In der Praxis arbeiten verschiedene Funknetzwerke und Funkstandards parallel. Um einen zuverlässigen Betrieb der prozesstechnischen Anlagen zu gewährleisten, ist eine sichere Koexistenz der Funksysteme von elementarer Bedeutung. Bluetooth-Geräte, die mit dem AFH-Verfahren (Adaptive Frequency Hopping) und einer Frequenznutzungsbegrenzung arbeiten, können die dauerhaft belegten Frequenzen von anderen Systemen vorab ausblenden.
Der Autor: Markus Schade Industriemanager, Weidmüller Interface
Am Beispiel eines SAI-Aktiv-Universal-Wireless-Moduls lässt sich die Koexistenz von Funkstandards erklären. Das Modul ist mit einer integrierten Antenne mit isotroper Richtcharakteristik ausgestattet und industrietauglich in Schutzart IP 67 ausgeführt. Der integrierte, für die Funkkommunikation verwendete Bluetooth Stack nutzt bereits das Frequenzsprungverfahren AFH (Adaptive Frequency Hopping), das den sicheren Betrieb einer Anlage gewährleistet, auch wenn weitere Funksysteme im Betrieb sind. Bluetooth ist Industriestandard nach IEEE 802.15.1 und lässt sich vorteilhaft für Distanzen bis 100 m nutzen. Im lizenzfreien ISM-Band belegt Bluetooth die Frequenzen zwischen 2,401 GHz – 2,480 GHz.
Um unempfindlich gegenüber anderen Funkteilnehmern zu sein, verwendet Bluetooth ein Frequenzsprungverfahren, bei dem das Frequenzband in 79 verschiedene Frequenzstufen im 1-MHz-Abstand eingeteilt wird, die bis zu 1600-mal in der Sekunde wechseln. Die maximale Sendeleistung beträgt 100 mW (20 dBm) und erreicht somit eine höhere Energie pro MHz-Bandbreite als bei WLAN (Bandbreite eines Kanals 22 MHz).
Nutzung des Bluetooth-AFH-Verfahrens für Koexistenzlösungen
Zur Erläuterung des AFH-Verfahrens werden die Funksysteme Bluetooth und WLAN betrachtet, deren Betrieb parallel und gleichzeitig in einer gemeinsamen Applikation erfolgt. Beide Funktechnologien sind prädestiniert für die Untersuchung, da beide Systeme im gleichen 2,4-GHz-Frequenzband senden, aber unterschiedliche Bandbreiten nutzen. Zudem ist AFH bereits in Bluetooth spezifiziert und kann daher sehr einfach in Geräten mit Bluetooth-Schnittstelle genutzt werden.
Betrieb von WLAN und Bluetooth ohne AFH
Beide Funksysteme – Bluetooth und WLAN – sind koexistent, Voraussetzung dafür ist eine detaillierte Netzplanung. Bluetooth stellt die Koexistenz durch das Frequenzsprungverfahren sicher, bei dem alle Teilnehmer durch eine zufällig berechnete Sprungfrequenz eine Interferenz nahezu ausschließen. WLAN Geräte senden konstant auf einem festen Kanal mit einer Bandbreite von 22 MHz.
Werden beide Systeme parallel im gleichen Frequenzspektrum betrieben, gibt es Interferenzen und Störungen in der Datenkommunikation beider Systeme. Ohne geeignete Maßnahmen sind beide Systeme nicht in der Lage, auf die Interferenzen langfristig zu reagieren. Ihre Kommunikation kann bei diesen Frequenzkollisionen für einen unterbrechungsfreien Betrieb nicht gewährleistet werden. Je nach Häufigkeit der Kollision kann dies zu einem kritischen oder weniger kritischen Anlagenverhalten führen. Dies geht dann zu Lasten der Deterministik, also der Echtzeitfähigkeit in der Datenkommunikation.
Betrieb von WLAN und Bluetooth mit AFH
Bluetooth spezifiziert neben dem Standard-Frequenzsprungverfahren noch eine Erweiterung, die es ermöglicht, bestimmte belegte Frequenzen für die eigene Übertragung auszublenden. Diese Erweiterung ist unter dem Begriff AFH (Adaptive Frequency Hopping) bekannt und findet auch in Automatisierungskomponenten Verwendung. Der entscheidende Vorteil ist die automatische Erkennung belegter Frequenzen.
Diese Frequenzen werden in eine „Black-Listing“-Tabelle eingetragen, um eine weitere Verwendung temporär zu unterdrücken. Hierdurch wird eine koexistente Nutzung anderer Funksysteme im gleichen Frequenzband von 2,4 GHz ohne Kollisionen ermöglicht. Neben diesem Vorteil bestehen zwei Nachteile:
- Das Frequenzspektrum kann über eine längere Laufzeit eingeschränkt werden, da diese Frequenzen nicht mehr für die eigene Kommunikation zur Verfügung stehen. Weiterhin kann bei der Installation von weiteren Funksystemen die Kollisionshäufung zunehmen und die verfügbaren Frequenzen weiter einschränken.
- Die belegten Frequenzen werden nur temporär ausgeblendet. Über die Betriebszeit prüft das System die belegten Frequenzen, ob diese wieder nutzbar sind. Bei weiterhin belegten Frequenzen werden die anderen Funksysteme unkontrolliert gestört und können auch die echtzeitfähige Kommunikation einschränken.
Trotz dieser Nachteile ist das AFH-Verfahren eine günstige Möglichkeit, die Kommunikation des Bluetooth-Systems robuster zu gestalten. Darüber hinaus sichert es WLAN-Teilnehmern die benötigte Bandbreite für die Übertragung der Daten, ohne dass es zu dauerhaften Kommunikationsstörungen kommt.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Bluetooth-System die blockierten Frequenzen erst detektieren muss und somit eine entsprechende zeitliche Phase für das „Einschwingen“ benötigt.
Betrieb von WLAN und Bluetooth mit AFH und Frequenznutzungsbegrenzung
Das AFH-Verfahren reagiert auf belegte Frequenzen und blendet diese für die eigene Funkkommunikation aus. Das System muss deshalb in der Hochlaufphase die belegten Frequenzen erkennen, sodass die Performance besonders in dieser Phase durch das „Einschwingen“ begrenzt ist.
Wird beispielsweise ein WLAN-System dauerhaft und parallel zum Bluetooth-System in einer Anlage betrieben, so benötigt man bei jedem Kaltstart die Zeit des „Einschwingens“. Hier setzt die Erweiterung von Bluetooth mit AFH und Frequenznutzungsbegrenzung ein. Durch eine einfache Softwareerweiterung in der Firmware der Bluetooth-Geräte lässt sich die Performance erheblich steigern.
Weil das WLAN-System auf einem festen Kanal mit einer konstanten Frequenzbandnutzung sendet, werden diese Frequenzen bereits vorab in dem Bluetooth-Gerät ausgeblendet. Die Liste dieser Frequenzen wird dauerhaft im Gerät abgelegt, sodass das „Einschwingen“ bei einem Anlagenstart entfällt. Trotzdem ist dieses System aufgrund des AFH-Verfahrens in der Lage, sich schnell auf weitere Funksysteme einzustellen und eine Kommunikationsverbindung dauerhaft aufrecht-zuerhalten.
Die Konfiguration der Frequenzen, die nicht genutzt werden sollen, wird einfach über das Engineeringsystem vorgegeben. Hierzu bietet die für das SAI-Aktiv-Universal-Wireless-Gateway bereitgestellte GSD-Datei (Gerätebeschreibungsdatei) alle notwendigen Parameter, die durch den Anwender angepasst werden können. Selbst bei einem Gerätetausch können diese Parameter vom Engineering-System in das neue Modul geladen werden, ohne proprietäre Software nutzen zu müssen.
Funkbasierende SAI-Aktiv-Universal-Wireless-Module werden in Applikationen, die aufgrund ihrer Ausdehnung oder räumlichen Gegebenheit nur schwer mit Buskabeln zu erreichen sind – das gilt auch für bewegte Anlagenteile –, vermehrt zum Einsatz kommen. Bluetooth- Geräte, die mit AFH und Frequenznutzungsbegrenzung arbeiten, erlauben eine störungsfreie Datenübertragung und die Koexistenz zu anderen Funksystemen wie WLAN, ZigBee oder Bluetooth.
Halle 9, Stand 151
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