Von Pascal Unterdorfer

Vor allem die beiden Funkvarianten WLAN und Bluetooth schälen sich im industriellen Umfeld als Kandidaten heraus. Insbesondere Wireless-LAN erscheint wegen der hohen Affinität zum kabelbasierten Ethernet als ideale Ergänzung in lokalen Netzwerken. Es wird gleichsam zum Kabelersatz für mobile Anwendungen wie fahrerlose Transportsysteme oder für die Datenerfassung im Lagerbereich. Außerdem werden auf diese Weise in der Automatisierung auch Mess- und Steuerungsdaten übertragen. Denn die große Stärke von WLAN liegt in der hohen Datenrate, die aktuell bei 54 MBit/s liegt. Proprietäre, also herstellerspezifische Lösungen erreichen bereits 108 MBit/s. Und der neue Standard IEEE 802.11n – er wird voraussichtlich im Juni 2009 verabschiedet – sieht sogar Datenraten bis zu 600 MBit/s vor.

Aber nicht nur hohe Datenraten sprechen für den industriellen Einsatz von WLAN, sondern auch die Reichweite so einer Funkverbindung. Mit entsprechenden Antennen lassen sich Reichweiten von über 15 km erzielen. In den USA sind drahtlose Datenverbindungen in ausgedehnten Anlagen bereits weit verbreitet, beispielsweise zur kostengünstigen Meldung der Füllhöhe von Tanks. Auch dort, wo nur eingeschränkte oder gar keine Sichtverbindung möglich ist, verspricht der neue Standard 802.11n eine deutliche Stabilisierung der Datenübertragung. Durch die gleichzeitige Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen werden Reflektionen dazu genutzt, die Übertragungsqualität zu verbessern.

Eine weitere Möglichkeit, die Reichweite einer WLAN-Verbindung zu steigern, liegt im „TX Channel Width Support“. Hierbei lässt sich durch Verringern der Bandbreite eines Kanals von 20 MHz auf 10 MHz oder 5 MHz die Sendeleistung erhöhen, was eine Steigerung der Funkreichweite zur Folge hat. Da die effektive Leistung eines Kanals weiterhin über die Kanalbandbreite von 20 MHz berechnet wird, gibt es auch keine Überschreitung des erlaubten Leistungsgrenzwertes; einziges Manko bei diesem Verfahren ist die reduzierte Datenrate.

Bluetooth hingegen kommt vor allem dann zum Zuge, wenn wenige Teilnehmer mit niedrigen Übertragungsraten über einige Meter hinweg miteinander kommunizieren sollen, etwa beim Konfigurieren oder Parametrieren einer Anlage über ein mobiles Handheld-Terminal. Da bei Bluetooth kaum Konfigurationsaufwand besteht, wird diese Technologie auch in Wireless-Sensor-Netzwerken verwendet. Im Gegensatz zu Wireless-LAN lässt sich mit Bluetooth jedoch kein Netzwerk zwischen den Knoten aufbauen.

Es liegt auf der Hand, dass angestrebt wird, die jeweiligen Stärken der verschiedenen Funkvarianten miteinander zu kombinieren, um für jede Aufgabe die richtige Lösung parat zu haben.

Koexistenz von Bluetooth und WLAN

Kritisch bleibt hierbei allerdings der gleichzeitige Betrieb mehrerer voneinander unabhängiger Funkstrecken wie der von WLAN und Bluetooth im selben Frequenzband und am selben Ort. Denn Fakt ist: Bei den meisten breitbandigen Verbindungen kann es zu störenden Wechselwirkungen kommen, die sich nur ausschließen lassen, wenn der Betreiber der Anlage Vorkehrungen trifft. Deshalb haben einige Hersteller von WLAN-Technik die Nutzung des 5-GHz-Bandes in ihre Access-Points/Clients integriert. So lassen sich beide Funksysteme – Bluetooth im 2,4-GHz-Band und WLAN im 5-GHz-Band – gleichzeitig und ohne gegenseitiges Stören in derselben Umgebung betreiben.

Ob Dateninformationen innerhalb einer bestimmten Zeit zuverlässig über eine Funkstrecke übertragen werden können, hängt auch vom räumlichen Umfeld der Verbindung ab. Häufig weist gerade die industrielle Umgebung ungünstige Ausbreitungsbedingungen für elektromagnetische Wellen auf. Denn fast überall sind Metallteile zu finden, die die Übertragung stören oder unterbrechen können. Genauer: Diese Metallflächen reflektieren Funkwellen, was zu Paketverlusten oder sogar zur Auslöschung des Funksignals führen kann. Um die durch solche Interferenzen entstehenden Signaleinbrüche auszugleichen, sind die Empfangsgeräte inzwischen in aller Regel mit zwei Antennen ausgestattet. Angeordnet sind diese im Abstand von einer halben Wellenlänge, so dass sich immer eine der Antennen außerhalb eines Funkloches befindet.

Zur Stabilisierung des Funkverkehrs lassen sich WLAN-Netze darüber hinaus redundant aufbauen. So verfügen viele der heutigen industrietauglichen Access-Points über zwei unabhängige Funkschnittstellen, die im 2-, 4- und 5-GHz-Bereich arbeiten können. Bei einer sorgfältigen Planung des Netzes mit dem Ziel einer möglichst guten Ausleuchtung des Areals mit WLAN, kann so von vornherein die Anzahl möglicher Probleme reduziert werden. Zudem steht den Administratoren von WLAN-Netzen Management- und Monitoring-Software zur Verfügung, um Probleme frühzeitig erkennen und beseitigen zu können. Allerdings sind die Tools, die es derzeit auf dem Markt gibt, noch nicht ganz ausgereift. Sie wurden überwiegend für den Bürobereich entwickelt und können somit den abweichenden Anforderungen, die Industrienetze mit sich bringen, nicht standhalten. Der Trend geht in die Richtung, ein Netzwerk-Managementsystem für alle Anwendungen zu haben, das heißt Monitoring des gesamten Netzes egal, ob drahtlos oder drahtgebunden, sowie die Netzkonfiguration und das „Faulty-Device-Management“.

Zu Beginn der Wireless-Entwicklungen wurden die Sicherheitsanforderungen an die drahtlose Datenübertragung stiefmütterlich behandelt. In diesem Punkt hat sich seit Beginn des Industrial-Wireless-LAN viel getan. Der seit 2004 gültige IEEE-802.11i-Standard sichert jede Verbindung mit einer AES-CCM-Verschlüsselung ab. Dieses Verfahren bietet eine Netzwerksicherheit auf dem Niveau der besten VPN-Tunnel. Zusätzlich findet für jede neue Verbindung ein Key-Austausch statt.

Etwas aufwendiger ist die Verschlüsselung bei einer 802.1x-Authentifizierung, denn dies erfordert jedes Mal eine Rückfrage beim 802.1x-Server.

Der Sicherheitsaspekt

Am Netzzugang, dies ist ein physikalischer Port im LAN, WLAN oder in einem logischen VLAN, erfolgt die Authentifizierung eines Teilnehmers durch den „Authenticator“ mittels eines Authentifizierungsservers (Radius-Server). Der Teilnehmer übermittelt seine Authentifizierungsdaten, die durch den Radius-Server geprüft werden.

Wird der Teilnehmer erfolgreich bestätigt, werden ihm je nach Zugriffsrecht diverse Dienste wie WLAN, LAN oder VLANs angeboten. Durch Nutzung eines solchen Authentifizierungsservers ist auch lokal unbekannten Teilnehmern ein Netzzugang möglich. Auf diese Weise kann ein Mitarbeiter in jeder Niederlassung eines Konzerns, egal wo auf der Welt, seine Web-Dienste wie E-Mail oder SAP nutzen.

Moderne Access-Points nutzen diese Verfahren häufig schon, so dass die Nutzung einfacher ist als es auf den ersten Blick den Anschein hat.

Die Ansprüche an WLAN-Access-Points steigen nochmals, wenn es gilt, ein vermaschtes (meshed) Netz aufzubauen, bei dem sich die Geräte untereinander automatisch zu einem redundanten und „selbstheilenden“ Netz verbinden, und zwar nach Möglichkeit ohne Eingriff des Netzwerkadministrators. Der Fülle von Anforderungen, die schon für herkömmliche Access-Points eine Herausforderung darstellen können, stehen enorme Vorteile gegenüber, die eine Vermaschung für industrielle Netze sehr interessant machen. Denn das vorrangige Ziel, die Erhöhung der Verfügbarkeit eines WLAN-Netzwerkes, kann schon mit wenigen Knoten erreicht werden. Hierbei reicht es im ersten Schritt aus, jedem Client nur einen einzigen alternativen Pfad anzubieten. Zugleich skaliert das vermaschte Netz mit der Anzahl der Knoten, indem die hinzugefügten Access-Points die Leistungsfähigkeit direkt erhöhen und auch die Zuverlässigkeit der Datenübertragung ansteigt. Bevor ein solches vermaschtes Szenario Realität wird, ist jedoch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten. Hierfür steht der kommende IEEE802.11s-Standard in den Startlöchern. Seine Wurzeln reichen zurück bis ins Jahr 2003, damals begann eine Arbeitsgruppe der IEEE mit der Definition dieses Standards für Mesh-Netze. Daraus folgten 2006 zwei Ansätze, Wi-Mesh und See-Mesh, die später miteinander vereint wurden. Noch sind nicht alle Fragen geklärt, aber es ist damit zu rechnen, dass der Standard IEEE802.11s Ende 2009 zum Abschluss kommt.

Bereits heute lässt sich mit statischen, WDS-fähigen Access-Points und einem „Spanning Tree-Protokoll“ vieles von dem erreichen, was mit Mesh-Netzen geplant ist. Ein solches „Wireless Distribution System“ (WDS) stellt eine Kombination aus Punkt-zu-(Mehr-)Punkt- und Client-Verbindungen dar und findet Verwendung, um große Netzabdeckung zu erreichen, ohne dass die Access-Points (AP) miteinander verkabelt werden müssen. Um ein WDS effektiv nutzen zu können, sind APs mit zwei Wireless-Schnittstellen notwendig. Bei „Single-Radio-Aps“ wird die WLAN-Schnittstelle sowohl für die Client-Anbindung als auch für die Verbindung zum benachbarten Zugriffspunkt genutzt, dadurch halbiert sich pro zusätzlichem AP die Übertragungsrate im Netz. Bei „Dual-Radio-Aps“ wird eine WLAN-Schnittstelle zur Anbindung der Clients verwendet und die andere zur Anbindung an den nächsten Zugriffspunkt. Um Interferenzen zu vermeiden, bietet es sich an, die Anbindung von Clients und Backbone in unterschiedlichen Frequenzbändern zu realisieren (zum Beispiel Clients 2,4 GHz, Backbone 5 GHz).

Im Normalfall müssen den einzelnen Zugriffspunkten die WLAN-MAC-Adressen der anderen Zugriffspunkte bekannt sein. Mit den Geräten der BAT-Familie von Hirschmann beispielsweise ist dies nicht mehr notwendig. Ab der Software-Version 7.52 ist es ausreichend, nur den Namen der Schnittstelle gegenüber zu kennen. Das vereinfacht vor allem den Gerätetausch, da die Konfiguration 1:1 übernommen werden kann. Außerdem sollte jeder dieselbe SSID und denselben Netzwerkschlüssel (WPA oder WEP) verwenden, da es sonst nicht möglich ist, von einem AP zum anderen zu roamen.

Ein solcher Aufbau ist jedoch nur statisch möglich. Auch sind die Umschaltzeiten von Spanning-Tree hoch, und eine Addition der Bandbreiten wird ebenfalls nicht erreicht.

Knackpunkt Netzwerk-Management

Auf den Punkt gebracht, lässt sich zum heutigen Zeitpunkt bezüglich der verschiedenen Funkstandards im industriellen Umfeld feststellen: Bluetooth ist einfach zu konfigurieren und läuft über kurze Entfernungen durchaus stabil. Und ZigBee beziehungsweise der 802.15.4-Standard werden ihre Berechtigung im „Low Power“-Bereich haben. Sobald allerdings sicherheitskritische Netzwerke über größere Distanzen erforderlich sind, ist WLAN erste Wahl.

Wichtig für die Hersteller dieser Lösungen ist es, die Nutzungsaspekte nicht zu vernachlässigen: Die Anwender erwarten eine kostengünstige und zukunftssichere Lösung. Und damit ein Wireless-Netzwerk eine wirklich hohe Investitionssicherheit bieten kann, müssen die Hersteller der Funktechnik ein umfangreiches und einfach zu bedienendes Netzwerk-Management zulassen. Sollte dies den Herstellern gelingen, wird insbesondere WLAN weiterhin rasant in den Industriebereich vordringen. Wesentliche Triebkraft hierfür ist schon die Durchgängigkeit der Kommunikation und damit die Öffnung der Prozesse.

Autor

Pascal Unterdorfer ist Produktmanager bei der Hirschmann Automation and Control GmbH, Neckartenzlingen.