Unterschiede zwischen dem 2,4-GHz- und 5-GHz-Band für WLAN in industriellen Anwendungen

Mit dem zunehmenden Einsatz von Wireless-Technologien in der Prozess- und Fertigungsindustrie steigt auch die Anzahl der installierten IEEE 802.11b/g/n-Geräte, die im weltweiten freien 2,4-GHz-ISM-Band betrieben werden. Neben Wireless LAN nach IEEE 802.11b/g/n werden auch andere drahtlose Technologien wie Bluetooth, IEEE 802.15.4/ZigBee/Wireless HART und verschiedene proprietäre Technologien im 2,4-GHz-Band eingesetzt.

Bei so vielen Technologien, die in dasselbe Frequenzband drängen, können natürlich auch Störungen auftreten. Um sicherzustellen, dass die industriellen Wireless-Lösungen stabil betrieben werden können, stehen grundsätzlich zwei Lösungen zur Verfügung: Entweder es erfolgt eine umfassende Frequenzplanung mit speziellen Antennenlösungen (z. B. Schlitzkabel) im industriellen 2,4-GHz-Umfeld oder das 2,4-GHz-Band wird ausschließlich für Büro- und IT-Kommunikation genutzt und parallel dazu wird für die Fertigungs- und M2M-Kommunikation das 5-GHz-Band eingesetzt.

Unterschiede bei den Kanälen und bei der Nutzung der 2,4- und 5-GHz-Bänder

WLAN-Geräte, die den Standards IEEE 802.11b/g entsprechen, nutzen das 2,4 GHz-Frequenzband (2,412 bis 2,472 GHz). Geräte nach dem Standard IEEE 802.11a werden im 5-GHz-Frequenzband (5,180 bis 5,825 GHz) eingesetzt. WLAN-Geräte gemäß IEEE 802.11n können in beiden Frequenzbändern arbeiten. Für die Frequenzbänder gelten weltweit folgende Eigenschaften, die bei der Implementierung berücksichtigt werden müssen:

• Das 2,4-GHz-ISM-Band besteht aus 13 überlappenden Kanälen, die sich gleichmäßig über die Frequenzen verteilen, sowie einem vierzehnten Kanal in Japan mit der Mittenfrequenz 2,484 GHz. Da die Bandbreite der einzelnen Kanäle im 2,4-GHz-Band zu Überlappungen führt, sind nur drei nicht überlappende Kanäle verfügbar. Um Störungen zwischen den an das WLAN angeschlossenen Geräten zu vermeiden, müssen diese Kanäle sehr effizient genutzt werden. Die Installation erfordert eine sorgfältige Frequenzplanung oder die kostspielige Installation von technischen Lösungen wie Schlitzkabeln. Das heißt, die Installation kann teurer werden als die eigentliche WLAN-Anlage.
• Das 5-GHz-ISM-Band wird in Unterbänder unterteilt, die als U-NII-Bänder (Unlicensed National Information Infrastructure) bezeichnet werden. Die Unterbänder heißen in der Regel U-NII-1, U-NII-2, U-NII- 2e und U-NII-3, wobei U-NII-3 nicht weltweit frei verfügbar ist. Insgesamt gibt es in diesem Frequenzbereich 23 nicht überlappende Kanäle, von denen vier Kanäle örtlichen Einschränkungen unterliegen*. Heute nutzen die meisten verfügbaren WLAN-Lösungen im 5-GHz-Band das Unterband U-NII-1 (5,18 bis 5,24 GHz) mit den Frequenzkanälen 36 bis 48. Allerdings gibt es einige Anbieter, die den Bereich erweitert haben, um das Unterband U-NII-2/2e (5,26 bis 5,70 GHz) mit den Frequenzkanälen 52 bis 140 ebenfalls einzubeziehen.

Kanal	U-NII-Band	Frequenz (MHz)	USA 40/20 MHz	Europa 40/20 MHz
36	1	5180	Ja	Ja
38	1	5190	Nein	Nein
40	1	5200	Ja	Ja
42	1	5210	Nein	Nein
44	1	5220	Ja	Ja
46	1	5230	Nein	Nein
48	1	5240	Ja	Ja
52	2	5260	Ja	Ja
56	2	5280	Ja	Ja
60	2	5300	Ja	Ja
64	2	5320	Ja	Ja
100	2e	5500	Ja	Ja
104	2e	5520	Ja	Ja
108	2e	5540	Ja	Ja
112	2e	5560	Ja	Ja
116	2e	5580	Ja	Ja
120	2e	5600*	Nein	Ja
124	2e	5620*	Nein	Ja
128	2e	5640*	Nein	Ja
132	2e	5660*	Nein	Ja
136	2e	5680	Ja	Ja
140	2e	5700	Ja	Nein
149	3	5745	Ja	Nein
153	3	5765	Ja	Nein
157	3	5785	Ja	Nein
161	3	5805	Ja	Nein
165	3	5825	Ja	Nein

Vor- und Nachteile der 2,4-GHz- und 5-GHz-Standards

Die WLAN-Standards IEEE 802.11b/g/n haben sich bereits mit zahlreichen Installationen und einer großen Palette verfügbarer Produkte auf breiter Basis durchgesetzt. Neben seiner weiten Verbreitung bietet das 2,4-GHz-Band den Vorteil, dass es in einem weltweit verfügbaren ISM-Band betrieben wird. Ferner ist die Reichweite der Geräte bei gleicher Ausgangsleistung im 2,4-GHz-Band größer als im höherfrequenten 5-GHz-Band.

Wie in der Tabelle oben dargestellt, steht nicht das gesamte 5-GHz-ISM-Band für den weltweiten Einsatz zur Verfügung. Darüber hinaus ist die Verfügbarkeit von Komponenten und Produkten im Vergleich zum 2,4-GHz-Band noch immer etwas eingeschränkt.

Der größte Vorteil des 5-GHz-Bandes ist die Verfügbarkeit von 23* nicht überlappenden Kanälen – dies sind 20* Kanäle mehr als im 2,4-GHz-Band. Da keine anderen drahtlosen Technologien um den Kommunikationsraum im 5-GHz-Band konkurrieren, bieten die 23* verfügbaren, nicht überlappenden Kanäle bessere Planungsmöglichkeiten für eine störungsfreie und stabile Wireless-Kommunikation. Ein weiterer Vorteil des 5-GHz-Bandes besteht darin, dass die Mehrzahl der verfügbaren Kanäle eine erhöhte Kommunikationsdichte zulässt. Dies bedeutet, dass mehrere Drahtlosgeräte in der gleichen Funkumgebung verbunden werden können.

Radarerkennung im 5-GHz-Band – Dynamic Frequency Selection (DFS)

Für den WLAN-Einsatz in den U-NII-2/2e-Bändern (Kanal 52–140, Frequenzbereich von 5,260 bis 5,725 GHz) muss der jeweils benutzte Kanal periodisch abgehört werden, um andere Radarsysteme zu erkennen und dann ggf. automatisch auf einen anderen Kanal umzuschalten. Im Zusammenhang mit dieser Funktion – Dynamic Frequency Selection (DFS ) – muss ein Gerät entweder als Master oder als Slave betrieben werden. Für ein Slave-Gerät, das in der Netzinfrastruktur in der Regel als Client fungiert, gelten folgende Voraussetzungen:

• Ein Slave-Gerät darf Daten erst dann senden, wenn es ein entsprechendes Freigabesignal von einem Master-Gerät empfangen hat.
• Ein Slave-Gerät muss alle Datenübertragungen stoppen, wenn es von einem Master-Gerät entsprechende Anweisungen erhält.
• Geräte können nur als Slaves in einem Netzwerk betrieben werden, wenn das Netzwerk von einem Master-Gerät gesteuert wird.

Die Voraussetzungen für ein Master-Gerät, das in der Regel als Access Point bzw. im Ad-hoc-Betrieb als Master-Einheit fungiert, unterscheiden sich von denen für ein Slave-Gerät. Für Master-Geräte gelten folgende Voraussetzungen:

• Ein Master-Gerät muss Radarsignale erkennen.
• Ein Master-Gerät darf nur auf frei verfügbaren Kanälen mit dem Betrieb beginnen.
• Im Normalbetrieb muss das Master-Gerät den Betriebskanal kontinuierlich überwachen (In-Service-Monitoring).
• Wenn ein Master-Gerät während der Überwachung ein Radarsignal erkennt, muss es alle zugehörigen Slave-Geräte anweisen, die Übertragung auf diesem Kanal zu stoppen.

Manche Geräte können im Ad-hoc-Modus kommunizieren, ohne mit einem Netzwerk verbunden zu sein. Ad-hoc-Geräte bilden einen Punkt-zu-Punkt-Kommunikationskanal. Eines der Geräte übernimmt dabei die Rolle des Masters und erfüllt dann die Anforderungen für DFS und alle für Master-Geräte geltenden Voraussetzungen.

Reichweite und Leistung

Die Funkwellenlänge im 5-GHz-Band ist halb so groß wie die im 2,4-GHz-Band. Daher hat ein Sendegerät im 5-GHz-Band bei gleicher Ausgangsleistung eine geringere Reichweite als ein Gerät im 2,4-GHz-Band. Um wie viel kleiner die Reichweite ist, lässt sich schwer vorhersagen, da es von den Funkbedingungen am entsprechenden Standort abhängt. Zudem werden die Frequenzen von verschiedenen umgebenden Materialien unterschiedlich stark absorbiert, was sich wiederum bedeutend auf die Reichweite auswirkt. Um die genaue Reichweite zu ermitteln, muss die Lösung im Live-Betrieb getestet werden.

Bei Tests in Produktionsstätten wurde festgestellt, dass im 5-GHz-Band bei freier Sichtverbindung zwischen den Geräten die Reichweite zwischen 50 und 100 Metern variiert. Hindernisse, Interferenzen, bestimmte Materialien in der Umgebung und die Verwendung von großen Datenpaketen können die Reichweite deutlich einschränken.

Zusammenfassung

Die Nutzung des 5-GHz-Bands für die WLAN-Kommunikation bietet eine Vielzahl von Vorteilen und Möglichkeiten für Kosteneinsparungen. Durch die zusätzlichen 23* möglichen WLAN-Kanäle können Frequenzplanung, Dichte (die Anzahl aktiver WLAN-Geräte innerhalb des Funkabdeckungsbereichs) und Installationsaufwand drastisch verbessert werden. Ein weiterer Vorteil wäre die Freisetzung des 2,4-GHz-Bands für andere Funktechnologien.

Diese Vorteile und die zunehmende Verfügbarkeit von 5-GHz-Industrieprodukten werden in Zukunft zu einer verstärkten Nutzung des 5-GHz-Bands führen. Bis heute ist die Nutzung des 5-GHz-Bands in industriellen Anwendungen mehr oder weniger auf kleinere Access Points und kompakte Clients (mit derselben Plattform wie die Access Points) beschränkt . Bereits auf dem Markt erhältlich sind OEM-Funkmodule für die Integration in verschiedenen industriellen Produkten, serielle WLAN-Clients für die Integration von kleineren Geräten sowie herkömmliche Produkte mit serieller Kommunikationstechnik.

*Für die FCC-Kanäle 120–132 ist die Nutzung in der Nähe von Flughäfen eingeschränkt, da Interferenzen mit dem Terminal-Doppler-Wetterradar (TDWR) auftreten können. (Ref. FCC KDB 443999 ). Kanada schränkt die Nutzung der Kanäle 120 bis 128 ein.