Durchführen von Feldtests

Einführung

Beim Einrichten einer Funkverbindung lautet eine der Fragen, die sich der Nutzer stellt, im Wesentlichen: „Erreichen die Funkwellen meinen Empfänger?“ Da es sich bei Funkwellen um ein physikalisches Phänomen handelt, ist diese Frage nicht leicht zu beantworten.

Der Artikel „Funkbedingungen im Voraus prüfen“ erläuterte die Vorteile der Funksimulation. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf Feldtests, bei denen die Funkverbindung unter realen Einsatzbedingungen geprüft wird.

Sind Simulationstools ausreichend?

 

Simulationstools sind Computersimulationen, die zeigen, wie sich Funkwellen unter verschiedenen Bedingungen ausbreiten. Der Nutzer gibt Parameter wie die Sendeleistung, die Entfernung, den Antennengewinn, die Antennenhöhe und so weiter ein. Als Ergebnis wird beispielsweise angezeigt, welchen Pegel der Empfänger in einer bestimmten Entfernung vom Sender empfängt.

Mit Simulationstools ist es nicht allzu schwierig, die Ausbreitung von Funkwellen in einfachen Umgebungen, beispielsweise im freien Raum, zu modellieren. In der Praxis sind die Umgebungsbedingungen jedoch komplexer. Vegetation und andere Hindernisse können Funkwellen reflektieren, dämpfen oder blockieren. Hindernisse können außerdem die direkte Sichtverbindung verhindern, was die Übertragungsqualität beeinträchtigen kann – aber nicht zwangsläufig muss.

Was passiert außerdem, wenn Funkwellen in Innenräumen empfangen werden müssen?

Einsatz realer Funkmodule

Sobald mit Hilfe der Simulation ein ausreichender Planungsstand erreicht ist, besteht der nächste Schritt darin, die Ergebnisse durch Feldtests zu überprüfen.

Mit einem Feldtest lässt sich überprüfen, ob die Funkverbindung in der vorgesehenen Einsatzumgebung zuverlässig funktioniert. Dabei arbeiten Sie mit realen, messbaren Größen. Sie können Daten übertragen, Pakettests durchführen und die optimalen Positionen für Sender und Empfänger ermitteln.

Herausforderungen bei Feldtests

Für den Feldtest sind reale Funkmodule erforderlich, um Funkwellen tatsächlich zu senden und zu empfangen und damit eine funktionierende Funkverbindung aufzubauen. Ein Funkmodul übernimmt lediglich die Modulation und Demodulation; daher wird zusätzlich eine Datenquelle benötigt. Eine Möglichkeit besteht darin, Evaluationskits mit vorbereiteten Daten bzw. Funktionen zu verwenden, beispielsweise zur drahtlosen Steuerung von Tasten und LEDs.

Um die tatsächlichen Bedingungen der späteren Funkverbindung möglichst realistisch nachzubilden, sollten Sie für das Senden und Empfangen jedoch die Daten verwenden, die auch in der realen Anwendung übertragen werden.

Bei der Simulation sind Sie möglicherweise davon ausgegangen, dass die vorgesehene Sendeleistung uneingeschränkt abgestrahlt werden kann. Bei Feldtests müssen jedoch die für das verwendete Frequenzband geltenden Vorschriften und Grenzwerte – beispielsweise für Sendeleistung und Duty Cycle – eingehalten werden. Diese gelten selbstverständlich auch für die spätere Funkverbindung.

Welche Tests muss ich durchführen?

Aufbau

Nachfolgend ist ein Beispiel für den Aufbau eines Kommunikationstests dargestellt:

Für den Test müssen Daten gesendet und empfangen werden können; außerdem ist eine Möglichkeit zur Ansteuerung des Funkmoduls erforderlich. Dies kann beispielsweise mit einem Arduino oder einem vergleichbaren System erfolgen. Das Funkmodul übernimmt die Daten an seinem Eingang und sendet sie auf dem gewünschten Frequenzkanal. Ein zweites Funkmodul empfängt die Daten und stellt sie an seinem Ausgang bereit.

Anzeige der empfangenen Signalstärke (RSSI)

Die RSSI-Anzeige (Received Signal Strength Indicator) zeigt den momentanen Empfangspegel auf dem jeweiligen Frequenzkanal an. Der RSSI-Wert steht unabhängig davon zur Verfügung, ob gerade Nutzdaten empfangen werden. Dadurch lassen sich Änderungen des RSSI-Werts während einer Datenübertragung beobachten.

RSSI-Anschluss

Verfügt das Funkmodul über eine entsprechende Schaltung, kann es den Empfangssignalpegel erfassen und als analoge Spannung ausgeben. Beispielsweise kann ein Anschluss vorhanden sein, an dem diese Spannung in Echtzeit zur Verfügung steht.

Umwandlung von relativen Werten in absolute Werte

Der RSSI-Wert ist ein Maß für den am Empfänger anliegenden Signalpegel. Je nach Ausführung des Empfängers und der RSSI-Schnittstelle kann dieser Wert in eine absolute Spannung (z. B. µV oder dBµV) oder eine absolute Leistung (z. B. dBm) am Empfängereingang umgerechnet werden.

Gibt das Modul am RSSI-Anschluss eine analoge Spannung aus, stellt der Funkgerätehersteller üblicherweise eine Kalibrierkurve oder -tabelle bereit, mit der sich die Spannung in einen Empfangspegel in dBm umrechnen lässt.

Möglicherweise lässt sich der RSSI-Ausgang mit einem analogen Eingang der CPU oder des Arduino verbinden und in das Testprogramm integrieren. Dadurch können die Messungen weiter automatisiert werden.

Pakettest

Werden die Daten in einzelne Pakete aufgeteilt und nacheinander an einen Empfänger übertragen, lässt sich die Anzahl der gesendeten Pakete erfassen. Durch den Vergleich der Anzahl gesendeter mit der Anzahl erfolgreich empfangener Pakete kann die Zuverlässigkeit der Funkverbindung beurteilt werden.

Auswertung der Testergebnisse

Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)

Indem Sie den RSSI-Wert am Empfänger a) beim Empfang Ihres Signals und b) bei fehlendem Signal, d. h. bei reinem Rauschen, notieren, lässt sich das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) als dimensionsloses Verhältnis berechnen:

Signal-Rausch-Verhältnis =
RSSI des Empfangssignals / RSSI des reinen Rauschens

Wenn Ihre RSSI-Werte in absoluten Dezibel-Einheiten (z. B. dBm) statt in Watt angegeben sind, können Sie einfache Subtraktionen und Additionen verwenden, um Verhältnisse auszudrücken:

Signal-Rausch-Verhältnis [dB] =
RSSI des Empfangssignals [dBm] – RSSI des reinen Rauschens [dBm]                                            

Wie hoch muss Ihr SNR sein?

Damit eine Kommunikationsverbindung funktioniert, ist ein Mindestwert für das Signal-Rausch-Verhältnis erforderlich, um eine zuverlässige Übertragung zu gewährleisten. Sie können beispielsweise Ihre Pakettestergebnisse mit dem SNR abgleichen, um zu ermitteln, welcher Wert erforderlich sein könnte. Weitere Informationen zum Signal-Rausch-Verhältnis finden Sie im Artikel „Signal-Rausch-Verhältnis“.

Paketerfolgsrate

Beim Senden und Empfangen von Datenpaketen lässt sich prüfen, wie viele Pakete der Empfänger erfolgreich demodulieren und ausgeben konnte. Werden beispielsweise 100 Pakete gesendet und davon 80 erfolgreich empfangen, beträgt die Paketerfolgsrate 80 %.

Welche Paketerfolgsrate erforderlich ist, hängt von der Anwendung ab. Selbst wenn bei einem Test mit 100 Paketen eine Erfolgsrate von 100 % erreicht wird, muss dieses Ergebnis bei 500 oder 1.000 Paketen nicht zwangsläufig bestehen bleiben. Eine dauerhaft fehlerfreie Übertragung ist unter realen Funkbedingungen nicht immer zu erwarten; ein Testergebnis unter 100 % bedeutet daher nicht automatisch, dass die Funkverbindung ungeeignet ist.

Nehmen wir zum Beispiel an, Sie möchten ein einzelnes Paket mit den Messwerten eines Sensors senden. Wenn Sie dieses Paket nur einmal senden, benötigen Sie natürlich eine Erfolgsrate von 100 %, da Sie keinerlei Redundanz vorgesehen haben.

Sie gehen also davon aus, dass jede Funkkommunikation eine Erfolgsrate von weniger als 100 % aufweist. Sie könnten nun noch einen Schritt weitergehen und dasselbe Paket 100 mal senden, wodurch die erforderliche Erfolgsrate auf 1 % sinkt. Für ein einzelnes Paket ist dies übertrieben und verursacht unnötigen Übertragungsaufwand (z. B. Übertragungsdauer, Batterieverbrauch), weshalb Sie sich stattdessen dafür entscheiden, es 10 mal zu senden, wofür eine Erfolgsrate von mindestens 10 % erforderlich ist.

Diese Erfolgsraten sind jedoch lediglich Erwartungswerte. Bei zehn Übertragungen und einer Erfolgsrate von 10 % ist statistisch gesehen im Durchschnitt ein erfolgreicher Empfang zu erwarten. Dies schließt jedoch auch Fälle ein, in denen kein Paket erfolgreich empfangen wird. Eine erfolgreiche Übertragung ist daher nicht garantiert.

Ein Beispiel: Das Senden eines Pakets dauert 60 ms. Bei 100 Wiederholungen ergibt sich eine Übertragungsdauer von 6 s. Wird die Anzahl auf 10 Wiederholungen reduziert, sind es nur 600 ms, also deutlich weniger als eine Sekunde. Das ist in der Praxis wesentlich günstiger. Stellen Sie sich die Auswirkungen vor, wenn über eine Funkverbindung mehrere Empfänger in einem System nacheinander abgefragt werden müssen.

Grundrauschen

Wenn Sie den RSSI-Wert messen, während kein Nutzsignal empfangen wird, erfassen Sie im Wesentlichen den Rauschpegel auf diesem Kanal. Ein gewisser Rauschpegel ist immer vorhanden – entweder durch andere Geräte, die auf demselben Kanal senden, oder durch das Eigenrauschen des Empfängers. Durch RSSI-Messungen auf weiteren Kanälen lässt sich ein Grundrauschpegel bestimmen, mit dem der während einer Übertragung gemessene Empfangspegel verglichen werden kann.

Da der Rauschpegel im zeitlichen Verlauf schwanken kann, können sich bei einer Wiederholung des Tests unterschiedliche Ergebnisse ergeben. Daher ist es sinnvoll, die Schwankungsbreite des Rauschpegels über den Tagesverlauf zu ermitteln.

Testergebnisse darstellen

Bandaktivität

RSSI-Werte können über den einzelnen Frequenzkanälen grafisch dargestellt werden. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise die Bandbelegung und der Rauschpegel erkennen. Auch Schwankungen des Rauschpegels können so visualisiert werden.

Visuelle Darstellung des Signal-Rausch-Verhältnisses

Eine Darstellung des RSSI-Werts über der Zeit zeigt den Pegel auf einem einzelnen Kanal. Unter Testbedingungen lässt sich damit das Signal-Rausch-Verhältnis am Empfänger erkennen, indem der RSSI-Wert a) bei ausgeschaltetem und b) bei eingeschaltetem Sender betrachtet wird.

Ergebnisse auf einer Karte darstellen

Messwerte können zusammen mit GPS-Positionsdaten erfasst und einem Standort zugeordnet werden. Anschließend lassen sich Werte wie Signal- und Rauschpegel auf einer zweidimensionalen Karte des Messgebiets darstellen.

Fazit

Wird meine Kommunikationsverbindung funktionieren?

Nachdem alle Messergebnisse vorliegen, muss die geplante Funkverbindung abschließend bewertet werden.

Sie haben SNR-Messungen durchgeführt und diese mit der Paketerfolgsrate in Beziehung gesetzt. Außerdem haben Sie untersucht, wie stark der Rauschpegel im Tagesverlauf schwankt.

1. Bestimmen Sie zunächst die für Ihre Anwendung erforderliche Paketerfolgsrate. Ausgehend vom vorherigen Beispiel mit einer Paketerfolgsrate von 10 % können Sie versuchen, den dafür erforderlichen SNR-Wert zu bestimmen.
2. Anschließend müssen Sie die Schwankungen des Rauschpegels bestimmen und bei der Festlegung des erforderlichen Signal-Rausch-Verhältnisses berücksichtigen. Sobald der erforderliche SNR-Wert feststeht, können Sie die Rahmenbedingungen für eine zuverlässige Funkverbindung festlegen.

Durch dieses Vorgehen können Sie die Funkverbindung gezielt optimieren und eine möglichst robuste Kommunikation gewährleisten.