. Eine D-Zelle mit einem Gewicht von 100 g ergibt 68 Wh. Wenn ein Gerät 10 mw benötigt, ist das für 6800 Betriebsstunden ausreichend. Ein Jahr hat 8760 Stunden, die Batterie könnte also dieses Gerät für ein Dreivierteljahr ununterbrochen betreiben. Normalerweise benötigen drahtlose Geräte eine sehr viel kleinere durchschnittliche Leistung (1 mw), wenn sie nur in bestimmten Intervallen senden (z. B. alle 10 s für 1 s), die Batterie könnte also Stunden oder fast 7 Jahre halten. Abbildung 19: Leistung und Energiedichte unterschiedlicher Batterietypen Zusammenfassung Es gibt mehrere Optionen für die Versorgung drahtloser Geräte Jede dieser Optionen hat Vor- und Nachteile Für autonome Anwendungen sind Batterien eine gute Wahl und können ein Gerät jahrelang mit Energie versorgen. Über das Stromnetz betriebene Geräte sind gut für die Bereitstellung der Infrastruktur für batteriebetriebene Geräte geeignet Energy Harvesting-Lösungen sind derzeit noch nicht voll ausgereift 22

23 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN 2.4 Verschlüsselung Im Gegensatz zur drahtgebundenen Kommunikation, wo die Information definitionsgemäß vor externem Zugriff und Störungen geschützt ist, kann die drahtlose Kommunikation abgefangen, verändert und gestört werden, weil sie über ein gemeinsames Medium übertragen wird, den offenen Raum. Auf den offenen Raum hat jedermann Zugriff, und es kann nicht verhindert werden, dass die Information abgefangen wird. Die übertragene Information kann jedoch durch Verschlüsselung geschützt werden. Verschlüsselung ist kein neues Konzept. Bei der klassischen Verschlüsselung aus Zeiten, in denen es noch keine Computer gab, wurden immer ganze Zeichen oder Zeichensätze durch andere Zeichen oder Zeichensätze ersetzt. Diese Methoden konnten jedoch sehr schnell geknackt werden und sind heute veraltet und unsicher. Beispielsweise braucht es nur 25 Versuche eines Brute Force-Angriffs oder eine statistische Auswertung der Auftrittshäufigkeit bestimmter Zeichen, um eine Verschlüsselung zu knacken, bei der das Alphabet um einen bestimmten Offset verschoben und alle Zeichen des Originaltexts durch die jeweils neuen ersetzt werden. In der englischen Sprache beispielsweise ist das e das am meisten verwendete Zeichen. Wenn in dem veränderten String das p das am häufigsten verwendete Zeichen ist, kann darauf geschlossen werden, dass es sich im Originaltext dabei um ein e handelt, und der Code ist geknackt. Im Zweiten Weltkrieg wurden häufig mechanische und elektromechanische Systeme eingesetzt. Das in dieser Zeit bekannteste System war die Enigma, die von der deutschen Armee für die Verschlüsselung von Nachrichten genutzt wurde. Außerdem wurden mathematische Methoden entwickelt, um die Verschlüsselung sicherer zu machen. Die moderne Kryptographie begann etwa 1949, als die mathematische Grundlage für die Verschlüsselung gelegt wurde. Damit wurde es auch überflüssig, den Algorithmus für die Verschlüsselung geheim zu halten. Die Sicherheit der Verschlüsselung war nur noch von dem ausgewählten Schlüssel abhängig. Ein weiterer wichtiger Schritt war 1976 die Entwicklung von DES (Data Encryption Standard) durch IBM und die NSA (National Security Agency). Der DES-Standard wird heute noch im Bankenwesen eingesetzt (z. B. für Bankkarten). Im Hinblick auf die drahtlose Kommunikation gibt es zwei hauptsächliche Methoden: WEP / WPA und WPA2 / AES. Abbildung 20: Verschiebechiffre durch verschieben um 3 Buchstaben 23

24 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN WEP und WPA WEP war der erste für WLAN verwendete Algorithmus. Es handelt sich dabei um eine einfache XOR-Operation zwischen dem Datenstrom und einem pseudo-zufälligen, in Echtzeit erzeugten Strom, dem so genannten Schlüsselstrom. Bei der Verschlüsselung an der Quelle wird der Datenstrom per XOR mit einem Schlüsselstrom kombiniert. Daraus entsteht der verschlüsselte Text. Die Entschlüsselung auf der Empfängerseite funktioniert auf dieselbe Weise: Der verschlüsselte Text wird mit XOR mit demselben Schlüsselstrom kombiniert, woraus sich wieder der Datenstrom in Klartext ergibt. Quelle Datenstrom Schlüsselstrom XOR = Verschlüsselter Text Ziel Tabelle 2: WEP-Verschlüsselungskonzept Verschlüsselter Text Schlüsselstrom XOR = Datenstrom Damit die Nachricht auf der Empfängerseite entschlüsselt werden kann, muss der Schlüsselstrom an der Quelle und am Ziel identisch sein. Der Algorithmus muss also vorhersehbar und an beiden Kommunikationsenden gleich sein. Der Algorithmus heißt RC4. Basierend auf einem Erstschlüssel erzeugt er die nachfolgenden Schlüssel. Der Algorithmus für die Erstellung der Schlüssel muss natürlich geheim gehalten werden, damit die Verschlüsselung effektiv ist. Mittlerweile ist der Algorithmus jedoch bekannt. Dies und andere Schwächen haben dazu geführt, dass WEP heute unsicher ist. Wenn man die Nachrichten 1 Minute lang verfolgt und sie ein paar Sekunden lang analysiert, erkennt man den Schlüssel. WPA ist die Abkürzung für WiFi Protected Access und WEP sehr ähnlich. WPA besitzt einige zusätzliche Funktionen, wie etwa dynamische Schlüssel, vorab mitgeteilte Schlüssel (für die Benutzerauthentifizierung) und MIC (Message Integrity Check). Weil WPA dasselbe Grundprinzip verwendet, kann es ebenfalls innerhalb von 1 Minute geknackt werden und wird nicht mehr empfohlen WPA2 / AES Nachdem WPA als nicht mehr sicher erachtet wurde, wurde WPA2 entwickelt. WPA2 verwendet einen völlig anderen Mechanismus, nämlich die AES-Verschlüsselung. AES ist der Nachfolger von DES, einer 1976 von IBM erfundenen Verschlüsselungsmethode. Im Bankenwesen wird DES heute immer noch eingesetzt. Nachdem DES aufgrund der gesteigerten Rechenleistungen der Computer für geheime Regierungsdokumente Ende der 90er Jahre unsicher wurde, wurde AES entwickelt. 24

25 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN AES verschlüsselt eine Nachricht in Blöcken mit 128 Bit Länge und Schlüssellängen von 128, 196 oder 256 Bit. Abhängig von der verwendeten Schlüssellänge wird AES als AES-128, AES-196 oder AES-256 bezeichnet. AES wiederholt verschiedene Operationen mehrfach, um einen Block mit 128 Bit zu verschlüsseln. Die Anzahl dieser Wiederholungen ist wichtiger als die Schlüssellänge. Eine zusätzliche Wiederholung kann den Code um das 10-fache sicherer machen.aes ist der effektivste und sicherste Verschlüsselungsalgorithmus, den man heute kennt. Er wurde von der amerikanischen Regierung für die Verschlüsselung von Geheimdokumenten zertifiziert. Es sind mehrere mögliche Angriffe denkbar, die jedoch alle nur von theoretischer Bedeutung und in der Praxis nicht durchführbar sind. Alle heute bekannten Angriffe benötigen bis zu bis Operationen. Ein Supercomputer mit 1 Petaflop würde 40,2 Millionen Jahre für die bestmögliche Annäherung benötigen, Operationen. Wenn das Gesetz von Moore weiterhin gültig bleibt, das besagt, dass sich die Rechenleistung alle 18 Monate verdoppelt, kann man in etwa 100 Jahren begründet annehmen, dass AES geknackt werden kann. Abbildung 21: AES-Verschlüsselungsprozess Spezielle Verschlüsselungsbetriebsmodi AES verschlüsselt immer 128-Bit-Blöcke einer Nachricht, aber die meisten Nachrichten sind sehr viel länger. Natürlich könnten jeweils 128 Bit nacheinander mit jeweils demselben Schlüssel verschlüsselt werden. Dieser Betriebsmodus existiert und wird als ECB-Modus (Electronic Code Book) bezeichnet. Dieser Modus ist jedoch nicht sehr sicher. Wenn man immer wieder denselben Schlüssel verwendet, kann ein Fußabdruck der Daten hinterlassen werden. Um dies zu vermeiden, verwenden AES und andere Blockverschlüsselungsalgorithmen spezielle Betriebsmodi. 25

26 2 Technologische VORAUSSETZUNGEN Zählermodus Der Zählermodus macht aus einer Blockverschlüsselung eine Stromverschlüsselung. Er erzeugt den nächsten Schlüsselstromblock, indem er aufeinanderfolgende Werte eines Zählers verschlüsselt. Der Zähler kann eine beliebige Funktion sein, die eine Folge erzeugt, die sich garantiert lange Zeit nicht wiederholt, obwohl ein echter Zähler die einfachste und gebräuchlichste Vorgehensweise darstellt. CBC-Modus (Cipher Block Chaining) Der CBC-Betriebsmodus wurde 1976 von IBM erfunden. Im CBC-Modus wird jeder Klartextblock per XOR mit dem vorhergehenden Verschlüsselungsblock kombiniert, bevor er verschlüsselt wird. Auf diese Weise ist jeder Verschlüsselungstextblock von allen bis zu diesem Zeitpunkt verarbeiteten Klartextblöcken abhängig. Um jede Nachricht eindeutig zu machen, muss im ersten Block außerdem ein Initialisierungsvektor verwendet werden. CBC-MAC ist eine Variante dieses Modells, die ebenfalls einen Nachrichtenauthentitätscode erzeugt. Dieser Code wird der verschlüsselten Nachricht hinzugefügt und kann auf der Empfängerseite genutzt werden, um zu prüfen, ob die Nachricht verändert wurde. Zähler-Modus/CBC-Mac (CCM)-Modus CCM kombiniert den Zählermodus und den CBC-MAC-Modus. Der Zählermodus-Teil dient der Verschlüsselung der Nachricht, während der CBC-MAC-Teil für die Integration und Authentifizierung der Daten zuständig ist. Original Im ECB-Modus verschlüsselt Andere Modi als ECB führen zu einer Pseudo-Zufälligkeit Abbildung 22: Verwendung des ECB-Modus oder Nicht-ECB-Modus für die Verschlüsselung Zusammenfassung Für die Verschlüsselung gibt es verschiedene Algorithmen Insbesondere mit der Weiterentwicklung der Computertechnologie und des mathematischen Hintergrunds wurden die Algorithmen immer komplexer Aktuelle Algorithmen und Methoden sind sehr sicher, fast nicht zu knacken und werden auch für die Verschlüsselung geheimer Regierungsdokumente verwendet 26

27 3 Bestimmungen und Standards 3.1 ISM-Bänder Da Funkwellen Teil des gesamten elektromagnetischen Spektrums sind und alle denselben Raum teilen, sind gesetzliche Bestimmungen erforderlich, um die Frequenzen aufzuteilen und gegenseitige Störungen zu verhindern. Diese Bestimmungen werden von den jeweiligen Behörden erlassen und sind von Land zu Land verschieden. Abbildung 23: Frequenzbänder Der gesamte Funk-Frequenzbereich wird in einzelne Bänder unterteilt, die jeweils einen Teil des Spektrums abdecken. So wird z. B. eine Frequenz zwischen 30 und 300 MHz als VHF-Band bezeichnet, das hauptsächlich für die Tonübertragung verwendet wird. Dieses Band ist dann wiederum in einzelne Kanäle unterteilt. Ein bestimmter Radiosender sendet z. B. über einen bestimmten Kanal im VHF-Band. Bei den meisten Bändern ist eine behördliche Genehmigung erforderlich, um sie für einen bestimmten Zweck nutzen zu können. Einige Bänder sind jedoch frei verfügbar und können von Jedermann benutzt werden, ohne dass dafür eine bestimmte Genehmigung benötigt wird Diese Bänder nennen sich ISM-Bänder (Industrial Medical Science). Die beiden bekanntesten davon sind das MHz-Band und das 2,4-GHz-Band MHz-Band Der Bereich unter einem GHz, zwischen MHz, ist in jedem Land leicht unterschiedlich aufgeteilt. Daher kann es kein Produkt mit weltweiter Standardisierung geben. Auch muss jedes Gerät sorgfältig auf die Kompatibilität mit den örtlichen Bestimmungen ausgelegt werden. 27

28 3 Bestimmungen und Standards ,4-GHz-Band Das 2,4-GHz-Band ist das einzige weltweit lizenzfreie Band. Das macht es zur idealen Basis für weltweite Standards. Bluetooth und WLAN arbeiten z. B. in diesem Frequenzbereich und können daher praktisch überall auf der Welt in einem WLAN oder Bluetooth fähigen Gerät eingesetzt werden. 3.2 Weltweite Standards Da das 2,4-GHz-Band fast überall, lediglich mit Unterschieden in der erlaubten Sendeleistung (1 mw, 10 mw oder 100 mw) benutzt werden darf, wurden vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) spezielle Standards entwickelt, um ein Zusammenspiel unterschiedlicher Geräte zu ermöglichen. Die Normengruppe für die LAN-Kommunikation trägt die Bezeichnung IEEE 802. und setzt sich wiederum aus mehreren Unterstandards zusammen. Grundsätzlich beziehen sich all diese Standards auf die physikalische Ebene (das Frequenzband, auf dem gesendet wird, die Kanalverteilung und deren Nutzung), die Modulation und auf die Medien-Zugriffsebene (die Methode, wie einzelne Teilnehmer adressiert werden und miteinander kommunizieren) IEEE (WLAN) IEEE und deren durch Buchstaben gekennzeichneten Erweiterungen (z. B g) beschreiben einen Standard zur lokalen drahtlosen Kommunikation. Dabei handelt es sich um den Standard für das bekannte und überall genutzte Wireless Local Area Network (auch Wireless LAN, W-LAN oder WLAN genannt). Der Name Wireless Local Area Network beschreibt eine Anwendung, bei der ein bestimmter räumlicher Bereich von einem drahtlosen Netzwerk abgedeckt wird, um Verkabelungsaufwand zu sparen. Typisch dafür sind öffentliche Orte, wie z. B. Flughäfen, mit einem WLAN Access Point. Dabei ist der gesamte Flughafen oder Teile davon mit einer drahtlosen Infrastruktur ausgestattet, über die auf das Internet zugegriffen werden kann. Für diese Anwendung ist WLAN mit einer erhöhten Sendeleistung und damit einer hohen Datenübertragungsrate ausgelegt. WLAN nutzt, wie in Kapitel beschrieben, DSSS. Die Bandbreite eines WLAN Signals ist 22 MHz. Aufgrund der Tatsache, dass in der IEEE der Abstand zwischen zwei Mittenfrequenzen mit nur 5 MHz spezifiziert ist, können sich zwei Kanäle gegenseitig beeinflussen. Die Mittenfrequenz von WLAN Kanal 1 ist z. B. 2,412 GHz., somit reicht das Spektrum von 2,401 GHz 2,423 GHz. Kanal 2 nutzt 2,417 GHz als Mittenfrequenz und damit ein Spektrum von 2,406 GHz 2,428 GHz. Die Spektren überlappen sich, dadurch sind beide Kanäle nicht gleichzeitig nutzbar. WLAN benötigt relativ viel Zeit, bis ein Funkkanal und damit ein Access Point erkannt wird. Für bewegliche Objekte kann dies erhebliche Wartezeiten bedeuten. Dazu kommt, dass bei einer hohen Anzahl an Kommunikationspartnern an einem Access Point die verfügbare Zeit zur Kommunikation für jeden einzelnen strikt begrenzt wird. Ein neuer 28

29 3 Bestimmungen und Standards Abbildung 24: Aufteilung des 2,4 GHz Frequenzbandes nach IEEE Kommunikationspartner kann erst dann aktiv werden, wenn ein anderer seine Kommunikation abgeschlossen hat und den Kanal freigibt. Das wird in der Praxis als Nachlassen der Kommunikationsgeschwindigkeit wahrgenommen IEEE (WPAN/Bluetooth) Der Standard IEEE ist die Grundlage für ein Wireless Personal Area Network (WPAN). Dabei wird von einer deutlich geringeren Reichweite ausgegangen als bei einem WLAN, meistens nur einige wenige Meter. Der erste Substandard davon trägt die Bezeichnung IEEE und ist allgemein als Bluetooth bekannt. Dabei wird auch die Bedeutung des Begriffs WPAN deutlich: Ein Bluetooth-Kopfhörer für ein Mobiltelefon hat zum Beispiel lediglich eine Reichweite von ein bis zwei Metern. Der Gedanke dabei ist, dass das Telefon in der Tasche getragen wird und sich über den Kopfhörer bedienen lässt. In der Kombination entsteht dabei ein persönliches Netzwerk exklusiv für den Nutzer des Mobiltelefons. Mit höherer Sendeleistung lässt sich die Reichweite selbstverständlich steigern. Mit Bluetooth lassen sich relativ hohe Datenraten übertragen, auch wenn diese nicht ganz an WLAN heranreichen. Außerdem zeichnet sich Bluetooth durch eine geringere Stromaufnahme aus. Abbildung 25: Aufteilung des 2,4 GHz Frequenzbandes nach IEEE

30 3 Bestimmungen und Standards Bluetooth oder IEEE teilt das Band in 79 Kanäle mit je 1 MHz Bandbreite. Zwischen den einzelnen Kanälen wird 1600 mal in der Sekunde gewechselt. Das resultierende Spektrum ist in Abbildung 25 dargestellt (WLAN Kanäle sind zur besseren Orientierung ebenfalls eingezeichnet) IEEE (Low Rate WPAN/ZigBee) IEEE ist ein Unterstandard von IEEE und beschreibt WPANs mit besonders niedrigen Datenraten. Auch wenn sich Bluetooth durch einen niedrigen Energiebedarf und eine geringere Datenrate auszeichnet als WLAN, ist es für bestimmte Anwendungen nicht geeignet. Dies trifft immer dann zu, wenn es lediglich darum geht, relativ schnell einige Status- Bytes zu übertragen. Für einen autonomen Betrieb ist dabei oft ein batteriebetriebenes Gerät wünschenswert. Um eine vernünftige Batterielebensdauer zu erreichen, muss die Energieaufnahme speziell optimiert werden. Die bekannteste Implementierung dafür ist ZigBee. ZigBee ist vor allem für die Gebäudeautomation gedacht, bei der es lediglich darauf ankommt, z. B. eine Schalterstellung oder eine Temperatureinstellung zu übertragen. Die dafür erforderliche Information ist sehr begrenzt. Zum Beispiel lässt sich die gewünschte Temperatur mit 2 Bytes ausdrücken. Außerdem können die damit verbundenen Geräte mit Batterien betrieben werden, die 10 Jahre lang halten. Selbst mit kleinen Energy Harvesting-Geräten sind damit wartungsfreie Lösungen möglich. Abbildung 26: Aufteilung des 2,4 GHz Frequenzbandes nach IEEE IEEE nutzt, wie WLAN auch, DSSS als Modulationsmethode. Im Gegensatz zu WLAN teilt IEEE das Spektrum jedoch in 16 Kanäle mit einer Bandbreite von je 2 MHz auf. Auf Grund der schmaleren Bandbreite überlappen sich diese Kanäle nicht und können somit parallel genutzt werden, auch wenn der Datendurchsatz im Vergleich zu WLAN geringer ist. 30