Wer wird zukünftig der Wireless-Standard in der Industrie: 5G oder WLAN 6? Oder vielleicht doch beide?

Wer wird zukünftig der Wireless-Standard in der Industrie: 5G oder WLAN 6? Oder vielleicht doch beide? (Quelle: metamorworks@shutterstock.com)

Mit WLAN 6 nach IEEE 802.11ax kommt aktuell eine neue WLAN-Generation auf den Markt, die für die industrielle Automatisierung zahlreiche interessante Funktionen bietet. Erweist sich WLAN damit als Alternative zu privaten 5G-Netzwerken? Fakt ist, dass 5G das Potenzial hat, um als unternehmensweite drahtlose Kommunikationsinfrastruktur die Fabrikautomatisierung nachhaltig zu prägen. Es gibt bereits erste Testinstallationen und etliche Anlagenbetreiber wollen ihre Fabriken schon 2021 mit 5G ausstatten. Dafür hat Phoenix Contact gemeinsam mit Quectel und Ericsson einen industriellen 5G-Router für lokale 5G-Industrienetzwerke entwickelt. Echtzeitfähige ­industrielle 5G-Netzwerke auf Basis von Release 16 und 17 werden voraussichtlich ab 2022 verfügbar sein, wenn alles wie geplant läuft.

Mit den industriellen Wireless-LAN-Ausprägungen steht eine Funktechnologie zur Verfügung, die bereits seit mehr als 15 Jahren erfolgreich zur drahtlosen Datenübertragung in unterschiedlichen industriellen Branchen und Applikationen eingesetzt wird. WLAN-Netzwerke sind also in vielen Fabriken vorhanden und können einfach aktualisiert und erweitert werden.

WLAN 6 mit neuen Technologien

Für WLAN steht mit der Version 6 seit diesem Jahr ein neuer Standard bereit, der zahlreiche Technologien enthält, die Anwender aus den aktuellen Mobilfunkstandards kennen. Wie bei 5G liegen die Vorteile von WLAN 6 gegenüber den Vorgängerversionen in einem größeren Datendurchsatz, einer niedrigeren Latenzzeit sowie einer höheren Netzkapazität mit der Fähigkeit, deutlich mehr Clients gleichzeitig zu bedienen. Aus industrieller Sicht zeichnet sich WLAN 6 im Wesentlichen durch folgende neue Merkmale aus:

Parallele Datenüber­tragung auf Basis von OFDMA

Die bei WLAN derzeit übliche Datenübertragung OFDM ­(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) gestattet die ­parallele Kommunikation mit lediglich einem Teilnehmer. Durch Verwendung des aus dem Mobilfunkbereich stammenden OFDMA-Verfahrens (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) lässt sich der Übertragungskanal nun in Unterkanäle, sogenannte Resource Units (RU), aufteilen. Ein 20 MHz breiter WLAN-Kanal umfasst bis zu neun Resource Units (RU), die auf verschiedene WLAN-Teilnehmer verteilt werden können. Auf diese Weise ist die gleichzeitige Kommunikation mit bis zu neun WLAN-Teilnehmern umsetzbar. Dies funktioniert sowohl im Up- als auch im Downlink. Bei breiteren WLAN-Kanälen stehen entsprechend mehr Resource Units zur Verfügung, zum Beispiel 37 RU bei 80 MHz. Insbesondere in der industriellen Übertragung, wo vor allem kleine Datenpakete weiter­geleitet werden, ermög­licht ­OFDMA eine höhere Teilnehmerzahl, kürzere Latenzzeiten sowie eine bessere Effizienz und dadurch ebenfalls eine höhere Netzkapazität.

Höhere Datenraten und Netzkapazität

Aufgrund unterschiedlicher Optimierungen sollen mit WLAN 6 Bruttodatenraten von bis zu 10 Gbit/s erreicht werden können – zumindest theoretisch. Gegenüber WLAN 4 mit einer maximalen Übertragungsrate von 600 Mbit/s stellt dies eine deut­liche Steigerung dar. Im Vergleich mit 5G liegt WLAN 6 auf einer identischen Höhe. Inwieweit solche Datenraten in der industriellen Praxis relevant sind, sei dahingestellt. Es zeigt sich jedoch, dass der Funkstandard noch viele Reserven für zukünftige Anforderungen aufweist.

Lange Batterielebensdauer von IoT-Geräten

Speziell mit TWT (Target Wake Time) soll in Zukunft über WLAN energieschonend auch mit Low-Power-IoT-Geräten kommuniziert werden können. Dabei erfolgt der Datenaustausch nur zu geplanten Zeitpunkten. Dazwischen kann der Teilnehmer „schlafen", um Energie zu sparen. Die Ruheperiode zwischen zwei Datenübertragungen darf viele Stunden betragen. Das senkt den Energiebedarf und reduziert die Auslastung des Kommunikationskanals.

Störungsfreie Koexistenz bei hoher Client-Dichte

Als eine Herausforderung der WLAN-Übertragung erweist sich, dass lediglich eine begrenzte Anzahl an Kanälen zur Verfügung steht. Bei einer ständig steigenden Systemdichte müssen somit mehrere benachbarte Access Points denselben ­Kanal verwenden und beeinflussen sich so zwangsläufig ­gegenseitig. Bisher hatte dies zur Folge, dass ein Teilnehmer senden konnte und alle übrigen WLAN-Geräte auf dem Kanal warten mussten. Mit BSS (Base Service Station)-Coloring und Spatial Re-Use unterstützt WLAN 6 jetzt einen Mechanismus zur störungsfreien Koexistenz von WLAN-Modulen bei hoher Gerätedichte. Aufgrund einer besseren Nutzung des Funkspektrums sollen größere Datenraten, kürzere Latenzzeiten und eine höhere Netzkapazität erzielt werden.

Die „Farbgebung" von Datenframes durch BSS-Coloring erlaubt es den Geräten, Übertragungen im eigenen Netz von ­denen in benachbarten Netzen zu unterscheiden. Mit Spatial Re-Use wird hingegen die Verwendung adaptiver Leistungs- und Empfindlichkeitsschwellen für die Kanal-Frei-Erkennung eingeführt. Auf diese Weise lässt sich ein Funkkanal schon dann wieder nutzen, wenn das Signal einer benachbarten Funkzelle zwar auf dem Kanal noch wahrgenommen wird, die Verbindung zur eigenen Zelle aber trotzdem gut ist.

Volle Erschließung der Vorteile des 6-GHz-Bands

Die neuen WLAN-Funktionen verringern das Problem der gegenseitigen WLAN-Interferenzen. Gegenüber 5G, das über einen geschützten Frequenzbereich für private Campusnetzwerke verfügt, gibt es bei WLAN diese exklusiven Frequenzbänder nicht. Daher kann QoS (Quality of Service) nicht garantiert werden. Um diesen Sachverhalt zu lösen, wurde Anfang 2020 WLAN 6E vorgestellt. Der neue Standard nach IEEE 802.11ax erschließt die Vorteile des 6-GHz-Spek­trums in vollem Umfang. Dazu verwendet WLAN 6E den Frequenzbereich zwischen 5,925 GHz und 7,125 GHz. Die USA haben bereits die kompletten 1,2 GHz freigegeben. Das Vereinigte Königreich (UK) hat ebenfalls angekündigt, 500 MHz bereitzustellen. In der Europäischen Union/Deutschland wird damit gerechnet, dass 2021 rund 500 MHz Bandbreite überlassen werden. Da ältere WLAN-Standards das 6-GHz-Band nicht nutzen können und deshalb nicht auf ältere ­Geräte Rücksicht zu nehmen ist, kann WLAN 6E seine volle Leistungsfähigkeit erreichen. Wegen des großen Spek­trums lassen sich dann viele WLAN-Systeme ­parallel ohne gegensei­tige ­Beeinflussung betreiben.

 

 

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