Das bekannteste Merkmal der IEEE802.11n ist die MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output), erkennbar an drei oder mehr Antennen. Sie nutzt die Reflexionen in Gebäuden gezielt aus, bei denen die gesendeten Signale den Empfänger auf mehreren Wegen erreichen. Die Mehrwege-Ausbreitung führt in WLAN-Lösungen nach IEEE802.11 a, b oder g jedoch häufig zu Leistungseinbrüchen (Bild 2). Im Gegensatz dazu setzt die MIMO-Technik die Reflexionen zur parallelen Weiterleitung mehrerer Datenströme und somit zur Steigerung der Übertragungsrate ein. Für jeden Datenstrom, der eine 100-prozentige Erhöhung der Datenrate nach sich zieht, wird eine Sende- und Empfangseinheit mit einer Antenne benötigt (Bild 3). Da die Hardware für die Sende- und Empfangstechnik sowie die erforderlichen Antennen teuer sind, liegt das optimale Preis-/Nutzenverhältnis derzeit bei WLAN Access Points mit je zwei Sendern und Empfängern (2×2), deren maximale Übertragungsrate 300MBit/s brutto beträgt. Höherer Datendurchsatz Neben der MIMO-Technologie sind weitere Verbesserungen in den WLAN-Standard IEEE802.11n eingeflossen, die insbesondere die Effizienz und die Datenrate erhöhen. Die Techniken werden einzeln oder in Kombination verwendet: – Durch die Optimierung der OFDM-Modulation (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) und eine Reduzierung des Protokoll-Overheads wird die maximale Übertragungsgeschwindigkeit um 20% von 54 auf 65MBit/s gesteigert. – Eine optionale Senkung der zeitlichen Abstände (Guard Intervall – GI) zwischen den Datenpaketen erhöht die Datenrate um weitere rund 10% auf 72,2MBit/s. – Die MIMO-Technologie resultiert in einer Verdopplung der Übertragungsgeschwindigkeit je Daten- strom auf 130 respektive 144,4MBit/s mit kurzem GI. – Die Datenrate lässt sich durch die optionale Bündelung von zwei Übertragungskanälen (2x20MHz) zusätzlich mehr als verdoppeln, z.B. von 144,4 auf 300MBit/s. Eine Kanalbündelung ist aufgrund des begrenzten 2,4GHz-Frequenzbands und der hohen Nutzungsdichte allerdings nur im 5GHz-Band sinnvoll. Wenn sich die Kommunikation zudem auf viele WLAN-Teilnehmer im Netzwerk verteilt, gestaltet sich der Betrieb von zwei getrennten WLAN-Netzwerken auf den beiden Kanälen meist leistungsfähiger. Wie bei den vorhandenen WLAN-Systemen wird die Übertragungsgeschwindigkeit auch in IEEE802.11n-Lösungen als Bruttowert angegeben. Die Netto-Datenrate ist deutlich geringer: Ein 300MBit/s-WLAN-System erreicht in der Praxis unter optimalen Bedingungen eine Nettorate von 120 bis 130MBit/s. Dieser Wert ist mit den Daten eines Fast-Ethernet-Netzwerks vergleichbar, es können aber weiterhin lediglich Daten gesendet oder empfangen werden (Halbduplex-Betrieb). Die WLAN-Kommunikation erweist sich jedoch nicht mehr als Engpass im Netzwerk (Bild 4). Größere Zuverlässigkeit Die Nutzung mehrerer Empfangsantennen und die verbesserte Signalverarbeitung erhöhen nicht nur den Datendurchsatz in IEEE802.11n-Lösungen Die Robustheit und Ausfallsicherheit der WLAN-Kommunikation verbessert sich ebenfalls. WLAN 802.11n verwendet beispielsweise die Signalreflexionen im Raum gezielt zur Vergrößerung der Reichweite und Reduzierung von Funklöchern. Eine dritte Diversity-Antenne (3×3) steigert die Zuverlässigkeit weiter, wie dies bereits bei der zweiten Antenne in WLAN802.11abg-Systemen der Fall war. In industriellen Anwendungen ist eine stabile Datenübertragung unter schlechten Umgebungsbedingungen häufig wichtiger als eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit. Durch einen redundanten Datenaustausch wie beim Space Time Block Coding (STBC) kann die MIMO-Technik hier die Zuverlässigkeit der Kommunikation mit mobilen Teilnehmern, die über eine Empfangsantenne verfügen, erhöhen. Effiziente Kommunikation Der Protokoll-Overhead hängt nicht von der Menge der weitergeleiteten Anwendungsdaten ab. Werden – wie in der industriellen Automation üblich – viele kleine Datenpakete übertragen, sinkt die Leistungsfähigkeit des gesamten Kommunikationssystems erheblich. In 802.11n-Netzwerken lässt sich die Effizienz wieder steigern, indem mehrere kleine zu einem größeren Datenpaket zusammengefasst, also aggregiert werden. Jeder im WLAN-System weitergeleitete Daten-Frame wird vom Empfänger bestätigt, damit der Sender über das korrekte Versenden informiert ist. Zur weiteren Erhöhung der Effizienz führt die IEEE802.11n das Block Acknowledgement ein. Bei diesem Verfahren werden die Bestätigungen mehrerer aufeinander folgender Datenpakte vom Empfänger gesammelt und dem Sender in einem Block zugeleitet. Das gilt auch für aggregierte Datenpakete, sodass im Störungsfall nur das jeweilige Datenpaket und nicht der gesamte Daten-Frame erneut übertragen werden muss. Ein typisches Anwendungsbeispiel, das von den beschriebenen Funktionen profitiert, wäre ein mobiles Fahrzeug. Im lokalen Profinet-Netzwerk des Fahrzeugs befinden sich mehrere Automatisierungsmodule, die per WLAN mit einer zentralen Steuerung Daten austauschen. Kombiniert der Anwender die Funktion Packet Aggregation mit dem Block Acknowledgement, steigert sich die Leistungsfähigkeit der Übertragung und somit des gesamten WLAN-Netzwerks deutlich (Bild 5). Vorteilhafte Mischsysteme WLAN 802.11n ist abwärtskompatibel zu den bisherigen WLAN-Standards 802.11 a, b und g. Der neue Standard kann seine Vorteile allerdings nur in einer reinen 802.11n-Umgebung ausspielen (Greenfield Mode). Da das 2,4GHz-Band bereits weitgehend belegt ist, lässt sich ein ungestörter 802.11n-Betrieb (Greenfield Mode) meist lediglich im 5GHz-Band umsetzen. Dabei muss beachtet werden, dass dort aufgrund regulatorischer Vorschriften nicht alle Kanäle für Automatisierungs-Anwendungen sinnvoll nutzbar sind. Ist eine Koexistenz oder Abwärtskompatibilität zu den vorhandenen WLAN-Standards 802.11a, b und g erforderlich, kann der Anwender nicht von sämtlichen 802.11n-Optimierungen profitieren. Daher sinken die Effizienz und die erzielbare Datenrate deutlich. Insbesondere 802.11b-Clients können das WLAN-Netzwerk erheblich ausbremsen. Vor diesem Hintergrund sollten entsprechende Funkmodule nicht im Funknetz eingesetzt werden. Grundsätzlich ziehen auch WLAN-Clients nach dem alten Standard 802.11 a, b und g Vorteile aus dem Betrieb in einem modernen 802.11n-Netzwerk mit MIMO-Technologie. Denn durch das gleichmäßigere und stabilere Funkfeld werden oftmals höhere Reichweiten oder ein besserer Datendurchsatz erzielt. Künstliche Entkopplung Sollen zwei Datenströme parallel übertragen werden, müssen durch Reflexionen erzeugte alternative Kommunikationswege vorhanden sein. Bei einer Richtfunkstrecke gibt es jedoch keine Reflexionen. Deshalb sind die beiden Datenströme künstlich zu entkoppeln. Das lässt sich erreichen, indem die Datenströme über Richtfunk-Antennen mit 90° verdrehter Polarisation gesendet werden. Zu diesem Zweck sind spezielle Dual-Slant-Antennen erhältlich. So erlangt der IEEE-Standard 802.11n auch in Richtfunkstrecken einen höheren Datendurchsatz als bei deren klassischer Ausführung. Fazit Die Verwendung des WLAN-Standards IEEE802.11n bringt auch in industriellen Automatisierungs-Netzwerken Vorteile. Hauptnutzen für den Anwender sind meist nicht die hohen Datenraten, sondern das durch die MIMO-Technologie aufgebaute homogenere und stabilere Funkfeld. Auf diese Weise erhöhen sich Reichweite und Datendurchsatz bei kürzeren Latenzzeiten. Handelt es sich um ein reines 802.11n-Netzwerk, erweisen sich insbesondere die erheblich kürzeren Latenzzeiten und die Effizienzsteigerung bei der Übertragung kleinerer Datenpakete als nützlich. Daher werden sich WLAN-Netzwerke auf Basis der IEEE802.11n zukünftig auch in der industriellen Automation durchsetzen. Kasten: WLAN für raue Umgebungsbedingungen
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