Die Versprechungen, die die Einführung von 5G begleiten, sind ambitioniert und umfangreich. Bereiche, die bislang von darauf spezialisierten Techniken abgedeckt werden, wie die Steuerung und Überwachung von Produktionsanlagen oder autonomen Fahrzeugen mittels WLAN will 5G für sich einnehmen. In der Automatisierung sollen Produktionsanlagen mit latenzfreier, sogar deterministischer Funkkommunikation ausgerüstet werden.
Die Antennentechnik entscheidet
Bei dem Einsatz jeder Funktechnik ist es die Antennentechnik, die entscheidet, ob die Funkkommunikation gut funktioniert. Dies ist abhängig von der Umgebung, in der sie eingesetzt wird. Die Physik eines geschlossenen Raumes, wie es ein Eisenbahntunnel, eine Produktionshalle oder ein Aufzugschacht im Hochhaus ist, stellt besondere Anforderungen an die Verbreitung von Radiowellen. Diese Anforderungen treten besonders zutage, wenn das Funksignal von einem Punkt aus gesendet wird, wie ’normale‘ Antennen das tun. Der sich bewegende Empfänger in einem geschlossenen Raum, z.B. das autonom fahrende Fahrzeug, das per Funk gesteuert werden soll, wird ein sich stark veränderndes Signal empfangen, das auf seinem Weg von der Antenne aus reflektiert, interferiert oder anders polarisiert wurde. Die direkte Sichtverbindung zwischen der Antenne und dem Empfänger macht die Funkverbindung stabil und berechenbar. Wie also kann man eine Art direkte Sichtverbindung innerhalb eines geschlossenen Raums erreichen?
Strahlende Kabel: Das Prinzip
Der Aufbau von Strahlenden Kabeln unterscheidet sich grundsätzlich von Antennen. Wie ein Koaxialkabel haben sie einen Innenleiter, der meist durch eine Schaumschicht vom Außenleiter getrennt ist. Dieser Außenleiter ist versehen mit Schlitzen, die an einer Seite des Kabels entlang seiner Länge die elektromagnetischen Wellen abstrahlen. Jeder Schlitz bildet im Prinzip eine kleine Antenne. Die Energie des Radiosignals, die in das Kabel gegeben wird, verteilt sich über die Länge des Kabels und wird über die Schlitze wieder abgegeben. Das strahlende Kabel kann so das Radiosignal entlang der Strecke, auf der sich die mobilen Empfänger bewegen, direkt an diese senden. An jeder Stelle entlang des Kabels hat jeder Empfänger eine direkte Sichtlinie zum strahlenden Kabel. Interferenzen, Abschattungen oder andere Manipulationen des Signals finden viel weniger statt, da das Signal direkt zum Empfänger abgestrahlt wird. Die Ausbreitung des Funkfelds entlang des Kabels ist berechenbar und auch dann noch stabil und zuverlässig, wenn sich mehrere Fahrzeuge im Tunnel bewegen.
Systemverluste
Einer der Vorteile von strahlenden Kabeln ist es, auch lange Strecken unterbrechungsfrei mit Funk zu versorgen. Wegen der Längsdämpfung des Kabels, die mit der Höhe der Frequenz auch steigt, ist nach einer bestimmten Länge jedoch nicht mehr genügend Signalstärke vorhanden, um das Signal noch sinnvoll abstrahlen zu können. Zusätzlich wird das Signal bei seinem Weg durch die Luft vom Kabel zum Empfänger gedämpft. Dies wird als Koppeldämpfung bezeichnet. Das Signal, das in das Kabel mit einer gewissen Signalstärke eingespeist wird, muss beim Empfänger mit einer Mindeststärke ankommen, damit noch eine vernünftige Kommunikation möglich ist. Die Summe der Dämpfungen, die das Signal durch das Kabel und die Koppeldämpfung erfährt, darf also nicht zu groß werden. Damit ist die mögliche Kabellänge begrenzt. Kabel mit größerem Durchmesser haben eine geringere Längsdämpfung und können also längere Strecken in einem Funksystem abdecken, als das Kabel mit geringerem Durchmesser können. Jedoch können Kabel aufgrund ihres Durchmessers nur bis zu einer bestimmten Maximalfrequenz hohe Frequenzen übertragen, ohne dass es zu unerwünschten Effekten wie Laufzeitverschiebungen oder Interferenzen kommt. Möchte man höhere Frequenzen übertragen, muss der Kabeldurchmesser geringer werden, was dem Wunsch nach möglichst geringer Längsdämpfung entgegen steht.
