Wi-Fi 6(E): Booster der industriellen WLAN-Infrastruktur

Zuverlässiges als auch leistungsstarkes WLAN gehört heutzutage zur unentbehrlichen Grundversorgung von Industrieunternehmen und ist damit ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung der Digitalisierung. Somit werden in Firmen effektive Kommunikationswege garantiert und eine wesentlich höhere Produktivität erzeugt.

WLAN, Abkürzung für „Wireless Local Area Network“, ist der Überbegriff für diese kabellose Technologie. Im Unterschied dazu bezeichnet Wi-Fi eine Art von WLAN, die für ein vom Wi-Fi Alliance ausgegebenes Zertifikat nach dem IEEE-802.11-Standard steht. Schlussfolgernd ist jedes Wi-Fi ein WLAN, aber nicht jedes WLAN ist unbedingt Wi-Fi-zertifiziert. Damit ein Produkt als Wi-Fi zertifiziert gelten kann, muss es vorher strengen Tests in unabhängigen Testlaboren unterzogen worden sein. Erst nach erfolgreichem Bestehen erhält der Hersteller oder Verkäufer das Recht, das „Wi-Fi Certified“-Siegel für das Produkt zu verwenden.

Herausforderungen in der industriellen WLAN-Nutzung

Die Anforderungen an der WLAN-Konnektivität im industriellen Umfeld sind viel höher als die in den normalen alltäglichen Umgebungen. Der Bedarf an einer stabilen Internetverbindung ist aufgrund intensiver Nutzung in Einkauf, Produktion, Instandhaltung, Transport und anderen Abteilungen besonders hoch: So müssen z.B. in großen Industrieunternehmen oder mittelständischen Ingenieurbüros hunderte oder tausende Geräte und Maschinen gleichzeitig an einem WLAN-Netzwerk angeschlossen werden. Damit alle Geräte und Maschinen parallel und mit optimaler Leistung bedient werden können, ist ein zuverlässiges Netzwerk unbedingt notwendig.

Eine weitere Herausforderung in der industriellen WLAN-Nutzung stellt die große Anzahl von Funkstörquellen dar, die gerade in Industrieumgebungen unvermeidbar sind. Da diese alle im selben Frequenzbereich arbeiten, kommt es oft zu großen Interferenzen.

Vorteile von Wi-Fi 6

Dank der signifikant ausgebauten Funktionen von Wi-Fi 6-Geräten können die beschriebenen Herausforderungen gut überwunden werden. Dies sind Geräte, die dem IEEE-Standard 802.11ax entsprechen. Bei diesem Wi-Fi-Standard ist die neue Technik namens Multi User Orthogonal Frequency Division Multiple Access – kurz MU-OFDMA – verfügbar. Diese komplett neue Art der Datenübertragung ist gleichzeitig der größte Vorteil des IEEE 802.11ax. Sie teilt einen Kommunikationskanal in bis zu neun Unterkanäle auf, die auf unterschiedliche Teilnehmer verteilt werden können. Dies trägt dazu bei, dass viele Clients gleichzeitig im WLAN miteinander kommunizieren können. Die räumliche Distanz zwischen Maschinen und Geräten, die z.B. in der Lagerhalle stehen, wird auch durch die neue Technik überwunden, weil auch die Nutzer in größerer Entfernung problemlos versorgt werden. So wird die riesige Anzahl der angebundenen Geräte bewältigt und die Effizienz in Umgebungen mit vielen Nutzern ausgebaut. Somit können Unternehmen neue und aufkommende Anwendungen unterstützen. Besonders relevant sind Anwendungen, die eine ausfallsichere Datenverbindung verlangen: Hier darf, falls Störungen auftreten, die Verbindung nicht abstürzen.

Darüber hinaus bietet Wi-Fi 6 im Vergleich zu Wi-Fi 5 eine signifikant schnellere Datenübertragung und eine fairere Verteilung der Datenraten auf alle Teilnehmer. Es ermöglicht WLAN-Clients schnelles Roaming zwischen WLAN-Access Points. Der Authentifizierungsvorgang beim Wechsel des Access Points wird beschleunigt, indem die Anmeldeinformationen vor der Authentifizierung auf den Access Points bereits gespeichert werden. Dies ermöglicht eine deutlich performantere drahtlose Kommunikation, die in der Automatisierung und Fernsteuerung in Industrie- und Produktionsumgebungen eine große Rolle spielen kann.

Neuerungen im Wi-Fi 6E

Das von Wi-Fi Alliance vorgestellte Wi-Fi 6E ist ein neuer Standard für die Erweiterung von Wi-Fi 6 („E“ für „Extended“, „Erweitert“). Wi-Fi 6E basiert auf allen vorhandenen Funktionen von Wi-Fi 6, hat aber natürlich viele neue Stärken. Eine der wichtigsten Neuerungen liegt in ihrem Frequenzspektrum. Um die Verbesserung zu verstehen, werfen wir zuerst einen Blick auf das Frequenzspektrum älterer Wi-Fi-Generationen. Das Wi-Fi 5 arbeitet auf dem 5 GHz-Band, das Wi-Fi 6 wird auf 2,4- und 5 GHz-Bändern betrieben. Die beiden Frequenzbänder sind ziemlich ausgelastet: Dort arbeiten auch viele andere Geräte, wie z.B. Überwachungskameras, Klimaanlagen, Handscanner, Bluetooth-Geräte, Funkfernbedienungen usw. So kommt es leicht zum oben genannten Problem der Interferenz und Funkstörungen zwischen einzelnen Nutzern. Dieses Problem kann jetzt mit Wi-Fi 6E ausgeräumt werden: Die Geräte arbeiten im lizenzfreien Frequenzbereich von 6 GHz – einem komplett neuen, exklusiven Bereich. Dies bedeutet, dass die Wi-Fi 6E-Geräte einen vollständig freigehaltenen und reservierten Raum genießen, sodass sie vor allen Funkstörquellen in der Umgebung vollkommen geschützt werden.

Auf der nachfolgenden Weltkarte sehen Sie, welche Frequenzbänder in welchen Ländern bzw. Regionen freigeschaltet sind.

Foto: Wi-Fi Alliance

Erwähnenswert ist noch die blitzschnelle Geschwindigkeit des Wi-Fi 6E. Diese ist nicht nur der ausgebauten Frequenzkapazität zu verdanken, sondern auch der erheblich erhöhten Anzahl der Kanäle: Dank des zusätzlichen 1200 MHz-Spektrums können Wi-Fi 6E-Geräte in 14 weiteren 80-MHz-Kanälen und 7 weiteren 160-MHz-Kanälen betrieben werden. Im Vergleich dazu bringen die beiden Vorgänger – Wi-Fi 5 und 6 – 20, 40, 80-MHz-Kanäle.

Ein weiterer Vorteil des Wi-Fi 6E liegt in seiner geringeren Latenzzeit. Mit Wi-Fi 6E-Produkten, die das nicht gemeinsam genutzte 6 GHz-Spektrum nutzen, ist diese bis zu 75 Prozent niedriger als bei Wi-Fi 5.

Neuerungen des Wi-Fi 6E im Vergleich zu zwei älteren Wi-Fi-Generationen sehen Sie in der nachfolgenden Tabelle.

Wi-Fi 5Wi-Fi 6Wi-Fi 6E
IEEE-StandardIEEE 802.11acIEEE 802.11axIEEE 802.11ax
Erstveröffentlichung201320202020
Frequenzband [GHz]52,4 und 56
Modulations- und Multiplex­verfahrenMU-MIMO + OFDM + BPSK / QPSK / QAMOFDMA + QAMOFDMA + QAM
Maximale Datenübertragungsrate (theoretisch) [MBit/s]693396089608
Maximale Sende-/Empfangs-einheiten8 × 88 × 88 × 8
Maximale Kanalbreite [MHz]160160160

Die größere Bandbreite, die höhere Stabilität und die geringeren Latenzzeiten von Wi-Fi 6E spielen für Industrie-Anwendungen eine wichtige Rolle. Somit kann zum einen die oben genannte Herausforderung vom „digitalen Zwilling“ bewältigt werden, zum anderen werden Anwendungen wie Augmented- und Virtual Reality, Unified Communications und Cloud Computing effektiv unterstützt. Die hohe Netzwerkkapazität und -effizienz sowie die geringen Latenzzeiten sind auch bedeutungsvoll für die anspruchsvollen Echtzeitapplikationen, die einen hohen Durchsatz erfordern und nahtlose User Experience bieten sollen, wie Video-Streaming und Videokonferenzen innerhalb einer Firma.

Die erweiterten Funktionen des Wi-Fi 6E sind auch für die Unterstützung der industriellen IoT-Anlagen wichtig. Außer des zusätzlichen Frequenzbandes sind hier auch die Fortschritte in der Energieeffizienz beachtlich. Die Funktion „Target Wake Time“ (TWT) ist für stark entlastete IoT-Netze geeignet, in denen viele verschiedene batteriebetriebene Geräte und Sensoren mit dem Netz verbunden sind. Dieses Feature bringt enorme Verbesserungen in der Batterielebensdauer.

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Fazit und Ausblick in die Zukunft

Festzustellen ist, dass die neuen Generationen von Wi-Fi 6 und 6E klare Vorteile in den Industrieumgebungen mit sich bringen. Sie ermöglichen eine robuste Internetversorgung mit besserer Stabilität, Schnelligkeit, Interoperabilität und geringerer Interferenz – und damit auch unzählige Innovationsmöglichkeiten. Die rasche Weiterentwicklung der WLAN-Technik lässt sich aber nicht aufhalten: Schon seit einiger Zeit beschäftigt sich eine Arbeitsgruppe der IEEE mit dem Nachfolger für Wi-Fi 6E. Der Standard Wi-Fi 7 mit der offiziellen Bezeichnung 802.11be soll nach derzeitiger Planung Anfang 2024 verabschiedet werden. Der neue Standard ist vollständig abwärtskompatibel zu den älteren Wi-Fi 4, 5, 6 und 6E: Er funkt in den 2,4-, 5- und 6-GHz-Frequenzbändern.

Wi-Fi 7 wird das Tempo von Wi-Fi 6 nochmal deutlich erhöhen: Router können bis zu 16 MIMO-Streams einsetzen, was einem Gesamttempo von über 46 GBit/s entspricht. Dafür verantwortlich ist die neue Modulation 4096-QAM sowie der Einsatz von 320 MHz breiten Funkkanälen. Wifi 7 verbessert außerdem das Multi-User MIMO (MU-MIMO), damit der Router gleichzeitig mit noch mehr Geräten als Wi-Fi 6 Daten austauscht, um wiederum die Geschwindigkeit zu erhöhen.

Der kommende Wi-Fi-Standard wird den Industriebetrieben noch mehr Chancen eröffnen, indem z.B. viel höhere Gerätedichten und datenintensivere Echtzeitanwendungen unterstützt werden.

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