Leistungsstarke ISM-Funkband-Transceiver, Receiver und Transmitter – Sub 1GHz-, 2,4GHz- und 5GHz-Lösungen für industrielle Anwendungen

ISM (Industrial, Scientific and Medical) bezeichnet lizenzfreie Funkfrequenzbereiche, die ursprünglich – wie der Name schon aussagt – für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen vorgesehen waren. Geräte, die ISM-Bänder nutzen, benötigen lediglich eine allgemeine Zuteilung der Frequenzverwaltung. Einige ISM-Bänder werden auch für Audio-, Video- oder Datenübertragungen wie WLAN oder Bluetooth verwendet.

Die Nutzung ist in Allgemeinzuteilungen geregelt, die auf der Internetseite der Bundesnetzagentur einsehbar sind.

Weltweit sind folgende Frequenzbereiche als ISM-Bänder ausgewiesen:

• 6.765 MHz – 6.795 MHz
• 13.553 MHz – 13.567 MHz
• 26.957 MHz – 27.283 MHz
• 40.66 MHz – 40.70 MHz
• 433.05 MHz – 434.79 MHz
• 902 MHz – 928 MHz
• 2.4 GHz – 2.5 GHz
• 5.725 GHz – 5.875 GHz
• 24 GHz – 24.25 GHz
• 61 GHz – 61.5 GHz
• 122 GHz – 123 GHz
• 244 GHz – 246 GHz

Anwendungen in diesen Bändern können Genehmigungen der regionalen Behörden erfordern. In Deutschland sind zusätzlich der Bereich von 9–10 kHz und die Frequenz 150 MHz als ISM-Bänder freigegeben. ISM-Bänder werden vielfältig genutzt, z. B. für Mikrowellenherde, WLAN, Bluetooth, Babyphone, Radar-Bewegungsmelder, Funkschalter und vieles mehr.

SRD-Bänder (SRD = Short Range Devices) sind Frequenzbereiche für Funkanwendungen mit geringer Sendeleistung und demzufolge kurzer Reichweite. Diese sind in vielen Ländern standardisiert und für Anwendungen wie Funkfernbedienungen, Sensoren und Smart-Home-Geräte vorgesehen.

Die Geräte müssen nationale Bestimmungen und internationale Standards einhalten, was durch die CE- oder vergleichbare Kennzeichnungen dokumentiert wird.

Short Range Devices (SRD) nutzen eine Vielzahl von Frequenzbereichen, die je nach Anwendung und Region variieren.

Hier sind die wichtigsten Frequenzbereiche:

• 6,765–6,795 MHz: Maximal zulässige magnetische Feldstärke von 125 μA/m in 10 m Entfernung.
• 13,553–13,567 MHz: 10 mW ERP.
• 26,957–27,283 MHz: 10 mW ERP.
• 40,660–40,700 MHz: 10 mW ERP.
• 149,025–149,1125 MHz: Spezifische Anwendungen wie Freenet in Deutschland.
• 169,400–169,8125 MHz: Mit unterschiedlichen Sendeleistungen (10 mW bis 500 mW).
• 433,05–434,79 MHz: Ehemals für Low Power Devices (LPD), heute für SRDs mit begrenzter Nutzung in Europa.
• 446,0–446,2 MHz: PMR-Funk (Personal Mobile Radio) mit analogen und digitalen Kanälen (bis zu 500 mW ERP).
• 863–870 MHz: Unterteilt in Subbänder für verschiedene Anwendungen.
• 2,4 GHz und höher: Für drahtlose Technologien wie WLAN.

• ISM-Bänder sind für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen vorgesehen, werden aber oft für allgemeine Kommunikationssysteme genutzt.
• SRD-Bänder sind speziell für Kurzstrecken-Funkanwendungen reserviert und unterliegen strengeren Vorschriften zur Sendeleistung und Bandbreite.

Die Nutzung ist lizenzfrei, aber es gibt Einschränkungen:

• Maximale Sendeleistung (z. B. 25 mW bei 868 MHz in Europa)
• Begrenzte Sendezeit (Duty Cycle)
• Spezifische Frequenzbereiche je nach Land
• Zulassung nach CE (Europa) oder FCC (USA)

Die gesetzlichen Einschränkungen für die Sendeleistung von ISM- und SRD-Geräten variieren je nach Frequenzband und Region. Hier sind die wichtigsten Vorgaben:

ISM-Bänder: Die Sendeleistung in ISM-Bändern ist durch nationale und internationale Regelungen begrenzt, um Störungen mit anderen Diensten zu vermeiden.

Beispiele:

• 2.4–2.5 GHz: Max. 100 mW (20 dBm) für Wi-Fi und Bluetooth (Europa).
• 433.05–434.79 MHz: Max. 10 mW ERP (Europa).
• 5.725–5.875 GHz: Max. 25 mW (Europa).
• 13.553–13.567 MHz: Max. 10 mW ERP.

ISM-Geräte müssen zudem elektromagnetische Verträglichkeitsanforderungen erfüllen und dürfen keine anderen Funkdienste stören.

SRD-Bänder: SRD-Geräte haben spezifische Einschränkungen bezüglich der Sendeleistung, die ebenfalls je nach Frequenzband variieren:

• 6.765–6.795 MHz: Max. 42 dBµA/m bei 10 m.
• 863–870 MHz: Max. 25 mW ERP (z.B. Smart-Home-Geräte).
• 446 MHz: Max. 500 mW ERP für PMR-Radios.
• 24–24.25 GHz: Max. 100 mW ERP.

SRD-Geräte sind lizenzfrei nutzbar, müssen jedoch Störungen durch andere primäre oder sekundäre Dienste hinnehmen.

In einigen Frequenzbereichen gelten zusätzliche technische Anforderungen wie:

• Dynamische Frequenzwahl (DFS) und Leistungsregelung (TPC) im 5-GHz-Band.
• Einschränkungen auf Innenraumnutzung bei bestimmten Bändern (z. B. im Bereich von 5,150–5,350 GHz).

Diese Regelungen dienen der Koexistenz verschiedener Funkanwendungen innerhalb derselben Frequenzbereiche.

ISM- und SRD-Bänder werden für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt. Hier sind die typischen Einsatzgebiete:

ISM-Bänder

• Kommunikationstechnologien: WLAN, Bluetooth, Zigbee, NFC, LoRa, Z-Wave und Thread für drahtlose Netzwerke und IoT-Anwendungen.
• RFID-Systeme: Häufig in den Frequenzen 13,56 MHz und 915 MHz für Zugangskontrollen, Zahlungsdienste und Logistik.
• Medizinische Anwendungen: Diathermie, Hyperthermie-Therapie und RF/Mikrowellenablation.
• Haushaltsgeräte: Mikrowellenherde und andere Induktionsheizgeräte.
• Industrieanwendungen: Hochfrequenzschweißen und industrielle Radarsysteme.

SRD-Bänder:

• Sicherheits- und Alarmsysteme: Rauchmelder, Bewegungsmelder und soziale Alarme.
• Automobiltechnik: Fahrzeugradarsysteme, Fernbedienungen für Autoschlüssel und Garagentoröffner.
• Fernsteuerung: Funkthermometer, Funksteuerung für Modelle und Heimauto­mati­sierungs­systeme.
• Medizinische Implantate: Geräte wie Herzschrittmacher oder drahtlose Sensoren.
• Telemetrie und Messsysteme: Stromzähler, Verkehrsmanagementsysteme und Fernüberwachung.

Beide Bereiche bieten lizenzfreie Nutzungsmöglichkeiten für Kommunikation mit geringer Reichweite und Sendeleistung.

ISM- und SRD-Bänder sind mit verschiedenen Einschränkungen verbunden, die durch technische, regulatorische und physikalische Faktoren bedingt sind. Hier sind die wichtigsten Punkte:

Störungen:

1. Elektromagnetische Interferenzen (EMI):
   • ISM-Geräte wie Mikrowellenherde oder industrielle RF-Anwendungen erzeugen starke elektromagnetische Felder, welche die Funkkommunikation in denselben Frequenzbändern stören können.
   • SRD-Geräte können sich gegenseitig stören, insbesondere bei hoher Bandnutzung und fehlender Synchronisation, was zu Kollisionen bei der Kanalnutzung führen kann.
2. Überlastung durch hohe Nutzungsdichte:
   • Häufig genutzte Bänder wie das 2,4-GHz-ISM-Band sind stark ausgelastet durch WLAN, Bluetooth und andere Anwendungen, was die Zuverlässigkeit der Kommunikation beeinträchtigen kann.
3. Unerwünschte Emissionen:
   • Geräte können unbeabsichtigt Signale außerhalb ihrer zugewiesenen Frequenzbänder/Kanäle aussenden, was zu Störungen benachbarter Dienste führen kann. Vorschriften beschränken solche Emissionen streng.
4. Kanalzugangskollisionen:
   • In SRD-Bändern können Signalkollisionen aufgrund unsynchronisierter Spektrumzugangsmethoden auftreten (z.B. wenn unabhängige Funksysteme denselben Kanal in unmittelbarer Nähe zueinander verwenden), was die Effizienz der Spektrumnutzung verringert.

Einschränkungen:

5. Begrenzte Sendeleistung:
   • Die maximale Sendeleistung ist je nach Frequenzband begrenzt (z.B. 100 mW im 2,4 GHz-Band für ISM-Geräte und bis zu 25 mW in bestimmten SRD-Bändern).
6. Duty Cycle Limits:
   • SRD-Geräte dürfen nur begrenzt senden (z.B. maximal 10% der Zeit in bestimmten Bändern), um Störungen zu minimieren.
7. Frequenzeinschränkungen:
   • Einige Frequenzbereiche sind ausschließlich für bestimmte Dienste reserviert oder unterliegen strengen Einschränkungen. D.h., sie können nicht von „unspezifischen“ Kurzstreckengeräten verwendet werden.
8. Technische Anforderungen:
   • Funktionen wie Frequenzagilität (Adaptive Frequency Allocation) oder „Listen Before Talk“ müssen implementiert werden, um die Koexistenz mit anderen Geräten zu verbessern.
9. Kein Schutzrecht:
   • Nutzer von ISM-Bändern sind nicht vor Störungen durch andere ISM-Geräte geschützt und müssen solche Störungen akzeptieren.

Zusammenfassend erfordert die Nutzung von ISM- und SRD-Bändern sorgfältige Planung, um Störungen zu minimieren und die Einhaltung regulatorischer Anforderungen sicherzustellen.

Als Beispiele zeigen die folgenden Listen die maximalen Sendeleistungs- oder Feldstärkegrenzen für die häufigsten ISM- und SRD-Bänder in Europa:

ISM-Bänder:

• 6.765–6.795 MHz: 42 dBµA/m @ 10 m
• 13.553–13.567 MHz: 10 mW ERP oder 42 dBµA/m
• 26.957–27.283 MHz: 10 mW ERP oder 42 dBµA/m
• 433.05–434.79 MHz: 10 mW ERP
• 2.4–2.5 GHz: 100 mW (20 dBm)
• 5.725–5.875 GHz: 25 mW
• 24–24.25 GHz: 100 mW ERP
• 61–61.5 GHz: 100 mW ERP

SRD-Bänder: Gleiche Werte wie oben, bei Überlappungen.

• 863–870 MHz:

• Allgemein: 25 mW ERP

• 869.4–869.65 MHz: 500 mW ERP (10% Duty Cycle)

• 446 MHz (PMR446): 500 mW ERP

• 57–64 GHz: 100 mW ERP für Breitbanddaten

Einschränkungen: Die Nutzung dieser Bänder unterliegt zusätzlichen Anforderungen wie Duty Cycle Limits (z.B. max. 1% oder 10% Sendezeit) und Interferenzminderungstechniken (z.B. DFS und TPC).

Die Reichweite hängt von der Frequenz, der Sendeleistung, der Empfängerempfindlichkeit, den Umgebungsbedingungen, den Antenneneigenschaften und anderen Faktoren ab. Wände, Gebäude und Störungen können die Reichweite erheblich reduzieren.

Eine spezifische Reichweite kann nur unter klar definierten Bedingungen angegeben werden.

Die Reichweite kann theoretisch anhand des Link-Budgets und der "Freiraumformel" berechnet werden. Die tatsächlich erreichbare Reichweite muss jedoch mit den spezifischen RF-Modulen in der Praxis überprüft werden.

Die Optimierung des Funkverkehrs in den ISM- und SRD-Bändern kann durch verschiedene technische und organisatorische Maßnahmen erreicht werden. Hier sind die wichtigsten Ansätze:

Technische Maßnahmen:

1. Antenne Implementierung:
   • Auswahl einer Antenne, die für die beabsichtigte Anwendungsumgebung geeignet ist und effizient arbeitet
   • Optimierung der Antenneninstallation innerhalb der Anwendungsumgebung
2. Antennenanpassung:
   • Eine ordnungsgemäße Anpassung zwischen der Antenne und der RFIO des Senders ist ebenfalls ein Schlüsselfaktor für eine gute und effiziente Funkkommunikation
   • Die Antennenanpassung sollte in der endgültigen Anwendungsumgebung überprüft und optimiert werden
3. Frequenzmanagement:
   • Dynamische Frequenzauswahl (DFS) und Spektrums­sensortechniken können Störungen minimieren, indem sie freie Kanäle identifizieren und nutzen.
4. Optimierung der Frequenzsprungtechniken:
   • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) reduziert Störungen, indem Übertragungen auf mehrere Trägerfrequenzen verteilt werden. Dies ist besonders nützlich in stark genutzten Bändern wie dem 2,4 GHz-Band.
5. Duty Cycle Limits:
   • Die Begrenzung der Sendezeit (z. B. 1% oder 10%) reduziert Störungen und ermöglicht es mehreren Geräten, innerhalb desselben Bandes koexistieren zu können.
6. Signalfilterung:
   • Der Einsatz hochwertiger Filter kann dazu beitragen, unerwünschte Emissionen in Sendern zu reduzieren und die Selektivität der Empfänger zu verbessern.
7. Adaptive Modulation und Codierung:
   • Die Anpassung der Modulations- und Kodierungsschemata an die Kanalbedingungen erhöht die Robustheit der Kommunikation.

Organisatorische Maßnahmen:

1. Koexistenzplanung:
   • Bereits vor der Installation drahtloser Systeme sollten potenzielle Störungen durch andere Funkdienste analysiert und minimiert werden.
2. Spektrumsüberwachung:
   • Die regelmäßige Überwachung der genutzten Frequenzen gewährleistet, dass keine unbefugten Störungen auftreten.
3. Standards Konformität:
   • Die Einhaltung internationaler und – sofern zutreffend – nationaler Standards, wie z.B. CE-Kennzeichnung und spezifische Frequenzzuweisungen, gewährleistet einen störungsfreien Betrieb.

Anwendungsbeispiele

• In industriellen Anwendungen können LPWAN-Technologien wie LoRa durch ein effektives Frequenzmanagement optimiert werden.
• Für Bluetooth- und WLAN-Geräte, die parallel im 2,4 GHz-Band arbeiten, helfen Techniken wie DSSS und FHSS (Direct Sequence und Frequency Hopping Spread Spectrum), Interferenzen zu reduzieren.

Diese Maßnahmen können die Effizienz und Zuverlässigkeit der drahtlosen Kommunikation in ISM- und SRD-Bändern erheblich verbessern.