Welche minimale Reaktionszeit kann mit einer Funkübertragung erreicht werden?

Die Frage, wie eine minimale Reaktionszeit mit einer Funkübertragung erreicht werden kann, hat uns vor kurzem intensiv beschäftigt. Eine Maschine muss praktisch verzögerungsfrei von verschiedenen Sensoren gesteuert werden. In diesem Blogbeitrag geben wir einen Einblick, wie wir eine solche Aufgabe mit verschiedenen Herausforderungen erfolgreich gelöst haben.



Die Anforderung unseres Kunden

Bei einem Kundenprojekt ging es um eine Maschine, welche praktisch verzögerungsfrei von verschiedenen Sensoren gesteuert werden muss. Für die Regelung müssen die Messwerte der Sensoren 1000-mal pro Sekunde zum Regelkreis übertragen werden. Da sich die Sensoren auf einer beweglichen Einheit befinden, müssen die Daten zwingend mit einem batteriebetriebenen Funksystem übermittelt werden können. Zusätzlich muss die Übertragung über mehrere Stunden konstant und sehr zuverlässig funktionieren.


Von welchen Faktoren hängt die Reaktionszeit mit einer Funkübertragung ab?

Die Reaktionszeit eines Funksystems ist direkt abhängig von der benötigen Zeit für die Übertragung vom Funktelegramm, welches vom Funksender zum Funkempfänger gesendet wird. Die Dauer der Funkübertragung hängt hauptsächlich von der zu übertragenden Datenmenge und der Funksymbolrate ab. Mit diesen beiden Grössen kann die Länge des Funktelegramms und somit der Zeitbedarf für die Funkübertragung berechnet werden.


Die benötigte Datenmenge

Die Datenmenge der Messwerte ist durch die Sensoren und der benötigten Auflösung der Messwerte vorgegeben. Um die Funkübertragung zu steuern und auf Fehler zu überprüfen, müssen noch zusätzliche Daten im Funktelegramm eingefügt werden. Bei dieser Anwendung ergibt sich somit eine Datenmenge von 40 Bytes pro Funktelegramm. Acht Bit entsprechen einem Byte. 40 Bytes sind somit 320 Bits pro Funktelegramm.


Funksymbolrate

Die Daten des Funktelegramms werden in kleine Einheiten zerlegt und unmittelbar nacheinander über Funk gesendet. Eine solche Einheit bezeichnet man als Symbol. Die Funksymbolrate definiert, wie viele Symbole pro Sekunde übertragen werden können.

Bei der häufig mit preiswerten Funkchips verwendeten Modulationsart 2-(G)FSK, wird ein Bit pro Symbol übertragen. Beim Funkchip, der in dieser Anwendung eingesetzt werden soll, kann mit 2-(G)FSK eine maximale Funksymbolrate von 250‘000 Symbol/s eingestellt werden. Nun kann berechnet werden, wie viele Bytes so pro Millisekunde maximal übertragen werden können.

250’000 Bit/s = 250 Bit/1ms = 31.25 Bytes/1ms

Mit einer Symbolrate von 250’000 Bit/s können also etwa 31 Bytes pro Millisekunde übertragen werden. Für die Übertragung von 40 Bytes pro Funktelegramm würde somit etwas mehr als eine Millisekunde benötigt. Die geforderte Reaktionszeit kann so nicht erreicht werden. Da jede Millisekunde neue Sensordaten übertragen werden müssen, muss eine Lösung gefunden werden, um die Dauer des Funktelegramms auf weniger als eine Millisekunde zu verkürzen. 

Glücklicherweise besitzt der Funkchip mit 4-FSK eine zusätzliche Modulationsart. Bei dieser Modulationsart werden pro Symbol zwei Bits gleichzeitig übertragen. Im Vergleich zu 2-(G)FSK kann somit die doppelte Menge Bits pro Symbol übertragen werden. Mit 4-FSK kann eine maximale Symbolrate von 300‘000 Symbol/s eingestellt werden. 300‘000 Symbol/s sind somit 600’000 Bit/s = 600 Bit/1ms = 75 Bytes/1ms. Dabei ist zu beachten, dass die Bits für die Synchronisation und die Startkennung am Anfang des Funktelegramms nur mit der Modulationsart 2-FSK gesendet werden. Das Funktelegramm dauert somit etwa 0.63 Millisekunden und die geforderte Reaktionszeit der Funkübertragung kann so erreicht werden.

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Gemessene Dauer des Funktelegramms

Was sind die Nachteile?

Je höher die Funksymbolrate ist, desto grösser ist die verwendete Bandbreite des zur Verfügung stehenden Frequenzspektrums. Dies ist vergleichbar mit dem Strassenverkehr. Je mehr Ware gleichzeitig transportiert werden muss, desto grösser und breiter wird das benötigte Fahrzeug. Ein breiteres Fahrzeug benötigt einen grösseren Teil (Bandbreite) der zur Verfügung stehenden Strassen. Je grösser die verwendete Bandbreite des Frequenzspektrums ist, desto kleiner wird die Funkreichweite.

Ein weiterer Punkt, welcher beachtet werden musste, ist die Erfüllung der Funknorm. Im verwendeten 433 MHz Frequenzband darf mit maximaler Sendeleistung von 10mW nur während 10% der Zeit gesendet werden. Da wir aber etwa 63% der Zeit aktiv senden, muss die Sendeleistung auf 1mW begrenzt werden, was die bereits reduzierte Reichweite nochmals um etwa die Hälfte reduziert.

Da bei dieser Anwendung eine Reichweite von nur etwa 10 Metern benötigt wird, ist dies kein Problem. Bei anderen Anwendungen, die eine möglichst hohe Reichweite benötigen, ist es somit nicht sinnvoll, eine Funkübertragung mit so hoher Funksymbolrate zu wählen.


Fazit

Die am Anfang beschriebene Anforderung von einer sehr kurzen Reaktionszeit der Funkübertragung kann mit einer hohen Symboldatenrate und einer möglichst kleinen Datenmenge erreicht werden. Die dadurch verringerte Reichweite ist bei dieser Anwendung unproblematisch. Die Funkübertragung konnte erfolgreich in Betrieb genommen werden.

Andere Anwendungen benötigen eine möglichst hohe Reichweite. Bei solchen Anwendungen ist es sinnvoll, eine deutlich tiefere Symbolrate zu verwenden. Dadurch wird die benötigte Bandbreite des Frequenzspektrums kleiner und somit die Reichweite grösser. Jedoch wird dadurch auch die Reaktionszeit der Funkübertragung deutlich erhöht. Wird zum Beispiel eine Temperatur eines Raums zur Überwachung der Heizung an eine Zentrale übermittelt, ist eine Reaktionszeit der Funkübertragung von einer halben Sekunde oder länger absolut ausreichend. 

„Es kann nicht für jeden Kunden die gleiche Funkübertragung verwendet werden. Es muss immer ein Kompromiss zwischen Reaktionszeit, Reichweite, Zuverlässigkeit und weiteren Faktoren der Funkübertragung gefunden werden. Anhand der Anforderungen der Anwendung entwickeln wir für unsere Kunden eine Funkübertragung mit einem möglichst optimalen Kompromiss zwischen all diesen Faktoren.“ 

 


Ihr Autor

M. Nyffeler
Entwicklung & Produktion
Elektrotechniker HF

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M. Nyffeler