5 GHz vs. 2,4 GHz bei industrieller Funkübertragung: ein technischer Vergleich

1. Warum diese Frage wichtig ist

Die geregelte Motorsteuerung ist auf eine Encoder-Rückführung angewiesen, die kontinuierlich, latenzarm und deterministisch ist. Eine Funkstrecke ersetzt einen mechanischen Schleifring oder ein langes Kupferkabel; aus Sicht des Antriebs muss sie sich so verhalten, als wäre der Encoder direkt verdrahtet. Die wichtigste Einflussgröße dafür, ob eine Funkstrecke diese Anforderung erfüllen kann, ist das Funkband, in dem sie arbeitet.

Hersteller nennen das Band selten auf der ersten Seite ihrer Datenblätter. Käufer fragen selten danach. Sechs Monate später arbeitet der Encoder auf dem Prüfstand einwandfrei, verliert aber jedes Mal Pakete, sobald der Gabelstapler im Nachbarlager seinen 2,4-GHz-WLAN-Access-Point einschaltet. Dieses Papier soll dafür sorgen, dass die Frage zuerst gestellt wird und nicht zuletzt.

2. Das Spektrumproblem im 2,4-GHz-Band

Das 2,4-GHz-ISM-Band erstreckt sich von 2400 bis 2483,5 MHz – rund 83,5 MHz nutzbares Spektrum. Nach Abzug der Schutzbänder ergibt sich in der Praxis eine Aufteilung in drei überlappungsfreie 20-MHz-Kanäle (Kanäle 1, 6 und 11 in den meisten Regulierungsregionen). Jede andere „Kanalnummer“ in diesem Band überlappt mit mindestens zwei dieser drei Kanäle.

Was sonst noch im 2,4-GHz-Band arbeitet

• WLAN 4 (802.11n) – in nahezu jedem Gewerbegebäude vorhanden, oft mit 40-MHz-Kanälen konfiguriert, die das gesamte Band belegen
• Bluetooth und Bluetooth LE – Frequenzsprung über das gesamte Band, ca. 1600 Sprünge pro Sekunde
• Mikrowellenherde – strahlen im Betrieb ca. 10 dBm breitbandiges Rauschen um 2,45 GHz ab
• Schnurlostelefone, Babyphones, Video-Türklingeln, ZigBee, Thread, herstellereigene Funkfernbedienungen – alle teilen sich dieselben 83 MHz

In einem typischen europäischen Industriegebiet zeigt ein breitbandiger Spektrumanalysator außerhalb jedes Gebäudes, dass der Grundpegel im 2,4-GHz-Band 15–25 dB über dem thermischen Rauschen liegt. In einer Fabrik mit Bediener-WLAN ist dieser Wert höher. Eine Kanalauslastung über 60 % ist üblich; über 80 % beim Schichtwechsel ist normal.

3. Der Vorteil des 5-GHz-Bands

Das für die lizenzfreie Nutzung freigegebene 5-GHz-Band umfasst je nach Regulierungsregion etwa 5150–5875 MHz. Das insgesamt nutzbare Spektrum ist mehr als 8-mal breiter als bei 2,4 GHz, und die Kanalaufteilung ist deutlich sauberer.

Dynamic Frequency Selection (DFS)

Der Großteil des 5-GHz-Bands (Kanäle 52–144 in den EU- und US-Plänen) erfordert Dynamic Frequency Selection – einen regulatorischen Mechanismus, der auf Radarsignale lauscht und den Kanal räumt, sobald welche erkannt werden. Für einen Industriestandort, der weit entfernt von Wetterradar oder militärischen Anlagen liegt, liefert DFS faktisch ein privates Band: Radar als vorrangiger Nutzer ist selten, und WLAN für Endverbraucher meidet DFS-Kanäle, weil Heimrouter der Einfachheit halber standardmäßig Nicht-DFS-Kanäle verwenden. Das Ergebnis ist ein außergewöhnlich sauberes Spektrum.

4. Störungen und Zuverlässigkeit

Die Zuverlässigkeit einer Funkstrecke ist keine einzelne Kennzahl, sondern die gemeinsame Verteilung dreier Größen:

1. Paketfehlerrate (PER) unter Störeinfluss
2. Wiederholungsverhalten – erholt sich die Verbindung transparent oder gehen Pakete verloren?
3. Worst-Case-Latenz – das 99,99-Perzentil, nicht der Mittelwert

2,4-GHz-Verbindungen verschlechtern sich im Mittel nur allmählich, in den Extremfällen jedoch drastisch. Eine Verbindung mit 99,5 % erfolgreich übertragenen Paketen in einem einstündigen Test kann Latenzspitzen von 70 ms zeigen, wenn zufällig ein kollidierender Burst eines benachbarten Access Points zusammentrifft. Bei einem gepufferten Videostream bleibt das unsichtbar; für einen Antrieb, der die nächste Encoderflanke innerhalb von 1 ms erwartet, ist es ein Fehler.

5-GHz-Verbindungen – insbesondere auf DFS-Kanälen – erleben weit weniger Kollisionen, sodass die Randbereiche der Latenzverteilung nahe am Mittelwert bleiben. Genau diese Eigenschaft ist für die geregelte Steuerung entscheidend.

5. Der Kompromiss bei der Reichweite (und warum er hier keine Rolle spielt)

Die Freiraumdämpfung steigt mit dem Quadrat der Trägerfrequenz. Beim Vergleich von 5,5 GHz mit 2,4 GHz ist die Dämpfung bei gleichem Abstand um etwa 7 dB höher – das entspricht einer Halbierung der effektiven Reichweite bei gleicher Sendeleistung und gleichem Antennengewinn.

Für ein Heim-WLAN, das ein mehrstöckiges Haus abdecken soll, ist das relevant. Für einen drahtlosen Industrie-Encoder, dessen längste realistische Strecke 100–200 m überwiegend mit Sichtverbindung beträgt, ist es das nicht. WENC2 erreicht in Fabrikumgebungen mit zulässiger 5-GHz-Sendeleistung regelmäßig über 100 m und hat dabei Reserven. 7 dB Reserve gegen 25-mal mehr Kanäle und einen Bruchteil der Störungen einzutauschen, ist in dieser Anwendung ein eindeutiger Gewinn.

6. Regulatorisches Umfeld

Beide Bänder sind in den meisten Ländern lizenzfrei, doch der Betrieb im 5-GHz-Band unterliegt strengeren Vorschriften – DFS, Sendeleistungsmasken und Grenzwerte für Außerbandaussendungen. Diese Regeln haben einen Nebeneffekt, der uns zugutekommt: Geräte, die ordnungsgemäß für den 5-GHz-Betrieb zertifiziert sind, wurden mit strengerer spektraler Disziplin gebaut, was sich in der Regel in besserem Verhalten unter Störeinfluss niederschlägt.

Der Betrieb im 5-GHz-Band ist die Standardeinstellung der Serie; das 2,4-GHz-Frontend ist für Kompatibilitätsszenarien vorhanden, die in drei Jahren Feldeinsatz noch nie angefragt wurden.

7. Folgen für die industrielle Encoder-Übertragung

Die Encoder-Rückführung verzeiht nichts. Anders als ein Streaming-Protokoll, das puffern kann, führt eine im ungünstigen Moment verpasste Encoderflanke zu einem Positionssprung im Antrieb. Schon ein einziges verlorenes Paket kann in einem ungeeigneten System einen Störungsstopp der Anlage auslösen.

Die richtige Designentscheidung besteht daher darin, Ursachen für Aussetzer bereits auf der physikalischen Ebene zu beseitigen, statt sie auf der Protokollebene zu beheben. Die Wahl von 5 GHz statt 2,4 GHz ist die wirksamste einzelne Maßnahme dieser Art.

8. Wie WENC2 das 5-GHz-Band umsetzt

WENC2 verwendet eine Dualband-5-GHz-Funkstrecke, die über die üblichen lizenzfreien Teilbänder arbeitet (UNII-1 / UNII-2 / UNII-3 in US-Terminologie, entsprechende EU-Einteilung). Die Kanalwahl erfolgt beim Verbindungsaufbau automatisch: Das Gerät scannt die verfügbaren Kanäle, bewertet sie nach gemessenem Grundrauschen und Kanalbelegung und wählt den saubersten aus. Ein Kanalwechsel im laufenden Betrieb bei anhaltenden Störungen wird unterstützt.

Das Übertragungsprotokoll ist ein schlankes TDMA-Rahmenformat, das speziell für periodische Encoderdaten entwickelt wurde – kein generischer 802.11-Stack. Dadurch werden die schlimmsten Latenzausreißer des WLAN-Zugriffsverfahrens CSMA/CA vermieden, und die Sendezeit pro Encoder-Aktualisierung bleibt bei wenigen hundert Mikrosekunden. Der Kanal ist dadurch die meiste Zeit frei und verkraftet gelegentliche Fremd-Bursts.

Typische Gesamtlatenz von der Encoderflanke bis zum RX-Ausgang: unter 1 ms, deterministisch. Was dieser Wert in einem Regelkreis tatsächlich bedeutet, erläutert unser Begleitpapier Latenz in der geregelten Motorsteuerung.

9. Fazit

2,4 GHz ist für Laptops, Telefone, Türklingelkameras und den Großteil der Unterhaltungselektronik völlig in Ordnung. Für die industrielle Encoder-Übertragung im geschlossenen Regelkreis ist es eine schlechte Wahl – nicht weil das Band schlecht wäre, sondern weil es voll ist. Das 5-GHz-Band – insbesondere sein DFS-Anteil – ist die technisch richtige Wahl für jede Anwendung, bei der verlorene Pakete mechanische Folgen haben.

Wer drahtlose Encoder-Strecken auslegt oder spezifiziert, sollte zuerst die Frage nach dem Band stellen. WENC2 wurde um die Antwort herum entwickelt.