IoT Funkanwendungen: Das 2,4 GHz ISM-Band für die Industrie

Sichere & drahtlose Kommunikation

IoT-Funkanwendungen: Das 2,4 Gigahertz ISM Funkband im Aufwind für die Industrie

Mai, 2023

Drahtlose Kommunikationstechnologien werden heute in vielen Bereichen des täglichen Lebens ganz selbstverständlich genutzt. Im Zeitalter der digitalen Vernetzung gewinnen sie auch für sicherheitskritische industrielle Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Besonders das 2,4 Gigahertz ISM Funkband wird für die drahtlose Übertragung von Kontroll- und Steuerdaten immer interessanter. Bei der Auswahl der richtigen Funktechnologie gilt es jedoch einiges zu beachten.

Funktechnik ist eine verlässliche Methode, um Signale drahtlos über elektromagnetische Wellen zu übertragen. Die Technologie wurde im Laufe kontinuierlich weiterentwickelt und bietet im Zeitalter der Digitalisierung auch neue Perspektiven für die Anwendung in der Industrie.

Funkwellen liegen im Frequenzbereich zwischen zehn Kilohertz (KHz) und 100 Gigahertz (GHz) und sind in einzelne Bänder unterteilt. Einige Frequenzbereiche sind international als ISM-Band (Industrial, Scientific, and Medical) ausgewiesen und können weltweit lizenzfrei genutzt werden. Für Consumer Electronics und IoT-Produkte kommt vorrangig das 2,4 GHz ISM-Band zur Anwendung, in dessen Frequenzbereich sich drahtlose Übertragungstechnologien wie Bluetooth, WiFi, ZigBee oder Thread bewegen.

Im professionellen Bereich fand das 2,4 GHz ISM-Band zum Zwecke der Datenübertragung bisher kaum Verwendung, da sowohl die Reichweite als auch die Störfestigkeit für industrielle Anwendungen zu gering waren. Manche Industrien setzten das Band daher ausschließlich für optionale Dienste ein, welche keinen Einfluss auf die Kernfunktionalität hatten.

In den vergangenen Jahren wurde die Funktechnologie durch den aufstrebenden IoT-Markt kontinuierlich weiterentwickelt und bietet mittlerweile großes Potential auch für industrielle Anwendungsbereiche. Dazu zählt beispielsweise ein System zur drahtlosen Übertragung von Kontroll- und Steuerdaten im 2,4 GHz ISM-Band, welches von Mission Embedded im Rahmen eines Projektes für Betriebsbahnhöfe entwickelt wurde. Besonderer Fokus in diesem Projekt lag auf dem Thema der funktionalen Sicherheit.

Vorteile des 2,4 GHz ISM Bandes

Funkverbindungen bieten gegenüber kabelgebundener Übertragung entscheidende Vorteile. Dazu zählen vor allem der wegfallende Aufwand für die Verkabelung, eine verminderte Komplexität beim Anlagenbau sowie der geringere Wartungsaufwand im Zusammenhang mit beweglichen.

Das 2,4 GHz ISM-Band ermöglicht darüber hinaus Funkverbindungen zwischen mobilen Geräten oder zwischen beweglichen und ortsfesten Funkstellen. Es ist lizenzfrei und nahezu weltweit nutzbar und erspart so individuelle Lösungen pro Region und Land, die bei Funkbändern zwischen 400 MHz und 1 GHz („Sub-GHz“) notwendig wären.

Ein weiterer großer Vorteil des 2,4 GHz ISM-Bandes ist seine große Kanalbandbreite von ein bis fünf MHz, die eine hohe Datenrate erlaubt. Diese wird bei einem zuverlässigen professionellen Funklink dazu genutzt, Redundanzen und Kanalkodierungen einzubauen, was sowohl der Bitfehlerrateund der Reichweite zugutekommt. Ein zusätzliches Service stellt die mögliche Klassifizierung von Nachrichten dar, die mit unterschiedlicher Priorität und unterschiedlichen Anforderungen – etwa hinsichtlich der Fehlerrate – über den gleichen Funklink gesendet werden können.

Fokus auf Safety und Security

Funkanwendungen müssen vor allem in sicherheitskritischen Branchen, wie beispielsweise Industrie, Transportwesen oder Luftfahrt, sicher und zuverlässig funktionieren.

Genau darin liegt auch die größte Herausforderung, denn keine Funktechnologie bietet Zuverlässigkeit inhärent an. Für die Auswahl der passenden Technologie ist es daher enorm wichtig, den jeweiligen Anwendungsfall vorab genauestens zu analysieren, um maximale Sicherheit zu gewährleisten. Selbst eine Kombination von unterschiedlichen Funktechnologien ist bei Bedarf vorstellbar.

Mit zunehmender Vernetzung und der steigenden Gefahr von Cyber-Angriffen kommt bei Funknetzen auch dem Thema Security eine besonders große Bedeutung zu. Drahtlose Netzwerke, die nicht über entsprechende Sicherheitsvorkehrungen verfügen, stellen ein enormes potenzielles Sicherheitsrisiko für Betriebe dar. Im 2,4 GHz ISM-Band kommen für die Authentifizierung wie auch die Verschlüsselung der übertragenen Daten sowohl in Frage. Zudem erlaubt das Band die Konfiguration, Wartung und das Monitoring eines Funksystems mittels Mobiltelefon – auch Commissioning genannt – und kann so für die initiale Einrichtung relevanter Security-Parameter verwendet werden.

Hohe Komplexität erfordert ein Höchstmaß an Expertise

Bei Funkanwendungen gilt es viele Aspekte zu beachten, sodass nur eine systematische Herangehensweise bei der Auswahl einer passenden Technologie sinnvoll ist. Neben der Topologie (etwa Punkt-zu-Punkt, Stern- oder Mesh-Topologie) müssen die logische Verbindung (Broadcast, Multicast oder Unicast) sowie der geplante Datenaustausch (Protokoll, Intervall, Durchsatz, Latenz, Anzahl der Funkteilnehmer, Anforderungen bezüglich Datenintegrität, etc.) berücksichtigt werden. Auch die Anbindung an vorhandene oder ebenfalls umzusetzende Systeme, zum Beispiel IP-Netzwerke, gilt es entsprechend zu beachten.

Mission Embedded baut als Mitglied der Frequentis-Gruppe auf mehr als 75 Jahren Erfahrung und Expertise bei der Entwicklung von hochzuverlässigen Kommunikationssystemen. Maßgeschneiderte Funklösungen von Mission Embedded wurden bereits in unterschiedlichsten Anwendungen in den Bereichen Transportwesen, Blaulicht, Luftfahrt, Medizintechnik wie auch in industriellen Gefahrenbereichen eingesetzt.

In einem Projekt für Betriebsbahnhöfe setzte Mission Embedded beispielsweise im Auftrag eines namhaften Kunden ein dezentrales Steuer- und Kontrollsystem von der Machbarkeitsstudie bis zur Serienreife um. Die Systemkommunikation erfolgt hierbei überwiegend drahtlos im 2,4 GHz ISM Band.

Nähere Informationen zu sicheren drahtlosen Kommunikationslösungen von Mission Embedded:

Mission Embedded GmbH

Dr. Christof Pitter

Telefon:

E-Mail:

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Sales and Research Director

+43 1 9971993-909

sales@mission-embedded.com

www.mission-embedded.com

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Über Mission Embedded

Mission Embedded ist Anbieter von hochzuverlässigen Embedded Systemen und kundenspezifischen Gesamtlösungen für sicherheitskritische Anwendungen. Unsere Kunden zählen zu den weltweit führenden Unternehmen in den Bereichen Bahn & Transport, Spezialfahrzeuge und Schwermaschinen, Industrie, Medizintechnik sowie Luftfahrt und Verteidigung.

Wir bieten Unternehmen maßgeschneiderte Lösungen auf Basis modernster Technologien, um im Zeitalter der Digitalisierung das volle Potential ihrer Produkte und Anwendungen auszuschöpfen und ihren Betrieb sicherer und effizienter zu gestalten.

Unsere besondere Expertise und langjährige Erfahrung liegt in den Bereichen Embedded Vision, Sensorik, Künstlicher Intelligenz, Cloud Lösungen, Safety und Security sowie Explosionsschutz und Funktionaler Sicherheit.

Als Komplettanbieter mit eigener Entwicklung, hochqualitativer Produktion und ganzheitlichem Lifecycle Management begleiten wir unsere Kunden von der ersten Produktidee bis hin zur Serienfertigung und weit darüber hinaus.

Mission Embedded ist Mitglied der Frequentis Gruppe, dem weltweit führenden Anbieter von sicherheitskritischen Informations- und Kommunikationssystemen, und baut auf 75 Jahren Erfahrung im Bereich missionskritischer Systemlösungen.

Kontaktieren Sie uns und entdecken Sie mit Mission Embedded neue Möglichkeiten für Ihre innovativen Projektideen: https://mission-embedded.com/kontakt/

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