Kommunikation
WLAN in der Fabrik - die Auswahlkriterien
WLAN bietet sich für diverse Anwendungen in der Fabrik an. Aufgrund der vielen Einflussfaktoren ist jedoch nicht immer offensichtlich, wie sich ein Netzwerk nach dem Standard IEEE 802.11 auf die Anforderungen des industriellen Einsatzes optimieren lässt. – Eine Hilfestellung.
WLAN-Netzwerke bieten bekannt- lich viele neue Möglichkeiten zur Realisierung von industriellen Anwendungen; die Anforderungen an die Qualität der Übertragung gehen allerdings weit über die des Office- und Privatbereiches hinaus. Wichtige Indikatoren in diesem Kontext sind:
■ die Paketverlustrate,
■ die Latenz (Übertragungsverzögerung für die Auslieferung einer Nachricht),
■ der Datendurchsatz,
■ die Roaming-Unterbrechung sowie
■ die Reichweite eines Access Points.
Bild 1. Der Abstand zwischen Signal und Rauschen – das Signal-zu-Rauschverhältnis – bestimmt maßgeblich die anderen Qualitätsmerkmale eines WLAN-Netzwerkes.
© BeldenEin in besseren WLAN-Geräten direkt ablesbarer Qualitätsindikator ist der Signal-zu-Rauschabstand. Dieses Verhältnis gibt an, um wieviel stärker das Nutzsignal der Übertragung im Vergleich zum Umgebungsrauschen ist. Bei einem großen Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR = Signal to Noise Ratio) kann mit hoher Geschwindigkeit klar kommuniziert werden. Ist das SNR gering, ist das Signal nicht mehr gut vom lauten Rauschen differenzierbar. In diesem Fall verstehen sich die WLAN-Geräte nur, wenn sie ihre Daten sehr langsam und deutlich übertragen. Bild 1 zeigt das SNR grafisch: Bis zu einem SNR von 6 dB ist in der Regel die Kommunikation mit geringster Datenrate in einem WLAN-Netzwerk möglich (zum Beispiel bei einem Rauschen von –86 dBm genügt ein Signal von -80 dBm). Hochwertige WLAN-Geräte erlauben die Anzeige des aktuellen SNR über das Web-Interface oder über SNMP (Simple Network Management Protocol).
Folgende Einsatz-Szenarien dienen zur Veranschaulichung des Einflusses der diversen Qualitätseigenschaften eines WLAN in der Praxis:
Überwachung und Kontrolle
Viele Anlagen erlauben heute eine Überwachung und Steuerung über das Netzwerk. Der Einsatz mobiler Geräte über drahtlose Verbindungen erleichtert es den Benutzern, die Maschinen und Anlagen zu bedienen und zu warten. Interaktive Dienste benötigen hier eine hohe Bandbreite: Für die Übertragung von Videodaten etwa sind 5 Mbit für jeden HD-Video-Strom und weitere Reserven für die parallele Nutzung des WLAN-Systems durch mehrere Nutzer erforderlich. Ebenso sind moderate Reaktionszeiten (zum Beispiel <100 ms) für die effiziente interaktive Bedienung notwendig.
Anwendungen wie Augmented Reality treiben dabei die Anforderungen je nach System noch weiter in die Höhe. Für eine sinnvolle Anwendung sind hier größere Bandbreiten (>10 Mbit/s pro AR-System – oftmals in beide Richtungen) und kurze Latenzen (<50 ms) wichtig. Ebenso ist eine gute Verfügbarkeit des Netzwerks an allen Stellen der Fertigung ein Muss. Die Kernanforderungen an eine zukunftssichere WLAN-Versorgung einer Fertigung sind daher: ein hoher Durchsatz, eine geringe Latenz und eine gute Flächenabdeckung.
Verbindung von Anlagenteilen
Aufgrund der schnellen Übertragung von Wireless-Signalen und aufgrund der hohen Reichweite von gerichteten WLAN-Verbindungen eignet sich der Übertragungsstandard hervorragend als Technologie zur Verbindung von einzelnen räumlich verteilten Anlagenteilen. Über entsprechende Richtfunkstrecken lassen sich so sogar mehrere Kilometer entfernte Netzwerke verbinden. Die Reichweite eines Funksystems ist daher oft von entscheidender Bedeutung. Wichtig für einen reibungslosen Betrieb sind hier ebenfalls die Latenz und der Durchsatz einer Verbindung. Hinzu kommt, dass je nach verwendetem Frequenzband im Outdoor-Einsatz Aspekte der Radar-Erkennung zu berücksichtigen sind. Für Anwendungen, die sensibel auf den Verlust einzelner Pakete reagieren, sollten darüber hinaus noch Redundanztechniken in Erwägung gezogen werden. Da oftmals viele Anwendungen die Punkt-zu-Punkt Strecke teilen, sind meist höhere Durchsätze (>100 Mbit/s) gefordert.
Die exemplarisch genannten Anwendungsfälle zeigen deutlich, dass es stets auf eine Balance zwischen verschiedenen Leistungsmerkmalen eines Netzwerks ankommt. Doch welche technischen Aspekte eines WLAN-Netzwerks beeinflussen konkret die relevanten Kenngrößen?
Um diese Frage zu beantworten, sei zunächst kurz auf die technischen Grund-lagen der WLAN-Kommunikation eingegangen. Eine ausreichende Aus-leuchtung des zu versorgenden Areals ist für die im Folgenden diskutierten Optimierungen eine Grundvoraussetzung.
WLAN-Netzwerke verwenden im Gegensatz zu anderen Funktechnologien ein CSMA/CA-Zugriffsverfahren (Carrier Sense, Multiple Access, Collision Aviodance). Dabei wird zuerst auf den verwendeten Frequenzen ‚gelauscht‘, ob es keine konkurrierende Übertragung gibt. Wird das Funkmedium als frei wahrgenommen, so kann ein WLAN-Gerät – eine sogenannte Station – mit dem Senden beginnen. Sollte das Medium belegt sein, so muss gewartet werden, bis das Medium frei wird. Um fehlerhafte beziehungsweise erfolgreich beim Empfänger angekommene Pakete (sogenannte Frames) beim Sender zu erkennen, sendet der Empfänger nach erfolgreichem Erhalt eine Empfangsquittung aus.
Medienzugriffsverfahren und Koexistenz
Bleibt diese Quittung aus, kann der Sender daraus ableiten, dass eine Empfangsstörung vorliegt. Schlägt die Neuübertragung mehrere Male nacheinander fehl, so bricht die sendende Station die Übertragung ab und überträgt das nächste Paket – das nicht angekommene Paket muss dann als verloren/unzustellbar betrachtet werden.
Das beschriebene Verfahren hat Auswirkungen auf die zu erwartenden Kenngrößen wie Sendeverzögerung und Paketverlust. In weitgehend störungsfreien Situationen lassen sich mit WLAN-Verbindungen problemlos Paketverlustraten im Bereich von 0,1 % erreichen. In gestörteren Situationen sind Fehlerraten im Bereich von mehreren Prozent nicht auszuschließen. Darüber hinaus haben gestörte Übertragungen aufgrund der Mehrfach-Versendung der Pakete auch eine direkte Auswirkung auf die Übertragungsdauer, die sogenannte Latenz. Des Weiteren ist in gestörten Situationen häufig das Medium bereits durch andere sendende Stationen belegt, so dass zuerst gewartet werden muss, bevor eine Übertragung überhaupt beginnen kann. Eine wichtige Frage bei der Optimierung eines WLAN-Netzwerks ist daher, wie eine systematische Störung der Übertragungen (zum Beispiel durch einen überlasteten Kanal) von vornherein vermeidbar ist beziehungsweise wie auch in gestörten Situationen eine erfolgreiche Übertragung möglich gemacht werden kann – etwa durch die Verwendung eines anderen Frequenzbereichs.
Verwendung von Frequenzen und Kanälen
Die erste grundlegende Entscheidung mit Einfluss auf die Netzqualität ist die Wahl des zu verwendenden Frequenzbereichs für die Funkübertragung. Für drahtlose Übertragungen stehen zum Beispiel Frequenzbänder im Bereich von 2,4 GHz und 5 GHz zur Verfügung, die ihrerseits wiederum in Kanäle aufgeteilt sind (Bild 2). Ein Kanal stellt dabei ein 20 MHz breites Stück des Frequenzspektrums dar. Die Wahl des Frequenzbandes hat deutliche Auswirkungen auf die Reichweite und Störhäufigkeit durch benachbarte Netzwerke. Ebenso bestimmt die Wahl des Frequenzbandes, welche Koexistenz-Mechanismen für eine gemeinsame Nutzung mit anderen Nutzern des Frequenzbereichs zu verwenden sind.
Die Frequenzen des 2,4-GHz-Frequenzbandes werden traditionell durch eine Vielzahl verschiedener Funksysteme verwendet. Dies führt zum einen zu einer höheren Belastung der Funkkanäle, zum anderen haben sich aus dieser Tatsache in Europa auch strenge regulatorische Anforderungen an die Einhaltung von Koexistenz-Mechanismen ergeben. Seit dem Inkrafttreten der Norm ETSI EN 300 328 V1.8.1 müssen WLAN- Systeme strengere Anforderungen beim Zugriff auf den Übertragungskanal einhalten. Ein Ziel dieser verschärften Anforderungen ist eine verbesserte Koexistenz der verschiedensten drahtlosen Kommunikationssysteme, die im 2,4-GHz-Band zum Einsatz kommen.
Aus diesem Grund muss die Empfangselektronik in der Lage sein, sich adaptiv der Umgebung anzupassen, um weitere aktive Sendesysteme im aktuellen Kanal erkennen zu können. Wird die Übertragung eines koexistierenden Systems erkannt, sind eigene Funkübertragungen so lange zu verzögern, bis das Medium wieder freigegeben ist. Damit ein Sender einen Kanal nicht zu lange belegt und sich dadurch einen Vorteil in der von ihm belegten Bandbreite verschafft, ist in der Norm ETSI EN 300 328 V1.8.1 folgende weitere Forderung definiert: In Abhängigkeit des verwendeten Zugriffsmechanismus muss eine obere Zeit bei der Übertragung von Funksignalen eingehalten werden. Diesen Forderungen lässt sich im Gegensatz zu anderen Funktechnologien mit WLAN-Verbindungen relativ gut nachkommen.
Je nach Frequenzwahl sind in Europa zudem Koexistenz-Mechanismen für die gemeinsame Frequenznutzung mit Radar-Anlagen nötig. Hiervon nicht betroffen sind die Kanäle 36, 40, 44 und 48 (5,15 – 5,25 GHz). Jedoch sind diese Kanäle nur für die Verwendung in Gebäuden zugelassen. Weitere Kanäle – zum Beispiel die Kanäle von 52 bis 64 (5,25 – 5,35 GHz) und 100 bis 140 (5,47 – 5,725 GHz) sind zudem in Außenbereichen verwendbar. Die Regulierungsbehörde eines jeweiligen Landes kann Teile des Frequenzbands zwischen 5,725 GHz und 5,875 GHz für die WLAN-Nutzung freigeben. In Deutschland sind aus diesem Frequenzband die Kanäle 155 bis 171 (5,765 GHz – 5,865 GHz) fest installierten Anlagen zur Breitbandversorgung vorbehalten und können daher nicht von jedem Betreiber genutzt werden.
Bei der Verwendung von Outdoor-Kanälen im 5-GHz- Bereich müssen die Geräte Radar-Anlagen erkennen und sich gegebenenfalls von den dabei verwendeten Frequenzen zurückziehen. Zum einen muss vor der Verwendung eines Kanals dieser für eine Minute nach Radarmustern gescannt werden, zum anderen ist bei der Erkennung von Radarmustern im Betrieb der Kanal sofort freizugeben. Dies bedeutet, dass das gesamte WLAN-Netzwerk automatisch auf einen anderen Kanal wechseln muss. Dies führt in der Regel zu einer kurzen Unterbrechung der gesamten Kommunikation im Netzwerk.
Auch in der erlaubten Sendestärke unterscheiden sich die Frequenzbänder. Generell lässt sich sagen, dass die Frequenzbänder im 5-GHz-Bereich eine höhere Sendeleistung erlauben als die 2,4-GHz-Frequenzen. Hier lohnt sich jedoch ein Abgleich der Datenblätter und der gesetzlichen Regelungen, um das Potenzial der gesetzlichen Rahmenbedingungen voll auszuschöpfen.
Modulations-Schemata, MCS und Raten-Adaption
In WLAN-Systemen kann sich die Signalqualität zwischen Access Points und Clients häufig ändern. Da sich das Signal-zu-Rauschverhältnis nicht von vornherein genau vorhersagen lässt, bieten WLAN-Netzwerke verschiedene Adaptionsmechanismen, um für eine gegebene Situation die höchste Übertragungsleistung zu erreichen. Generell gilt, dass eine höhere Übertragungsrate stets auch ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis erfordert respektive dass niedrigere Übertragungsgeschwindigkeiten auch mit einem schlechteren Signal-zu-Rauschverhältnis auskommen.
Seit der Einführung der IEEE 802.11n werden verschiedene Techniken zur Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit in Modulation-and-Coding-Scheme-Klassen (MCS) zusammengefasst und durchnummeriert. So steht MCS 0 für die langsamste und robusteste Übertragungsrate, während MCS 23 für die schnellste Datenrate steht, die sich mit drei Antennen erreichen lässt beziehungsweise MCS 31 für die schnellste Datenraten mit vier Antennen. Die sich daraus ergebenden maximalen Brutto-Übertragungsraten ergeben dann zum Beispiel 15 Mbit/s bei MCS 0 und 600 Mbit/s bei MCS 31.
Ein wichtiger Baustein dieser Datenraten ist die Anzahl der räumlichen Ströme. Die Multiple-Input-Multiple-Output-Technologie (MiMo) erlaubt es, zeitgleich mit mehreren Antennen mehrere Signale auf derselben Frequenz störungsfrei zu senden. So kann ein Access Point mit nur einem Strom und einer Antenne (zum Beispiel bei IEEE 802.11n) maximal 150 Mbit/s übertragen, während ein Access Point mit vier Strömen und vier Antennen den Durchsatz auf 600 Mbit/s steigern kann.
In Industrieanlagen herrschen oftmals gleichbleibende Bedingungen bezüglich der benötigten Übertragungsgeschwindigkeiten, so dass sich eine dynamische Adaption der Übertragungsrate auf den stets übertragungsstärksten (und störanfälligsten) Mechanismus gegebenenfalls negativ auswirkt. Eine Adaption der Datenrate auf die bestmögliche Übertragungsgeschwindigkeit kann wiederum zur Wahl eines weniger robusten Übertragungsverfahrens und damit zu höheren Paketverlusten führen.
Insbesondere wenn ein häufiger Wechsel zwischen verschiedenen Datenraten erfolgt, wie man es beispielsweise in mobilen Szenarien beobachten kann, führt dies zu einer schwankenden Paketverlustrate. Bei hochwertigen Access Points ist es daher möglich, die maximale Übertragungsrate – sprich die höchste MCS die noch verwendet werden soll – festzulegen. Ist nur ein Datendurchsatz von wenigen MBit/s nötig, so kann eine höchste Übertragungsrate von zum Beispiel MCS 10 oder MCS 17 festgelegt werden. Damit sind in der Praxis noch Durchsätze von bis zu 45 Mbit/s realisierbar, während die erforderliche Signalqualität deutlich unter der Signalqualität von filigraneren Modulationsschemata liegt. Solch eine Festlegung macht das Verhalten eines WLAN-Systems deutlich beherrschbarer und wirkt sich positiv auf die Paketverlustrate und die Varianz in der Übertragungsverzögerung (Jitter) aus – insbesondere wenn es mobile Teile enthält. Der Wechsel zwischen den Modulierungs- und Codierungs-Schemata eröffnet somit Spielräume zur Optimierung eines WLAN-Systems jenseits der im Office-Umfeld vorherrschenden Optimierung zur stets höchsten Datenrate hin.
Im Teil 2 der Artikelserie geht es um die Auswahl der richtigen Antennen sowie um weitergehende Möglichkeiten zur Leistungssteigerung in industriellen WLAN-Netzen.
Autoren:
Prof. Dr. Tobias Heer beschäftigt sich bei Hirschmann Automation and Control mit Zukunftstechnologien;
Dr. Bernhard Wiegel ist tätig im Bereich Embedded Software Development bei Hirschmann Automation and Control.
Das könnte Sie auch interessieren
Die Zukunft von CANopen
Ähnlich wie die Automobilindustrie benötigt auch die Industrieautomation immer mehr Busbandbreite. Zudem gewinnt in puncto Kommunikation das Thema Cloud mehr und mehr an Bedeutung. Wie trägt das in beiden Branchen seit Langem etablierte...
mehr...Unbefugter Zutritt abgewehrt
Anlagenmodernisierungen bedingen oft neue sicherheitstechnische Vorkehrungen. So auch bei einem Hersteller von Reinigungs- und Desinfektionsmitteln, der unter anderem den Materialfluss im Bereich eines Rolltors abzusichern hatte.
mehr...Kompakte Steuerungen und Antriebe ein Muss
Smart Factories versprechen dem Betreibern eine hohe Flexibilität - etwa durch den Einsatz von fahrerlosen Transportsystemen oder mobilen Roboterlösungen. Die Automatisierung dieser Subsysteme erfordert wiederum äußerst kompakte Steuerungs- und...
mehr...Safety einfach integrieren
Maschinen- und Anlagenbauer gehen mehr und mehr dazu über, Sicherheitsfunktionen über den Kommunikationsbus abzubilden. Wie lässt sich die Integration auf Komponentenseite mit vertretbarem Aufwand bewerkstelligen?
mehr...Flexibel puffern per Software
Die vollständige Automatisierung manueller oder halbautomatischer Prozesse ist bei sehr kurzen Taktzeiten eine große Herausforderung. Der Maschinenbauer Goldfuß setzt in puncto Werkstückträger-Transport auf ein System, welches die Bildung flexibler...
mehr...Individuelle IoT-Systeme
Wie groß? Wie viel Leistung? Wie robust? Welches Gehäuse? Die Anforderungen an IoT-Systeme sind extrem unterschiedlich. Mit der Gestaltung individueller Embedded-Applikationen können perfekt auf die Anwendung gemünzte Geräte entstehen.
mehr...Ein digitales Abbild
Der digitale Zwilling begleitet Maschinen und Anlagen ihr Leben lang – von der ersten Idee über den laufenden Betrieb bis hin zum Blick in die Zukunft. Das Ziel dabei: Fehler vermeiden, Anlagen optimieren und Ausfällen vorbeugen.
mehr...Stolpersteine beim Gleichstrom
Die Frage "Gleichstrom oder Wechselstrom?" gewinnt an Wichtigkeit – nicht zuletzt durch den zunehmenden Einsatz regenerativer Energiequellen, die Gleichspannung erzeugen. Beim Schalten und Schützen mit Gleichstrom gilt es allerdings, einige...
mehr...Rückverfolgbarkeit optimiert
Direkt markierte 2D-Data-Matrix-Codes sichern bei KIA Motors die Rückverfolgbarkeit von Motor- und Getriebeteilen. Leseraten von 99 % sind dabei das Ziel.
mehr...