26. Mai 2023 – Hansjürg Schluep
Planung von Wireless Netzwerken
im Outdoor-Bereich
Gründe dafür, sich mit der Konzeption, Planung und Realisation – oder mit der umfassenden Optimierung – eines drahtlosen Daten- und Kommunikationsnetzwerks zu befassen, gibt es viele. Sei es der technische Fortschritt, gestiegene Anforderungen an die zu handelnde Menge an Daten oder Teilnehmern, regulatorische Anpassungen oder der komplette Neuaufbau entsprechender Infrastruktur.
Soll die kommunikative Versorgung dabei nicht innerhalb eines Gebäudes oder Gebäudekomplexes erfolgen, sondern im Aussenbereich stattfinden, sind eine ganze Reihe Dinge, Vorgaben und Herausforderungen zu beachten.
Wie Sie die Planung eines Wireless-Netzwerks im Outdoor-Bereich am besten angehen, woran Sie dabei unbedingt denken sollten – und wann, verrate ich Ihnen heute einmal in groben Zügen. Egal ob es in Ihrem Vorhaben darum geht,
- einen Technologiewechsel von analoger hin zu digitaler Funkkommunikation zu vollziehen,
- einen möglichst störungsfreie, verlässliche Datenübertragung mit minimalem Energieeinsatz sicherzustellen,
- die Kapazität eines vorhandenen Netzwerkes erheblich zu erweitern.
oder ein komplett neues Hochleistungsnetz für den digitalen Datenaustausch in Highspeed und nach neuesten Standards zu realisieren:
In diesem Einsteigertext erfahren Sie, worauf es bei der strategischen Planung und der nachfolgenden, effizienten sowie kosten- und ressourcensparenden Realisation eines Wireless Netzwerks im Outdoor-Bereich wirklich ankommt.
First things first: Anforderungen an das Netzwerk definieren
Bevor es mit der konkreten Planung eines Wireless-Netzwerkprojekt losgehen kann, sollten zunächst die wichtigsten Determinanten bestimmt werden, die den Projekterfolg beeinflussen – und damit alle strategischen Vorüberlegungen leiten sollten. Stellen Sie sich am besten folgende Frage:
» Was soll das zu erstellende oder zu optimierende Wireless Netzwerk eigentlich alles leisten können – jetzt und in der Zukunft? «
Beginnen Sie am besten mit einer groben Aufgabendefinition und ergänzen Sie diese um konkrete Leistungsmerkmale, sogenannte Key Performance Indicators wie
- Endpunkte: Anzahl der Teilnehmer, Sensoren etc. im geplanten Wireless Netzwerk
- Komplexität: Welcher Art der zu übertragenden Daten: Geht es nur um einfach Messdaten, grössere Datenpakete und gegebenenfalls sogar um Sprachübertragung?
- Datendurchsatz: Werden nur gelegentliche Messdaten übertragen oder sollen womöglich mehrere Livestreams parallel sichergestellt werden?
- Kapazität: Wie viel muss das Netzwerk unter Volllast bewältigen – jetzt und in der Zukunft?
- Verfügbarkeit: Wie hoch muss die garantierte Verfügbarkeit des Netzwerkes angesetzt werden?
- Reichweite: Wie gross ist das zu versorgende Gebiet – und wie ist es beschaffen?
- Topologie: Welche topologischen Hindernisse gilt es zu überwinden oder zu durchdringen?
- Qualität: Wie gut muss die Netzabdeckung sein, um die gesetzten Ziele zu erreichen – und mit welchen Störsignalen ist zu rechnen? Kleiner Wermutstropfen: Um das festzustellen, braucht es für gewöhnlich externe Experten-Unterstützung. Aber dafür gibt es ja zum Glück die STRAPAG.
Zielsetzungs-Tipp vom Netzwerkprofi
Eine theoretische Analyse und Definition der wichtigsten Leistungsmerkmale eines Wireless Netzwerkprojektes ist zwar eine hervorragende Grundlage, sollte Sie aber keinesfalls davon abhalten, in dieser frühen Planungsphase bereits das Gespräch mit allen wichtigen internen Stakeholdern zu suchen. Fragen Sie in den betroffenen Abteilungen, Unternehmensbereichen oder bei den wichtigsten Nutzern des zu planenden Netzwerks aktiv nach, was sich diese erhoffen.
So lassen sich beispielsweise gegenläufige oder unrealistische Zielvorstellungen rechtzeitig identifizieren und damit frühzeitig klären.
Auswahl der geeigneten Wireless Netzwerktechnologie
Je nachdem, wie Ihre Anforderungen sich gestalten, stehen typischerweise oft gleich mehrere mögliche Technologien zur Verfügung, mit denen sich Ihr Vorhaben zielsicher realisieren liesse. Allerdings haben die verschiedenen Ansätze allesamt ihre Stärken und Schwächen. Manche sind besonders verlässlich, aber nicht sonderlich leistungsstark oder bieten keine ausreichende Kapazität, um das benötigte Datenvolumen zu bewältigen. Wieder andere sind schlichtweg zu kostenintensiv oder erzeugen nicht genug Reichweite.
Ein wichtiger Aspekt ist zudem, welche Frequenzbänder und Technologien beispielsweise bei bestehenden Netzen bereits eingesetzt werden oder für die Anwendung in einem neuen Netz noch frei und zur Verfügung stehen. Hier gilt es dann abzuwägen und diejenige Technologie zu wählen, die unter den gebetenen Limitierungen das beste Ergebnis liefern könnte.
Ein guter Grund, um an dieser Stelle einmal auf einige (aber natürlich längst nicht alle) der gängigsten Technologien zum Aufbau und Betrieb eines Drahtlosnetzwerks im Aussenbereich einzugehen:
LoRa (Long Range Wide Area Network)
Die LoRa-Technologie, kurz für Long Range Wide Area Network, ist eine effiziente und weitreichende Netzwerktechnologie, die besonders für IoT-Anwendungen geeignet ist. Sie verbraucht wenig Energie und dringt mühelos durch Mauern und Schächte. Dadurch eignet sie sich hervorragend für batteriebetriebene Sensoren, die nur sporadisch Daten wie Feuchtigkeit, Belegung, Temperatur oder Zählerstände übermitteln müssen.
Der grösste Vorteil dieser Technologie: Ihre geringen Kosten für ein grossflächiges Wireless Netzwerk, erst recht im Vergleich zu kabelgebundenen Netzwerklösungen. Denn damit werden Einsparungen möglich, die sich besonders bei grossen Distanzen und abzudeckenden Arealen wie in der Landwirtschaft oder bei der Zählerstandablesung von Versorgungsunternehmen sprichwörtlich bezahlt machen.
Weniger praktisch: Die sehr geringe Datenübertragungsrate macht LoRa-Netzwerke für Projekte und Anwendungen mit hohem Datenaufkommen leider völlig unbrauchbar. Zudem kann es bei einer hohen Anzahl von Sensoren in einem Netzwerk zu Überlastungen kommen.
Fazit vom Wireless-Profi
LoRa-Technologie eine kostengünstige und energieeffiziente Lösung für IoT-Anwendungen, die nur gelegentlich Daten übertragen müssen. Obwohl sie einige Einschränkungen hinsichtlich der Datenübertragungsrate und Netzwerkkapazität hat, bietet sie dennoch erhebliche Vorteile gegenüber anderen drahtlosen und kabelgebundenen Alternativen. Dafür kann jeder kann ein solches Netz aufbauen, da es im lizenzfreien Frequenzbereich betrieben wird.
DMR (Digital Mobile Radio)
DMR, das Digital Mobile Radio, ist eine moderne und effiziente Wireless-Technologie, die sich besonders für Betriebsfunkaufgaben eignet. Im Vergleich zu anderen digitalen Funktechnologien wie TETRA ist DMR günstiger und einfacher. Dennoch lässt sich auch mit DMR das Frequenzband im Vergleich zur analogen Funktechnik effizienter nutzen.
Ein weiterer Vorteil von DMR gegenüber analogen Funknetzwerk-Lösungen liegt in der verbesserten Sprachqualität. Denn digitale Sprachsignale behalten stets die gleiche Qualität bei. Bei analogem Funk nimmt die Sprachqualität dagegen meist mit zunehmender Distanz ab.
DMR ermöglicht darüber hinaus doppelt so viele Sprachkanäle wie analoger Funk und ist oft bis zu einem gewissen Grad mit bestehenden Funkanlagen kompatibel. Das erleichtert die Umrüstung auf DMR, da Teile der vorhandenen Infrastruktur und Hardware beibehalten oder modifiziert werden können. Die Folge: geringere Umrüstungskosten.
Fazit vom Wireless-Profi
DMR eine leistungsstarke, kostengünstige und effiziente digitale Funktechnologie, die eine bessere Sprachqualität und mehr Kanäle als analoger Funk bietet. Die Kompatibilität mit bestehenden Anlagen und die Möglichkeit, vorhandene Infrastruktur zu nutzen, machen DMR zu einer attraktiven Option für viele Modernisierungsprojekte im Bereich des Betriebsfunks.
Ist digital immer besser als analog?
Tatsächlich bieten digitale Netzwerk- und Funktechnologien gegenüber analogen Systemen viele Vorteile wie einen deutlich höheren Datendurchsatz, oftmals bessere Sprachqualität oder eine effizientere Nutzung der begrenzt zur Verfügung stehenden Frequenzen. Dennoch hat auch die analoge Technologie ihre Stärken, etwa im Rahmen von Sprechfunkverbindungen in extrem lärmreichen Umgebungen – gerade auf kurze Distanz. Das liegt daran, dass bei der digitalen Übertragung gewisse Höhen und Tiefen im Sprechfunk „abgeschnitten“ werden. Analog bleiben diese dagegen erhalten.
Ein Umstand, in etwa Vergleichbar mit einem Phänomen, das auch aus der Welt der Fotografie bekannt ist. Denn auch hier zeigt sich, dass analoge Bildaufnahmen mit besonders hochwertigen, analogen Spiegelreflexsystemen ihren digitalen Megapixel-Konkurrenz bei Bildschärfe, Bildtiefe und der entsprechenden Bildqualität oft noch immer überlegen sind.
Abbildung 1: Digitale und analoge Wireless-Netzwerk und Funksignale im Vergleich
TETRA (Terrestrial Trunked Radio) / Tetrapol
TETRA, eine Abkürzung für Terrestrial Trunked Radio, ist eine fortschrittliche digitale Wireless Netzwerktechnologie, die sich insbesondere für regionale, überregionale und landesweite einsatzkritische Anwendungen eignet.
Häufig kommt TETRA daher bei Blaulichtorganisationen wie Polizei, Feuerwehr und Rettungsdiensten oder Verkehrsbetriebe zum Einsatz. Obwohl die Technologie viele Ähnlichkeiten mit DMR aufweist, sind TETRA-Netzwerke deutlich komplexer und teurer – bietet aber auch zusätzliche Funktionen und wichtige Vorteile. Bei TETRA und Tetrapol, das vor allem in Europa (und in Form von Polycom auch in der Schweiz) für den Behördenfunk eingesetzt wird, handelt es sich um sogenannte Bündelfunksysteme für Sprach- und Datenübertragung.
Die TETRA-Technologie zeichnet sich beispielsweise durch eine robuste Verschlüsselung und ausgefeilte Authentifizierung aus. So ist die Vertraulichkeit der übertragenen Informationen zu einem hohen Grad gewährleistet. Außerdem ermöglicht TETRA eine professionelle und effiziente Gruppenkommunikation sowie die Priorisierung von Gesprächen. Eigenschaften, die gerade für Einsatzkräfte von entscheidender Bedeutung sein können.
Fazit vom Wireless-Profi
Trotz der höheren Komplexität und Kosten bietet TETRA erhebliche Vorteile für Organisationen mit hohen Anforderungen an Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Insgesamt ist TETRA eine leistungsfähige und zuverlässige Kommunikationslösung für einsatzkritische Anwendungen, bei denen schnelle und sichere Kommunikation unerlässlich ist.
FRMCS - 5G (Future Railway Mobile Communication System)
FRMCS, kurz für Future Railway Mobile Communication System, ist eine innovative digitale Technologie für Wireless Netzwerke für den Schienenverkehr. Sie soll in den kommenden Jahren die bestehenden GSM-R (Global System for Mobile Communications – Railway) Funknetze im europäischen Schienennetzverkehr und in der Schweiz ersetzen.
Kein Wunder, denn die zugrundeliegende 5G-Technologie ist deutlich flexibler als GSM und bietet zahlreiche Vorteile gegenüber den bisherigen Kommunikationslösungen im Schienenverkehr.
So ermöglicht es 5G beispielsweise, auf einzelnen Teilen des Frequenzbandes Funktionen parallel zu realisieren (Network Slicing), die sich mit anderen Technologien meist nur einzeln umsetzen liessen. Ein weiterer großer Vorteil der 5G-Technologie sind zudem die extrem schnellen Antwortzeiten. Die niedrige Latenz ermöglicht eine schnellere Kommunikation (Real Time) als mit anderen Systeme, was gerade für die Steuerung und Überwachung von Schienenverkehrssystemen neue Möglichkeiten mit sich bringt.
Fazit vom Wireless-Profi
FRMCS auf Basis der 5G-Technologie stellt eine vielversprechende und zukunftsweisende Kommunikationslösung für den Schienenverkehr dar. Die Flexibilität, Schnelligkeit und Skalierbarkeit von 5G bieten ein enormes Potenzial für die Optimierung und Weiterentwicklung der Kommunikationssysteme im europäischen Schienennetz und darüber hinaus.
Gut geplant ist halb genehmigt: Netzwerk-Planung strategisch angehen
Ist eine geeignete Technologie für den Auf- oder Ausbau des angestrebten Wireless Netzwerkes im Outdoor-Bereich gefunden, kann es endlich mit der eigentlichen Planung losgehen.
Technologiepartner auswählen
Dabei sollten Sie sich zunächst auf die Auswahl des bestmöglichen Technologiepartners konzentrieren. Denn je nach gewünschter Netzwerktechnologie gibt es gleich eine ganze Reihe technischer Hardware- und Infrastrukturanbieter, spezialisierter Bauunternehmen und Softwaredienstleister.
Spätestens an dieser Stelle macht es sich übrigens mehr als bezahlt, einen erfahrenen Beratungs- und Planungspartner an der eigenen Seite zu wissen. Denn spezialisierte Consultingdienstleister wie die STRAPAG AG kennen sich nicht nur hervorragend mit allen Technologien und den entsprechenden Anbietern aus. Sie navigieren Sie auch sicher durch die Untiefen verwaltungstechnischer Genehmigungsverfahren, medien- und anwohnerbedingten Gegenwind oder liefertechnische Meerengen.
Machbarkeit sicherstellen und Link Budget berechnen
Stehen alle grundsätzlichen Entscheidungen rund um Zielsetzung, Technologie sowie potenzielle Umsetzungspartner fest, ist es an der Zeit, die minimale Pegel- und Qualitätsanforderung zu definieren. Sprich: Den Zielwert, wie viel das Netzwerk leisten können muss, um seiner Aufgabe (auch in den nächsten Jahren) gerecht werden zu können.
Hierfür muss das sogenannte Link Budget (Leistungsübertragungsbilanz) durch Definition (Addition)
- der Serviceanforderung (Datenrate)
- der Sendeleistung,
- der Empfängerempfindlichkeit,
- den Dämpfungswerten (Kabel, Verteiler, Gebäude usw.),
- des Antennengewinns.
und verschiedener Signalreserven berechnet werden.
Netzwerksimulation durchführen
Mit dem Link Budget als Zielwert kann im nächsten Schritt die eigentliche konzeptionelle und planerische Kernarbeit beginnen. Denn nun geht es daran, den Aufbau und die Leistung des zu erstellenden Netzwerkes festzulegen. In der modernen Netzwerkplanung greifen erfahrene Wireless Engineers heute auf leistungsfähige Simulationssoftware zurück, durch welche die hochkomplexe Netzwerkplanung deutlich schneller und effektiver vonstattengeht als noch vor einigen Jahren.
Dennoch müssen in dieser Phase riesige Datenmengen, Informationen sowie topologische Begebenheiten, Hindernisse und Einschränkungen, mögliche Störquellen sowie rechtliche und regulatorische Aspekte miteinander verknüpft und von erfahrenen Netzwerkplanern in Einklang gebracht werden, um das bestmögliche, realisierbare und kosteneffizienteste Ergebnis zu erzielen.
Ziel der Simulation sollte übrigens immer sein, mit so wenig Aufwand und Sendern wie möglich ein optimales Ergebnis im Einklang mit dem zuvor berechneten Link Budget und den Anforderungen zu erzielen. So gilt bei er Netzwerkplanung beispielsweile nicht der Grundsatz „Viel hilft viel!“ – ganz im Gegenteil. Denn oft lässt zwar mit einem Mehr an Hardware und Infrastruktur auch mehr Kapazität erzielen, allzu oft aber zu Lasten der Qualität. Schliesslich können sich zu viele Sender auch gegenseitig stören.
Wie lange dauert ein Wireless Netzwerk-Projekt im Schnitt?
Sie werden es wahrscheinlich ahnen: Eine allgemeine Aussage, wie viel Projektzeit von der ersten Idee bis zur Inbetriebnahme eines neuen Wireless Netzwerks vergeht, hängt von vielen individuellen Faktoren ab. Eine grosse Unbekannte sind dabei jeweils die Bewilligungsverfahren, welche je nach Standort und Kanton unterschiedlich ausfallen können.
Planungstipp vom Wireless-Netzwerkprofi
Ob nun im kleinen, mittleren oder grossen Rahmen: Bei der detaillierten Planung der einzelnen Sender- und Empfängerstandorte für kabellose Netzwerkprojekte kommt es immer wieder zu „kritischeren Standorten“, die zwar aus planerischer Sicht optimal erscheinen, womöglich jedoch nicht realisierbar sein könnten. Sei es aus regulatorischen Gesichtspunkten, etwa aufgrund der Strahlenschutzverordnung (NISV), unsicheren Baugenehmigungsverfahren oder baulichen Auflagen..
In diesem Fall sollten diese Standorte unbedingt priorisiert in der Planung behandelt und gegebenenfalls eine Vorabklärung mit der zuständigen Entscheidungsstelle eingeleitet werden. Denn falls zentrale Standorte nicht realisiert werden können, müssen schnellst möglich Alternativen gesucht werden, um den Netzaufbau nicht zu verzögern.
Dennoch lassen sich aus über 15 Jahren STRAPAG-Erfahrung in der Konzeption, Planung, Realisation und Wartung von Funk- und Wireless Netzwerken im Outdoor-Bereich einige realistische – aber natürlich unverbindliche – Annahmen treffen:
Abbildung 2: Projektbeispiel: Konzeption, Planung, Realisation und Wartung eines Funk- und Wireless Netzwerks im Outdoor-Bereich für eine Regionalbahn
Projektbeispiel: Regionalbahn
- Anforderungsanalyse und Planungsgrundlagen 3 Monate
- Grobplanung inkl. Site Surveys 6 Monate
- Detailplanung nach Site Surveys 3 Monate
- Baueingaben (im Falle der Bahn PGV Plangenehmigungsverfahren) bis zur Baufreigabe 6-12 Monate (sehr schwer vorhersehbar – da Einsprachen möglich)
- Bau und Implantation der Lösung 6 Monate