Funk für Maker
Techniken zum Einsatz von Funkverbindungen in eigenen Projekten gibt es viele, doch nicht alle sind sinnvoll. Wir geben eine Einführung in die Standards und zeigen, welche fertigen Module es gibt.
von Daniel Bachfeld
rst durch eine Datenanbindung wird aus den in Haushalt, Verkehr und Industrie verstreuten Dingen beziehungsweise elektronischen Geräten das „Internet der Dinge“. Prinzipiell ließe sich die Vernetzung auch durch Kabel erledigen, aber wo sollte das im wahrsten Sinne des Wortes alles hinführen? Deshalb setzt man bei IoT (das hier auch synonym für Smart Home und Fernsteuerung verwendet wird) in der Regel auf eine Kommunikation per Funk. Doch Funk ist nicht gleich Funk: Je nachdem, ob man hohe Datenraten, große Reichweite, große Störunempfindlichkeit, niedrigen Energieverbrauch oder billige Hardware benötigt, gibt es unterschiedliche Funktechniken respektive Standards. Dabei stehen sich manche Anforderungen diametral gegenüber: Hohe Reichweite ist mit hoher Datenrate allgemein genauso schlecht vereinbar, wie hohe Datenraten mit niedrigem Energiebedarf.
Übertragungstechnik
In der Nachrichtentechnik ist das Rauschen der größte Feind: es überlagert Nutzsignale und begrenzt damit die Fähigkeit eines Empfängers, schwache Signale zu verarbeiten. Das Rauschen hat viele Ursachen, unter anderem atmosphärisches und kosmisches Rauschen und „Man made noise“ durch vielerlei elektronische Geräte. Alle elektronischen Bauelemente in einem Empfangssystem fügen zusätzliches Rauschen durch thermisches Rauschen hinzu.
Das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) ist hier ein Maß für die Qualität eines empfangenen Signals und ist der Quotient aus der Leistung des Nutzsignals zur Leistung des Rauschsignals: SNR = 10 log (Ps/Pr) dB – je größer, desto besser. Damit ein Empfänger ein Signal verarbeiten kann, muss es größer als das Rauschen sein. Um wie viel größer, hängt von der sogenannten Empfindlichkeit (engl. Sensitivity) des jeweiligen Empfängers ab.
Das Maß für die Empfindlichkeit (MDS, Minimum Discernible Signal), ist das kleinste empfangbare Signal über dem Grundrauschen bei einer bestimmten Bandbreite. Sie wird in Dezibel (dBm) angegeben und kennzeichnet vereinfacht gesagt die Fähigkeit einer Eingangsstufe, in einem verrauschten Empfangssignal noch etwas Sinnvolles zu detektieren. Sie hängt von der Bandbreite B des Übertragungskanals und der Rauschzahl der verbauten Elektronik (NF) ab. Die Rauschzahl gibt an, um wie viel sich das Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang gegenüber dem Eingang verschlechtert hat.
Die Formel lautet S = –174 dBm + NF + 10 x log (B). Der Wert –174 dBm steht für das durch thermische Effekte bei Raumtemperatur erzeugte und immer vorhandene Johnson-Nyquist-Rauschen und kennzeichnet quasi die maximal erreichbare Empfindlichkeit eines idealen Empfängers – besser geht nicht, nur noch schlechter. Lässt man den Wert NF mal außer Acht, so sieht man schnell, dass jegliche Vergrößerung der Bandbreite die Empfindlichkeit eines Empfängers verschlechtert. Nehmen wir B mit 1 MHz an, so ergibt sich –174 dBm + 10 x log (1E6 ) = – 114 dBm. Lassen Sie sich nicht durch die Minuszeichen verwirren: –174 dBm ist besser als – 114 dBm.
Bei 10 MHz sinkt die Empfindlichkeit sogar auf –174 dBm + 10 × log (10E6 ) = –104 dBm. Grundsätzlich folgt daraus: eine schmale Bandbreite bedeutet eine höhere Empfindlichkeit und somit auch eine höhere Funkreichweite, eine hohe Bandbreite bedingt eine geringere Empfindlichkeit und somit eine geringere Reichweite.
Warum ist jedoch eine hohe Bandbreite wünschenswert? Um eine möglichst hohe Datenrate zu erzielen. Hier kommt die sogenannte Kanalkapazität ins Spiel. Sie gibt die höchste Bitrate an, mit der Informationen über einen bandbegrenzten Kanal übertragen werden können. Theoretisch ließe sich in einem rauschfreien bandbegrenztem Kanal durch geeignete Wahl und Kombination von Modulationsverfahren (etwa Quadraturamplitudenmodulation etc.) eine beliebig hohe Datenrate erzielen. Doch auch hier macht uns das Rauschen einen Strich durch die Rechnung. Claude Shannon und Ralph Hartley formulierten das nach ihnen benannte Shannon-Hartley-Theorem, das den Zusammenhang zwischen Datenrate D, Bandbreite B und Signal/Rausch-Verhältnis SNR aufzeigt: D = B x ld (1+SNR). Man sieht, dass die maximal erreichbare Datenrate umso höher liegt, je höher die Bandbreite und je besser das Signal/Rausch-Verhältnis.
Man kann durch diverse Substitutionen in der Formel zur Empfindlichkeit die Abhängigkeit von der Bandbreite eliminieren und durch die Bitrate ersetzen: S = –174 dBm + NF + 10 × log (D) + Eb/N0. Der Quotient Eb/N0 (das Verhältnis der Energie pro Bit zur Rauschenergie) ist hier nur der Vollständigkeit halber aufgeführt – er tut für das weitere Verständnis nichts zur Sache. Man versteht jedoch schnell: Eine geringere Datenrate führt zu einer höheren Empfindlichkeit und wiederum wieder zu einer großen Reichweite, eine hohe Datenrate zu einer niedrigen Empfindlichkeit und kleinen Reichweite.
Durch Anpassen der Bitraten lässt sich eine Verbindung den jeweiligen Gegebenheiten dynamisch anpassen. Praktische Relevanz hat dies beispielsweise im WLAN oder bei GSM. Wird die Verbindung schlechter, drosseln Access Point und WLAN-Adapter beziehungsweise Mobilfunkstation und Smartphone die Bitrate herunter – teilweise auf nur wenige MBit/s – um die Datenübertragung aufrechtzuerhalten.
WLAN-Access-Points verringern aber auch mitunter direkt die Kanalbandbreite, wenn bei starker Auslastung die Kanäle anderer APs dazwischenfunken. Damit einher geht zwar eine niedrige Bitrate, andererseits verringert sich aber die Bitfehlerhäufigkeit, was zumindest den Nettodatendurchsatz doch wieder anhebt. Der andere Weg, die Reichweite bei einer gegebenen Frequenz zu erhöhen, wäre die Sendeleistung zu erhöhen. Allerdings verringert dies das Durchhaltevermögen von IoT-Geräten erheblich, auch beim Smartphone leert sich der Akku deutlich schneller. Ohnehin ist die Erhöhung der Sendeleistung weniger effektiv als die vorgenannten Maßnahmen.
Für Maker liegt zwar der Bau eigener Funkmodule nahe, aber: Die Entwicklung zuverlässiger Hardware stellt hohe Ansprüche an das elektrotechnische Können. Zudem unterliegt der Einsatz gesetzlicher Regularien – sprich: Man kann nicht einfach so mit selbstgebauten Geräten auf beliebigen Frequenzen senden – es sei denn, man ist Funkamateur. Darüber hinaus ist die Hardware nur die eine Seite der Me
