Macht 5G Wireless-LAN überflüssig?

Sowohl 5G als auch WLAN 6(E) werden in Zukunft eine wichtige Rolle spielen in der industriellen Kommunikation.

Mit den industriellen Wireless-LAN-Technologien steht eine Funktechnologie zur Verfügung, die bereits seit mehr als 15 Jahren erfolgreich zur drahtlosen Datenübertragung in unterschiedlichen industriellen Branchen und Applikationen eingesetzt wird. WLAN-Netzwerke sind also in vielen Fabriken vorhanden und können einfach aktualisiert und erweitert werden. Mit WLAN 6, das gemäß IEEE 802.11ax standardisiert ist, kommt eine neue WLAN-Generation auf den Markt, die für die industrielle Automatisierung zahlreiche interessante Funktionen bietet. Erweist sich WLAN damit als Alternative zu privaten 5G-Netzwerken? Fakt ist, dass 5G das Potenzial hat, die Fabrikautomatisierung als unternehmensweite drahtlose Kommunikationsinfrastruktur nachhaltig zu prägen. Es gibt bereits erste Testinstallationen und etliche Anlagenbetreiber wollen ihre Fabriken schon 2021 mit 5G ausstatten. Dafür hat Phoenix Contact gemeinsam mit Quectel und Ericsson den ersten industriellen 5G-Router für lokale 5G-Industrienetzwerke entwickelt. Echtzeitfähige industrielle 5G-Netzwerke auf Basis von Release 16 und 17 werden voraussichtlich ab 2022 verfügbar sein, wenn alles wie geplant läuft.

Als einer der Pioniere der globalen Initiative 5G-ACIA gestaltet Phoenix Contact die Standardisierung von 5G in der Industrie aktiv mit. So wird seit 2020 ein 5G-Router für lokale industrielle Anwendungen in einem privaten 5G-Netzwerk angeboten.

WLAN 6 mit neuen Technologien

Wie bei 5G liegen die Vorteile von WLAN 6 gegenüber den Vorgängerversionen in einem größeren Datendurchsatz, einer niedrigeren Latenzzeit sowie einer höheren Netzkapazität mit der Fähigkeit, deutlich mehr Clients gleichzeitig zu bedienen. Aus industrieller Sicht zeichnet sich WLAN 6 im Wesentlichen durch folgende neue Merkmale aus:

Die bei WLAN derzeit übliche Datenübertragung OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) gestattet die parallele Kommunikation mit lediglich einem Teilnehmer. Durch Verwendung des aus dem Mobilfunkbereich stammenden OFDMA-Verfahrens (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) lässt sich der Übertragungskanal nun in Unterkanäle – sogenannte Resource Units (RU) – aufteilen. Ein 20 MHz breiter WLAN-Kanal umfasst bis zu neun Resource Units, die auf verschiedene WLAN-Teilnehmer verteilt werden können. Bei breiteren WLAN-Kanälen stehen entsprechend mehr Resource Units zur Verfügung, zum Beispiel 37 RU bei 80 MHz.

Aufgrund unterschiedlicher Optimierungen sollen mit WLAN 6 Bruttodatenraten von bis zu 10 GBit/s erreicht werden können. Damit liegt es im Vergleich mit 5G auf einer identischen Höhe.

Speziell mit TWT (Target Wake Time) soll in Zukunft über WLAN energieschonend auch mit Low-Power-IoT-Geräten kommuniziert werden können. Dabei erfolgt der Datenaustausch nur zu geplanten Zeitpunkten. Dazwischen kann der Teilnehmer „schlafen“, um Energie zu sparen.

Als eine Herausforderung der WLAN-Übertragung erweist sich, dass lediglich eine begrenzte Anzahl an Kanälen zur Verfügung steht. Mit BSS (Base Service Station)-Coloring und Spatial Re-Use unterstützt WLAN 6 einen Mechanismus zur störungsfreien Koexistenz von WLAN-Modulen bei hoher Gerätedichte. Die „Farbgebung“ von Datenframes durch BSS-Coloring erlaubt es den Geräten, Übertragungen im eigenen Netz von denen in benachbarten Netzen zu unterscheiden. Und mit Spatial Re-Use wird die Verwendung adaptiver Leistungs- und Empfindlichkeitsschwellen für die Kanal-Frei-Erkennung eingeführt. Auf diese Weise lässt sich ein Funkkanal dann schon wieder nutzen, wenn das Signal einer benachbarten Funkzelle zwar noch wahrgenommen wird auf dem Kanal, die Verbindung zur eigenen Zelle aber trotzdem sehr gut ist.

WLAN 6E verwendet den Frequenzbereich zwischen 5,925 GHz und 7,125 GHz. Die USA haben bereits die kompletten 1,2 GHz freigegeben. Das Vereinigte Königreich (UK) hat ebenfalls angekündigt, 500 MHz bereitzustellen. In der Europäischen Union wird damit gerechnet, dass 2021 rund 500 MHz Bandbreite überlassen werden. Da ältere WLAN-Standards das 6-GHz-Band nicht nutzen können und deshalb nicht auf ältere Geräte Rücksicht zu nehmen ist, kann WLAN 6E seine volle Leistungsfähigkeit erreichen.

Netzwerkinfrastruktur als ausschlaggebender Faktor

Die technische Leistungsfähigkeit von 5G und WLAN 6(E) ist für industrielle Automatisierungsanwendungen im Kern vergleichbar. Typische Applikationen wie fahrerlose Transportsysteme (FTS) und mobile Roboter werden sich zukünftig sowohl mit 5G als auch WLAN 6(E) technisch umsetzen lassen. Letztlich entscheidet der Anwender, welche Funktechnologie er einsetzt. Für die Wahl des Wireless-Standards dürfte hier nicht die Funktechnologie selbst, sondern die gesamte Netzwerkinfrastruktur ausschlaggebend sein. Neben zahlreichen interessanten technischen Eigenschaften erweist sich die Verwendung privater Frequenzbereiche als größte Stärke von 5G. Diese stehen allerdings nicht überall weltweit zur Verfügung. Weil WLAN 6(E) auf dem 6-GHz-Band funken kann, hat WLAN ebenfalls einen für WLAN 6E-Anwendungen exklusiven Frequenzbereich. Durch die große Bandbreite von WLAN 6(E) mit 500 MHz bis 1,2 GHz ist Platz für mehr WLAN-Systeme je Fläche und gegenseitige Störungen durch Frequenzüberlappung sind so deutlich geringer.

5G wird sich zunächst vor allem in großen Fabriken und Anlagen als unternehmensweites Wireless-Backbone-Netzwerk zur Realisierung unterschiedlicher Kommunikationsaufgaben wirtschaftlich rechnen. Für die weitere, auch parallele Nutzung von WLAN sprechen die breite installierte Basis, weltweit gut harmonisierte Frequenzbereiche, die Abwärtskompatibilität zu älteren WLAN-Standards und damit die umfassende Verfügbarkeit kostengünstiger Endgeräte sowie das bei Dienstleistern und Betreibern vorhandene Anwendungswissen. Zudem sind international noch nicht überall private Industriefrequenzen für 5G vorhanden.