Funksysteme

Der Begriff Funk bezeichnet eine Methode der Informationsübertragung mittels Funkwellen. Die Funkübertragung von Signalen oder Informationen erfolgt mittels elektromagnetischer Wellen. Die Information wird von einer Antenne ausgestrahlt und von einem Sender oder Empfänger empfangen.

Damit ein Signal übertragen werden kann, muss es moduliert werden. Modulation ist der Vorgang, bei dem das Signal oder die Information in ein elektronisches oder optisches Trägersignal umgewandelt wird. Die Information, auch Trägersignal genannt, wird zu einer Radiowelle mit konstanter Wellenform, konstanter Amplitude und konstanter Frequenz.

Da eine Vielzahl von Frequenzen zur Verfügung steht, gibt es auch eine Vielzahl unterschiedlicher kontaktloser Funktechnologien. Die Vielfalt der Frequenzen ist ein großer Vorteil. Ein weiterer Vorteil ist die drahtlose Übertragung von Informationen.

Wichtig ist es, die Funksysteme abzusichern, um unbefugtes Abhören auszuschließen. Im Folgenden wird vor allem auf Funktechnologien eingegangen, die in den Bereichen Produktion, Logistik, Medizin, Smart City, Transport, Verkehr, Sport, Bauwesen oder Handel von Bedeutung sind.

Die kontaktlose Funktechnologie ist hinsichtlich IoT-Plattformen, Middleware, Hardware und Software optimal auf die jeweiligen Branchen zugeschnitten.

Eine grobe Einteilung der Funktechniken ist leicht möglich: Funktechniken mit kurzer, mittlerer oder großer Reichweite. Diese drei Übertragungsverfahren haben unterschiedliche Vor- und Nachteile. Hier kurz die wichtigsten.

Nahbereichskommunikationstechnologien verbrauchen wenig Energie, bieten schnelle Datenübertragung, sind störungsarm, zuverlässig und oft kostengünstig, da Nahbereichssysteme weniger technische Infrastruktur benötigen. Dazu gehört auch die Near Field Communication (NFC)-Technologie.

Die Reichweite beträgt nur wenige Zentimeter. In diese Kategorie fallen vor allem Zugangskontrollen, Bezahlvorgänge oder Authentifizierungslösungen mit Smartphones, Token oder RFID- und NFC-Karten.

Funktechnologien mit mittlerer Reichweite haben eine Reichweite von bis zu 100 Metern. Zu dieser Gruppe gehören die Funktechnologien Bluetooth Low Energy (BLE), Wireless Local Area Network (WLAN), Ultra Wide Band (UWB) und Radio Frequency Identification (RFID). Die maximale Reichweite liegt bei einigen hundert Metern.

Sollen viele drahtlose Systeme parallel betrieben werden, sind Funktechnologien mit geringer oder mittlerer Reichweite fehler- und störanfällig.

Ideale Einsatzszenarien für Funktechnologien mit mittlerer Reichweite sind beispielsweise die Gebäudeautomatisierung, das Asset Management in Krankenhäusern, die Inventur im Einzelhandel, das Behältermanagement in der Logistik oder die industrielle Identifikation, um nur einige Beispiele zu nennen.

In Verbindung mit der UWB-Technologie punktet die Funktechnologie mit Echtzeitlokalisierung. Sie senden Informationen über den Zustand eines Objektes (in Verbindung mit Sensorik) und geben Auskunft über den Standort eines Objektes. Dies sind nur einige Beispiele. In der Realität sind Hunderte von Anwendungsfällen für die Kurzstrecken-Kommunikationstechnologie denkbar.

Die dritte Methode der Funkübertragung bietet eine große Reichweite. Diese Funktechnologie kann Informationen über mehrere Kilometer übertragen. Vorteil: Sie wird nicht durch Gebäude oder Mauern eingeschränkt. Wenn es darum geht, große Datenpakete über eine ebenfalls große Entfernung zu übertragen, ist diese Technologie hervorragend geeignet.

Allerdings verbraucht sie mehr Energie als die Kurzstrecken-Technologien. Die Datenübertragung kann langsamer sein, da auch größere Entfernungen überbrückt werden müssen und es in stark frequentierten Bereichen zu Störungen kommen kann. Funktechnologien mit großer Reichweite sind z.B. alle Low Power Wide Area Networks (LPWAN) Technologien.

Die Anwendungsszenarien von Funktechnologien mit großer Reichweite gehen über räumlich begrenzte Szenarien hinaus. Die LPWAN-Technologie ermöglicht es beispielsweise, den Zustand und die Position von Baufahrzeugen über Hunderte von Kilometern zu überwachen, Sensordaten einer ganzen Stadt zu erfassen oder ganze Industrieparks zu überwachen.

Derzeit dominieren LPWAN-Netze, die entweder in lizenzfreien Frequenzbändern arbeiten, wie Long Range Wide Area Network (LoRaWAN), Sigfox und mioty, oder auf bestehenden Mobilfunkinfrastrukturen aufbauen, wie NB-IoT und LTE-M. Ein wichtiger zukünftiger Wettbewerber dürfte der Mobilfunkstandard der nächsten Generation (5G) sein, der bis 2025 in Deutschland flächendeckend verfügbar sein soll.

Dieser Standard bietet einerseits Funktionen, die einen geringen Energieverbrauch bei niedrigen Datenraten gewährleisten, und andererseits Funktionen, die zuverlässige Verbindungen mit geringer Latenzzeit ermöglichen, was z. B. für autonome Fahrzeuge und Industrieanlagen von entscheidender Bedeutung ist.

Im Bereich der Funktechnologien mit geringer Reichweite wächst der Weltmarkt für NFC-Technologien und -Anwendungen. Laut einem Bericht der Marktforschungsplattform „Gitnux“ werden Ende 2020 67 Prozent aller POS-Terminals in Europa NFC-fähig sein.

Bis 2027 soll NFC einen weltweiten Marktanteil von 39 Prozent in der Unterhaltungselektronik erreichen. Im Jahr 2020 werden 85 Prozent aller Transaktionen in Australien kontaktlos sein. Dazu gehört auch die Nutzung von NFC-basierten Zahlungsmethoden.

Die globalen Märkte für drahtlose Technologien mit mittlerer Reichweite werden voraussichtlich ebenfalls wachsen. Einem Bericht des Technologieinformationsunternehmens ABI Research zufolge wurden 2019 weltweit 109 Millionen UWB-fähige Geräte ausgeliefert.

Es wird erwartet, dass diese Zahl bis 2025 auf über 1 Milliarde Geräte ansteigen wird. Einem aktuellen Marktbericht der „Bluetooth SIG“ zufolge werden bis 2027 90 Prozent aller Bluetooth-Geräte mit Bluetooth LE ausgestattet sein. Der Bericht prognostiziert auch 338 Tausend Bluetooth RTLS Implementierungen bis 2027.

Laut einem Bericht der Daten- und Business-Intelligence-Plattform „Statista“ wird die Zahl der LPWAN-IoT-Verbindungen bis 2030 die anderer IoT-Konnektivitätstechnologien übertreffen.

Die NFC-Technologie basiert auf der Radio Frequency Identification (RFID). NFC hat eine Übertragungsreichweite von nur wenigen Zentimetern. Dies ist ein entscheidender Sicherheitsaspekt. Die Datenrate liegt bei maximal 424 kBit/s.

Der Stromverbrauch ist sehr gering:

• NFC-Chips verbrauchen nur 5 mA
• Bluetooth-Low-Energy-Chips verbrauchen 15 mA
• Bluetooth-Chips verbrauchen 30 mA

Die geringe Reichweite beschränkt den Zugriff auf die übertragenen Daten auf Personen in unmittelbarer Nähe und erschwert es Dritten, Daten aus der Ferne abzufangen. Zudem sind inzwischen RFID-Chips auf dem Markt, die eine verschlüsselte Datenübertragung unterstützen.

NFC wird in verschiedenen Bereichen wie bargeldloses Bezahlen und Zwei-Faktor-Authentifizierung eingesetzt. Ein NFC-Chip ist heute in fast jedem Smartphone oder Tablet-PC integriert.

Zwei Frequenzbänder

In fast jedem Haushalt ist ein lokales WLAN-Netzwerk installiert. Damit ist WLAN die wohl am weitesten verbreitete Funktechnologie in Innenräumen. In der Industrie werden WLAN-Router, Access Points und WLAN-Tags eingesetzt, um Zustands-, Positions- oder Bewegungsdaten an zentrale Systeme zu übertragen.

Dabei geht es vor allem um die Überwachung von Prozessen. Im Vergleich zu Technologien, die für IoT-Anwendungen konzipiert wurden, ist der Energieverbrauch von WLAN deutlich höher.

Da die Funktechnologien Wi-Fi und BLE das lizenzfreie 2,4-GHz-Band nutzen, kann es zu Störungen und Interferenzen kommen. Möglich sind beispielsweise Leistungseinbußen durch geringere Reichweite und Datenübertragungsrate. Kritisch wird es auch, wenn Verbindungsabbrüche die Datenkommunikation unterbrechen. Dies gilt insbesondere, wenn Sensordaten oder Positionsdaten betroffen sind. Insgesamt können sich Störungen also negativ auswirken.

Die Reichweite von BLE beträgt bis zu 50 Meter. Als Frequenzbänder stehen 2,4 GHz oder 5 GHz zur Verfügung. Mit 5 GHz kann eine höhere Übertragungsrate und Stabilität erreicht werden, allerdings auf Kosten der Reichweite.

RFID ist eine Schlüsseltechnologie für die Digitalisierung

Der RFID-Transponder besteht aus einem elektronischen Mikrochip, dem Speichermedium, einem Kondensator zur kurzzeitigen Energiespeicherung und einer Antenne. Die Antenne ist das Kopplungselement. Sie kann aufgedruckt, aufgebracht oder geätzt sein. Beide Komponenten, Chip und Antenne, werden auch als Inlay bezeichnet. Das RFID-Inlay ist empfindlich gegenüber mechanischen und chemischen Belastungen.

Deshalb werden RFID-Inlays in „Schutzhüllen“ verpackt. Zum Beispiel in Folie, Papier oder Kunststoff. Besonders widerstandsfähig ist der RFID-Transponder, wenn das Inlay in ein Kunststoffgehäuse eingegossen wird. Die Speichergröße eines RFID-Mikrochips reicht von wenigen Bytes bis zu mehr als 100 Kilobytes. Handelsübliche Speichergrößen liegen zwischen 4 Byte und 8 kByte. In der Diebstahlsicherung – der elektronischen Artikelsicherung – werden nur 1-Bit-Speicher verwendet.

RFID-Systeme werden in allen denkbaren Branchen eingesetzt, von der Industrie über die Logistik bis hin zur Medizin oder dem Handel. Die Bauformen der RFID-Transponder passen sich der jeweiligen Anwendung an und können Schlüsselanhänger, Etiketten, Glastransponder oder auch Chipkarten sein. Die automatische und berührungslose Datenerfassung ist je nach Frequenz über große Reichweiten (bis zu 10 m) möglich.

In Umgebungen mit störenden Materialien wie Metall oder Flüssigkeiten kommen spezielle RFID-Transponder zum Einsatz.

Moderne UHF-RFID-Lesegeräte eignen sich besonders für das Pulkleseverfahren. Die Lesegenauigkeit liegt bei nahezu 100 Prozent.

BLE kann jahrelang Signale senden

BLE ist eine Variante von Bluetooth 4.0, die deutlich weniger Energie verbraucht. Das Ergebnis: Ein BLE-Beacon kann mehrere Jahre lang verwendet werden. Im Vergleich zu anderen Technologien sendet er, ähnlich wie NFC, ein Einwegsignal. Er kann also keine Informationen von anderen Geräten empfangen, sondern nur Signale aussenden. Dadurch erreicht ein BLE-System einen extrem niedrigen Energieverbrauch von nur 75 nJ/Bit.

Die Reichweite beträgt in Gebäuden etwa 10 Meter, im Freien bis zu 50 Meter. Die Übertragungsgeschwindigkeit variiert je nach Entfernung, im Normalbetrieb können zwischen 1 Mbit/s und 2 Mbit/s pro Sekunde erreicht werden. Ein wesentlicher Vorteil von BLE gegenüber ähnlichen Systemen ist die weite Verbreitung, da praktisch alle gängigen Bluetooth-Geräte auch Bluetooth Low Energy unterstützen.

Energieeffizientes und kostengünstiges Tracking

Asset Tracking im Außenbereich mit LPWAN (Low Power Wide Area Network) bietet Vorteile, erfordert aber auch die Berücksichtigung einiger wichtiger Aspekte. LPWAN ist eine drahtlose Netzwerktechnologie, die besonders für IoT-Anwendungen geeignet ist, die eine lange Batterielebensdauer und eine breite Abdeckung erfordern. Die wichtigsten LPWAN-Technologien sind LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), Sigfox, NB-IoT (Narrowband IoT), mioty und LTE-M (LTE für Maschinen).

LPWAN-Netze haben eine große Reichweite und eignen sich gut für Anwendungen im Freien. Sie ermöglichen die Verfolgung von Gütern über große Entfernungen, auch in ländlichen oder abgelegenen Gebieten, ohne dass eine ständige Verbindung zu einem Mobilfunknetz erforderlich ist. Hinsichtlich der Energieeffizienz punkten LPWAN-Geräte. Sie verbrauchen wenig Energie und haben daher eine lange Batterielebensdauer. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen im Freien, wo es schwierig sein kann, Batterien regelmäßig auszutauschen oder aufzuladen.

LPWAN gilt als robust und witterungsbeständig. Dies ist ein wichtiger Aspekt für die Installation im Freien. Hinsichtlich der genauen Lokalisierung von Assets kann mit LPWAN in der Regel nicht die gleiche Genauigkeit wie mit GPS erreicht werden. Durch Triangulation oder den Einsatz zusätzlicher Sensoren kann die Positionsgenauigkeit jedoch verbessert werden. Wie bei allen drahtlosen Übertragungstechnologien müssen auch die mit der LPWAN-Technologie erzeugten Daten gesichert werden.

Ortung bis zu 200 Meter weit

Ultra-Wideband (UWB) ist eine drahtlose Übertragungstechnologie, die speziell für den Nahbereich entwickelt wurde. In den USA nutzt UWB den Frequenzbereich zwischen 3,1 und 10,6 GHz. In Deutschland liegt der genehmigte Frequenzbereich zwischen 6,0 und 8,5 GHz. UWB bietet eine hohe Ortungsgenauigkeit bei geringem Energieverbrauch.

Hinsichtlich der Reichweite ist UWB bis 50 Meter optimal, kann aber auch bis zu 200 Meter orten. Wichtig ist die Sichtverbindung.

Die maximale Datenrate beträgt 480 Megabit pro Sekunde, während die Sendeleistung in der Regel unter einem Milliwatt bleibt. Durch die Integration von UWB-Chips in zahlreiche Endgeräte haben sich in den letzten Jahren immer mehr Anwendungsgebiete erschlossen.

Der größte Vorteil von UWB liegt in der sehr genauen Positionsbestimmung der Geräte. Diese Fähigkeit macht UWB besonders attraktiv für Endgeräte wie Smartphones. Während herkömmliche Technologien wie Bluetooth Low Energy (BLE) oder GPS oft eine Genauigkeit von bis zu zwei Metern aufweisen, ermöglicht UWB eine Lokalisierung mit einer Genauigkeit von nur wenigen Zentimetern.

6G soll 2030 verfügbar sein

Der 4G/LTE-Standard basiert auf dem Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Dabei handelt es sich um ein digitales Modulationsverfahren, bei dem ein Signal in mehrere schmalbandige Kanäle auf unterschiedlichen Frequenzen aufgeteilt und schneller übertragen wird.

Mit 4G LTE können Datenübertragungsraten von bis zu 150 Mbit/s erreicht werden. Die durchschnittliche Download-Geschwindigkeit einer LTE-Verbindung liegt bei 20,83 Mbit/s, die Upload-Geschwindigkeit bei 1,48 Mbit/s und die durchschnittliche Reaktionszeit bei 54,17 ms.

Seit 2019 befindet sich das 5G-Netz in Deutschland im Aufbau. Mit 5G werden Spitzendatenraten von nominell 20 Gbit/s bei einer Latenz von 1 ms möglich. Die technologische Innovation von 5G liegt vor allem in der Antenne. Um mehr Endnutzer pro Funkmast versorgen zu können, werden viele zusätzliche Antennen am Funkmast installiert, die Massive Multiple Input, Multiple Output (Massive MIMO) ermöglichen.

Zweitens nutzen die Telekommunikationsanbieter unterschiedliche Frequenzbänder: langwellige mit größerer Reichweite im GHz-Bereich in ländlichen Gebieten, wo ein einzelner Funkmast ein größeres Gebiet versorgen kann, und kurzwelligere für städtische Gebiete, wo die Anzahl der Nutzer pro Flächeneinheit höher ist. In Städten werden daher mehr 5G-Antennen oder kleinere Transceiver in der Größe eines Pizzakartons installiert.

Drittens basiert die Leistungsfähigkeit eines 5G-Netzes auf dem Network Slicing. „Slices“ sind virtuelle Netze innerhalb des Gesamtnetzes, die die Bandbreite ressourcenschonend nutzen. Viertens können 5G-Geräte über Sidelinking direkt miteinander kommunizieren, ohne eine Antenne oder einen Transceiver zu benötigen.

6G soll 2030 verfügbar sein. Prognostiziert werden Übertragungsraten von bis zu 400 Gbit/s und Latenzzeiten von unter 100 Mikrosekunden.