5 GHz vs. 2,4 GHz für industrielle Funkübertragung: Ein technischer Vergleich

1. Warum diese Frage wichtig ist

Die Motorsteuerung im geschlossenen Regelkreis ist auf eine Encoder-Rückmeldung 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 größte Einzelvariable, die darüber entscheidet, ob eine Funkstrecke diese Anforderung erfüllen kann, ist das Funkband, in dem sie betrieben wird.

Hersteller geben das Band selten auf der ersten Seite ihrer Datenblätter an. Käufer fragen selten danach. Sechs Monate später funktioniert der Encoder auf dem Prüfstand einwandfrei und verliert jedes Mal Pakete, wenn der Gabelstapler im benachbarten Lager seinen 2,4-GHz-WLAN-Access-Point einschaltet. Dieses Whitepaper existiert, damit die Frage zuerst gestellt wird, nicht zuletzt.

2. Das Spektrumsproblem bei 2,4 GHz

Das 2,4-GHz-ISM-Band umfasst 2400–2483,5 MHz — etwa 83,5 MHz nutzbares Spektrum. Nach Berücksichtigung der Schutzbänder ergibt sich praktisch eine Aufteilung in drei nicht überlappende 20-MHz-Kanäle (Kanäle 1, 6, 11 in den meisten Regulierungsregionen). Jede andere „Kanalnummer" in diesem Band überlappt mit mindestens zwei dieser drei.

Was lebt sonst noch im 2,4-GHz-Bereich?

• Wi-Fi 4 (802.11n) — in nahezu jedem Geschäftsgebäude vorhanden, oft für 40-MHz-Kanäle konfiguriert, die das gesamte Band belegen
• Bluetooth und Bluetooth LE — Frequenzsprungverfahren über das gesamte Band, ca. 1600 Sprünge/Sekunde
• Mikrowellenherde — geben im Betrieb ca. 10 dBm Breitbandrauschen um 2,45 GHz herum ab
• Schnurlose Telefone, Babyphone, Video-Türklingeln, ZigBee, Thread, proprietäre HF-Fernbedienungen — alle teilen sich dieselben 83 MHz

In einem typischen europäischen Industriegebiet zeigt ein Breitband-Spektrumanalysator außerhalb eines Gebäudes, dass der 2,4-GHz-Pegel 15–25 dB über dem thermischen Rauschen liegt. Innerhalb einer Fabrik mit Betreiber-WLAN ist dieser Wert höher. Eine Kanalauslastung über 60 % ist üblich; über 80 % während des Schichtwechsels ist normal.

3. Der Vorteil von 5 GHz

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

Dynamic Frequency Selection (DFS)

Der Großteil des 5-GHz-Bandes (Kanäle 52–144 in EU-/US-Plänen) erfordert Dynamic Frequency Selection — ein regulatorischer Mechanismus, der auf Radarsignale lauscht und den Kanal verlässt, falls solche erkannt werden. Für einen Industriestandort, der weit von einem Wetterradar oder einer militärischen Anlage entfernt ist, liefert DFS effektiv ein privates Band: Bestehender Radarverkehr ist selten, Verbraucher-WLAN meidet DFS-Kanäle, weil Heimrouter aus Einfachheitsgründen standardmäßig Nicht-DFS-Kanäle nutzen, und das Ergebnis ist ein außerordentlich sauberes Spektrum.

4. Interferenz und Zuverlässigkeit

Funkzuverlässigkeit ist keine einzelne Zahl — sie ist die gemeinsame Verteilung dreier Größen:

1. Paketfehlerrate (PER) unter Interferenz
2. Wiederholungsverhalten — erholt sich die Verbindung transparent oder verliert sie Pakete?
3. Worst-Case-Latenz — das 99,99. Perzentil, nicht der Mittelwert

2,4-GHz-Strecken degradieren im Mittel sanft und an den Verteilungsenden katastrophal. Eine Strecke, die in einem einstündigen Test 99,5 % Paketerfolg zeigt, kann Latenzspitzen von 70 ms aufweisen, wenn ein kollidierender Burst eines benachbarten APs zufällig zusammenfällt. Für einen gepufferten Videostream ist dies unsichtbar; für einen Antrieb, der die nächste Encoder-Flanke innerhalb von 1 ms erwartet, ist es ein Fehler.

5-GHz-Strecken — insbesondere auf DFS-Kanälen — erleben weit weniger Kollisionen, sodass das Ende der Latenzverteilung nahe am Mittelwert bleibt. Dies ist die Eigenschaft, die für die Regelung im geschlossenen Kreis entscheidend ist.

5. Der Reichweiten-Kompromiss (und warum er hier keine Rolle spielt)

Die Freiraumdämpfung skaliert mit dem Quadrat der Trägerfrequenz. Verglichen mit 2,4 GHz ist die Pfadverlust bei 5,5 GHz auf gleicher Distanz etwa 7 dB höher — das entspricht einer Halbierung der effektiven Reichweite bei gleicher Sendeleistung und Antennengewinn.

Für Verbraucher-WLAN, das ein mehrstöckiges Haus abdeckt, ist dies relevant. Für einen industriellen drahtlosen Encoder, bei dem die längste realistische Verbindung 100–200 m mit weitgehender Sichtverbindung beträgt, ist dies nicht der Fall. WENC2 erreicht in Fabrikumgebungen routinemäßig über 100 m bei legaler 5-GHz-Sendeleistung mit Reserve. Sieben dB Reserve gegen 25-mal mehr Kanäle und einen Bruchteil der Interferenz einzutauschen, ist in dieser Anwendung ein eindeutiger Gewinn.

6. Regulatorisches Umfeld

Beide Bänder sind in den meisten Ländern lizenzfrei, doch der 5-GHz-Betrieb unterliegt strengeren Regeln — DFS, Sendeleistungsmasken und Grenzwerten für Außerbandemissionen. 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 allgemein in besserem Verhalten unter Interferenz niederschlägt.

WENC2 trägt eine CE-Zertifizierung, die ETSI EN 300 328 (2,4 GHz) und ETSI EN 301 893 (5 GHz) abdeckt. Der 5-GHz-Betrieb ist die Standardeinstellung in der Produktion; das 2,4-GHz-Frontend existiert für Kompatibilitätsszenarien, die in drei Jahren Feldeinsatz nie angefordert wurden.

7. Auswirkungen auf die industrielle Encoder-Übertragung

Encoder-Rückmeldung ist unerbittlich. Anders als ein Streaming-Protokoll, das puffern kann, verursacht eine zum falschen Zeitpunkt verpasste Encoder-Flanke eine Positionsdiskontinuität im Antrieb. Selbst ein einzelnes verlorenes Paket kann im falschen System einen Fehlerstopp der Linie auslösen.

Die richtige Designentscheidung besteht daher darin, Quellen von Aussetzern auf der physikalischen Schicht zu eliminieren, statt sie auf der Protokollschicht zu kompensieren. Die Wahl von 5 GHz gegenüber 2,4 GHz ist die größte einzelne verfügbare Eliminierung.

8. Wie WENC2 5 GHz umsetzt

WENC2 verwendet ein CE-zertifiziertes Dualband-5-GHz-HF-Modul, das über die standardmäßigen lizenzfreien Sub-Bänder (UNII-1 / UNII-2 / UNII-3 in US-Terminologie, äquivalente EU-Klassifizierung) arbeitet. Die Kanalauswahl erfolgt automatisch beim Verbindungsaufbau: Das Gerät scannt verfügbare Kanäle, ordnet sie nach beobachtetem Rauschpegel und Belegung und wählt den saubersten. Ein Kanalwechsel mitten im Betrieb bei anhaltender Interferenz wird unterstützt.

Das Übertragungsprotokoll ist eine schlanke, speziell für periodische Encoder-Daten konzipierte TDMA-Frame-Engine — kein generischer 802.11-Stack. Damit wird das Schlimmste der CSMA/CA-Latenzschleppe von WLAN vermieden, und die Sendezeit pro Encoder-Aktualisierung bleibt auf wenige hundert Mikrosekunden begrenzt, wodurch der Kanal die meiste Zeit frei bleibt und gegenüber gelegentlichen Fremdbursts tolerant ist.

Gemessene Ende-zu-Ende-Latenz von der Encoder-Flanke bis zum RX-Ausgang: unter 1 ms, deterministisch. Siehe unser begleitendes Whitepaper, Latenz in der Motorsteuerung mit geschlossenem Regelkreis, für die tatsächliche Bedeutung dieser Zahl in einem Regelkreis.

9. Fazit

2,4 GHz ist in Ordnung für Laptops, Telefone, Türklingelkameras und den Großteil der Unterhaltungselektronik. Es ist eine schlechte Wahl für die industrielle Encoder-Übertragung im geschlossenen Regelkreis, nicht weil das Band schlecht ist, sondern weil das Band voll ist. Das 5-GHz-Band — insbesondere sein DFS-Anteil — ist die technisch korrekte Wahl für jede Anwendung, in der verlorene Pakete in mechanische Konsequenzen übersetzt werden.

Ingenieure, die drahtlose Encoder-Strecken auslegen oder spezifizieren, sollten zuerst die Bandfrage stellen. WENC2 wurde um die Antwort herum entwickelt.