Wireless-LAN-Netzwerke (WLAN) ermöglichen die Umsetzung mobiler Anwendungen, bieten eine hohe Flexibilität und reduzieren die Installationskosten. Zudem lassen sich die Netzzellen mehrerer Access-Points einfach zu einem großflächigen WLAN-Netzwerk zusammenfassen. – Alles gute Gründe, weshalb immer mehr industrielle Anwender diese Form der drahtlosen Kommunikation in Betracht ziehen.

In einem solchen WLAN-Netzwerk kann ein mobiler Teilnehmer automatisch von einer Zelle in eine andere Zelle mit einem besseren Sendesignal wechseln. Damit er stets die optimale Performance nutzen kann, muss der WLAN-Teilnehmer immer mit dem Access-Point verbunden sein, der aktuell über das beste Sendesignal verfügt und so eine zuverlässige Datenübertragung sicherstellt. Dazu entscheidet der WLAN-Teilnehmer selbstständig, an welchen Access-Point er sich ankoppelt. Mit anderen Worten: Der Client ist im Wesentlichen selbst für das so genannte Roaming verantwortlich – er bestimmt, wann und wohin er „roamt“.

WLAN-Ethernet-Port-Adapter verbinden Automatisierungsmodule wie Steuerungen oder I/O-Stationen mit dem WLAN-Netzwerk.

© Phoenix Contact

Voraussetzung dafür, dass der WLAN-Client stets zu dem Access-Point mit dem besten Sendesignal wechseln kann, ist eine kontinuierliche Information über alle lokal verwendbaren Access-Points und deren Signalstärke. Zu diesem Zweck müssten die verschiedenen WLAN-Kanäle ununterbrochen nach entsprechenden Access-Points abgescannt werden. Die Problematik dabei: Während des Scan-Vorgangs ist keine Datenkommunikation möglich. Hinzu kommt: Um die laufende Datenübertragung nicht zu unterbrechen, hält der WLAN-Client seine Funkverbindung meist so lange wie möglich. Erst wenn die Verbindung sehr schlecht ist oder abreißt, sucht er nach einem alternativen Kommunikationsweg.

Dieser Vorgang und der anschließende Verbindungsaufbau auf Basis der vorab beschriebenen WLAN-Standardmechanismen für das Roaming führen zu einer Kommunikations-Unterbrechung von einigen hundert Millisekunden bis zu einigen Sekunden. Für zeitkritische Automatisierungsanwendungen, bei denen das Roaming schnell – also je nach Anwendung in wenigen zehn Millisekunden respektive ohne Unterbrechung – und zuverlässig zu einem optimalen Zeitpunkt erfolgen muss, sind diese daher ungeeignet. Optimal bedeutet hier, dass der Client dann zu einem neue Access-Point wechselt, sobald dessen Funksignal besser ist als die aktuelle Verbindung. – Je schneller dies erkannt wird, desto besser ist die Performance der Verbindung.

Die Möglichkeiten der Optimierung

Um WLAN dennoch im Fabrikumfeld einsetzen zu können, sind folglich spezielle Optimierungsverfahren erforderlich. Zu diesen Verfahren gehört das Schwellwert-Roaming in Verbindung mit dem Background-Scanning. Das heißt: Unterschreitet der Signalwert der aktuellen Verbindung einen eingestellten Schwellwert, wird im „Hintergrund“ (Background) mit der Suche nach einem besseren Kommunikationsweg begonnen. Die Bezeichnung „Hintergrund“ ist in diesem Zusammenhang jedoch missverständlich. Denn beim Background-Scannen erfolgt die Überprüfung nicht im Hintergrund, also pa­rallel zum Datenaustausch, sondern es werden lediglich längere Sendepausen für die Suche nach neuen Access-Points genutzt.

In typischen Automatisierungs-Netzwerken mit zyklischer Datenübertragung treten solche Kommunikationspausen allerdings nicht auf. Deshalb wird der Datenaustausch nach dem Unterschreiten des festgelegten Schwellwerts zum Scannen regelmäßig für mehrere hundert bis hin zu mehreren zehn Millisekunden unterbrochen, wobei die Zeitspanne von der Konfigura­tion und vom Netzwerk abhängt. Wird ein Access-Point mit einem besseren Sendesignal detektiert, welches oberhalb eines definierten Hysterese-Wertes liegt, baut der WLAN-Client eine Verbindung zum neuen Access-Point auf. Bei diesem Verfahren wird zwar der Zeitpunkt des Roamings optimiert, jedoch bleibt die Sende-Unterbrechung von 50 bis zu 500 Millisekunden für das Scannen und den Verbindungsaufbau bestehen. Für zeitkritische oder hochverfügbare Automatisierungsanwendungen ist daher auch dieser Mechanismus ungeeignet.

Um die Datenkommunikation für das Scannen nicht zu stoppen, kann der WLAN-Client die benötigen Informationen in zeitkritischen Anwendungen nicht selbst ermitteln. Vor diesem Hintergrund hat Phoenix Contact eine spezielle Seamless-Roaming-Funktion für seinen WLAN-Ethernet-Port-Adapter (FL WLAN EPA) entwickelt. Ein zweiter WLAN-Adapter wird hierbei nicht nur als externer Scanner eingesetzt, sondern auch zum unterbrechungsfreien Wechseln zwischen zwei Access-Points. Dazu verbindet der Anwender zwei Adapter mit aktivierter Seamless-Roaming-Funktion über das Ethernet-Netzwerk miteinander. Eines der Geräte übernimmt dann automatisch die Rolle des Masters, während der zweite Adapter als Slave fungiert. Beide tauschen die Informationen über das Ethernet-Netzwerk aus.

Wird ein besser geeigneter Access Point gefunden, baut der Slave-Adapter eine Kommunikationsverbindung auf; anschließend findet ein Rollentausch statt und der andere Adapter übernimmt das Scannen.

© Phoenix Contact

Der im Master-Mode arbeitende Adapter baut die Verbindung zu einem Access-Point auf, über den die Daten weitergeleitet werden. Das Gerät im Slave-Mode scannt die WLAN-Kanäle kontinuierlich nach alternativen Access-Points ab und übermittelt das Ergebnis mit der jeweils aktuellen Signalstärke (SNR) laufend an den WLAN-Master-Adapter. Dieser vergleicht die Signalwerte mit der eigenen Verbindung. Findet sich ein Access-Point mit einer deutlich besseren Signalstärke, sendet der Master dem Slave-Adapter ein Kommando, dass dieser die Verbindung zum neuen Access-Point aufbauen soll. Sobald die Verbindung hergestellt ist, gibt der Slave-Adapter dem Master eine entsprechende Rückmeldung. Anschließend tauschen die Geräte die Rollen: Der bisherige Master wird zum Slave und der Slave nimmt die Master-Rolle an.

Bei diesem Verfahren wird die Kommunikationsverbindung unterbrechungsfrei zwischen den beiden WLAN-Ethernet-Port-Adaptern umgeschaltet. Das Seamless Roaming hat zudem im Vergleich zu anderen Roaming-Mechanismen den Vorteil, dass die Geräte auto­ma­tisch stets den besten Kommunikations­weg verwenden, ohne die Datenübertragung zu beeinträchtigen. Die Methode setzt auch keine proprietären Funktionen im Access-Point voraus und ist daher in Standard-WLAN-Netzwerken nutzbar.

Seine Vorteile kann das beschriebene Verfahren insbesondere in Anwendungen ausspielen, in denen die Umgebungsbedingungen nicht vorhersehbar sind – also beispielsweise bei der funkbasierten Kommunikation mit Gabelstapler-Terminals oder fahrerlosen Transportsystemen. Um eine zuverlässige drahtlose Datenübertragung in solchen Umgebungen sicherzustellen, hat Phoenix Contact in das Gehäuse der WLAN-Ethernet-Port-Adapter nicht zuletzt eine spezielle, zirkular polarisierte Antenne integriert, die für eine stabile Funkverbindung in der reflektiven metallischen Umgebung einer Produktionshalle sorgt.

Autor: Jürgen Weczerek ist Produktmanager Wireless Networks bei Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont.