Das Risiko einer falschen Technologieauswahl beim Aufbau der Wireless-Kommunikation minimieren

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Bluetooth in Geräten der Automation

Einer der ersten breit akzeptierten Standards für die Funkdatenübertragung in lizenzfreien Bändern überhaupt war Bluetooth. Ursprünglich primär als Kabelersatz um das Mobiltelefon in den 90er Jahren entwickelt, wurde Bluetooth recht früh auch als Ersatz für Leitungen in Feldbussystemen eingesetzt. Entsprechende Lösungen finden sich auch heute noch im Markt und werden durchaus erfolgreich eingesetzt. Kurz nach der Jahrtausendwende gab es auch Versuche, industrielle Kommunikation auch als Thema in der Bluetooth SIG (d.h. der Industriegruppe, die Bluetooth-Standards entwickelt) zu etablieren. Obwohl dies als gescheitert anzusehen ist, ist Bluetooth in Geräten der Automation heute dennoch häufiger zu finden als jeder andere „Standard“.

Drei wesentliche Wünsche von Anwendern werden von Bluetooth nur unzureichend erfüllt und waren Kernpunkte und sogar Ausgangspunkt von Standardisierungsbemühungen, die kurz vor der Jahrtausendwende begannen. Während Bluetooth (zumindest in seiner ursprünglichen Form) nur die Kommunikation für sieben aktive Geräte erlaubt, werden für Sensornetze dutzende, hunderte oder sogar tausende von Partnern in einem Netz gewünscht. Der zweite Aspekt war die Reichweite von Bluetooth. Ein einfaches Sternnetz ist nicht in der Lage, ganze Anlagen abzudecken, was letztlich zur Entwicklung von Mesh-Networking geführt hat. „Mesh Networking“ ist die Idee, praktisch alle Knoten im Netz zu Routern zu machen und Daten so über die Reichweite einer einzelnen Funkstrecke hinaus zuverlässig im Netz zu transportieren. Der dritte Aspekt sind Stromverbrauch und Batterielebensdauer. Während Bluetooth für einen mehrtägigen Batteriebetrieb entwickelt wurde, gibt es viele Applikationen, bei denen ein Batteriebetrieb über mehrere Jahre notwendig ist.

Zwei Entwicklungen werben um Anwender

Die Arbeiten an der IEEE802.15.4-Spezifikationen hatten Sensornetzwerke mit gerade diesen Aspekten im Zentrum der Anforderungen. IEEE802.15.4 oder kurz „15.4“ wurde speziell für den Einsatz in Sensornetzen im Haushalt, in kommerziellen Umgebungen und in der Industrie entwickelt. Die erste Fassung von 15.4 in 2003 wurde zur Basis der Arbeiten an ZigBee, wo die in 15.4 „fehlenden“ Netzwerk-, Sicherheits- und Applikationsschichten spezifiziert wurden.

Aber auch wenn ZigBee bereits mehrfach in der Öffentlichkeit als Gewinner in der drahtlosen Standardisierung gefeiert wurde, ist die Anzahl der tatsächlich ZigBee-basierenden Geräte im Markt sehr gering. Zumeist finden sich lediglich proprietäre Produkte, die nur das in 15.4 definierte Radio, nicht jedoch den ZigBee-Stack verwenden. Der Hauptgrund für den zumindest bisherigen Misserfolg von ZigBee ist in der Politik in der Industrieallianz zu sehen. Schon früh wurden die Interessen großer OEM-Anwender wie Honeywell, Eaton, Invensys und Danfoss gegenüber Interessen großer Technologiehersteller wie Motorola und Philips zurückgedrängt. Die Folge war, dass wesentlich Anforderungen der Anwender gerade in industriellen Umgebungen nicht erfüllt wurden und entsprechend ein Einsatz in Produkten schlicht ausblieb.

Trotz Weiterentwicklung bleiben Probleme

Erst ZigBee Pro erscheint fünf Jahre nach Veröffentlichung der ersten ZigBee-Spezifikationen geeignet, die Anforderungen von Industrieanwendern zu erfüllen. Aber auch hier bleiben wichtige Probleme nur unzureichend gelöst. Da ZigBee im 2,4-GHz-Band arbeitet, spielt das Risiko von Interferenz eine wesentliche Rolle. Schon in 2005 wurden Messwerte veröffentlicht, die klar ein Interferenzproblem und -risiko für ZigBee von WLAN (Wireless LAN) aufzeigen. Aber nach mehreren Jahren des Verneinens und Ignorierens des Problems von Seiten der ZigBee Allianz findet sich nun eine Technik zum Wechseln des Kanals in ZigBee Pro, die für praktisch alle Industrieanwendungen als unzureichend anzusehen ist.

Auch in der IEEE802.15.4 erfolgte eine rasche Weiterentwicklung der Standards. Die Version 2006 von 15.4 behebt wichtige Fehler in der MAC-Schicht des Protokolls. Getrieben von großen Geräteherstellern wurden in IEEE802.15.4-2006 aber auch zusätzliche Standards für die HF-Schicht, den Physical Layer (PHY) definiert. Die erste Version von 15.4 definierte zwar Kanäle im 868-MHz-Band (für Europa) und 915-MHz-Band (Nordamerika), sah hier aber nur Bitraten von 20 bzw. 40 KBit/s vor. 15.4-2006 definiert neue Modi, die 250 KBit/s auch in Sub-1-GHz-Bändern erlauben. Der so genannte COBI-Modus bietet in Europa allerdings nur 100 KBit/s und ist auf Grund seiner geringen Signalspreizung kaum interessant.

Wesentlich spannender ist die PSSS-Technologie, die sogar in Deutschland entwickelt wurde. Die PSSS-Modi bieten auch in Europa im 868-MHz-Band 250 KBit/s und zeichnen sich besonders hohe Robustheit gegen Multipath-Fading aus – bis hin zu Delay-Spread über deutlich 1 µs (!). Gerade der letzte Aspekt ist in industriellen Umgebungen mit sehr großen Ausbreitungs- und Reflektionsräumen in Fabrik- und Lagerhallen von hoher Bedeutung. Tatsächlich sind Multipath Fading und Delay Spread große Hindernisse für einfachere FSK-Radios und ebenso für WLAN-Systeme in Industrieumgebungen.

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