Home » Featured, Service

Reichweite von schnurlosen Headsets (DECT & Bluetooth)

5 Mai 2009 No Comment

EINFLUSSFAKTOREN UND LEISTUNG

Die Reichweite und Sendeleistung von schnurlosen Headsetsystemen wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. Exakte Aussagen lassen sich daher nur mithilfe von Mess- und Analysegeräten treffen. Im Folgenden werden die Gründe für unterschiedliche Headset-Reichweiten sowie für Abweichungen von Herstellerangaben aufgezeigt.Dabei ist zu beachten, dass das Frequenzband (z.B. 1.9GHz) alleine keine zuverlässige Aussage über die Leistung zulässt.

Es gibt zwei wesentliche Gruppen von Einflussfaktoren:

1. Konstruktion von Sender und Empfänger:
• Konstruktion der Antenne – beeinflusst die Funkübertragung zwischen Headset und Basisstation
• Sendeleistung – ausgewogenes Verhältnis zwischen Akkugröße, Verlustleistung sowie erzeugter Wärme
• Frequenzband – 2.4GHz bei Bluetooth®- und 1.9GHz bei DECT-Technologie; die tatsächliche Leistung ist allerdings abhängig von der Reichweite und von möglichen Hindernissen.
• Mehrwegempfang – wie ein schurloses Headset mit reflektierten Funksignalen umgeht, ist für eine hohe Reichweite entscheidend.

2. Umgebung, in der ein schnurloses System eingesetzt wird. Hierbei spielen sowohl die physikalischen Gegebenheiten als auch das elektromagnetische Umfeld eine Rolle. Während die Reichweite im Freien relativ einfach zu bestimmen ist, kann sie in geschlossenen Räumen hingegen stark variieren. Folgende Faktoren beeinträchtigen die Reichweite in geschlossenen Räumen:
• Abschwächung des Funksignals aufgrund von Gebäudekonstruktion (insb. Stahl- und Betonkonstruktionen) und Gebäudestruktur, menschlichen Körpern und anderen Objekten
• Reflexion von Funksignalen durch Auftreffen auf feste Gegenstände bzw. Ablenkung des Signals von der ursprünglichen Richtung; das Ursprungssignal ist daher schwieriger zu finden
• Interferenzen durch andere Geräte: Das Vorhandensein anderer Sender in einem gemeinsam genutzten und dicht belegten Frequenzband führt zu Störungen.
• Einsatz mehrerer schnurloser Headsetsysteme in einer bestimmten Umgebung; mit steigender Gerätezahl sinkt die Reichweite.

Alle Hersteller stimmen diese Faktoren bei der Entwicklung eines Headsets auf einander ab, um die bestmögliche Leistung für verschiedene Gegebenheiten und Präferenzen anbieten zu können. Da die Reichweite in geschlossenen Räumen schwer zu bestimmen ist, geben die Hersteller in der Regel die Reichweite im Freien an.

Zur Steigerung ihrer Produktivität setzen immer mehr Unternehmen schnurlose Headsetsysteme ein. Damit ermöglichen Sie ihren Mitarbeitern sowohl mehr Bewegungsfreiheit als auch eine effizientere Gestaltung von Arbeitsabläufen. Mitarbeiter haben so die Möglichkeit, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erledigen, sich vom Arbeitsplatz zu entfernen und gleichzeitig immer erreichbar zu bleiben. Entscheidend für den Kauf eines Headsets ist daher, wie weit sich der Nutzer bei Gesprächen über das Headset tatsächlich vom Arbeitsplatz entfernen kann, ohne dass Störungen auftreten. Führende Headset-Hersteller entwickeln ihre Produkte gemäß geltenden Industriestandards. Leistungsunterschiede zwischen den Headsets der verschiedenen Hersteller gibt es daher kaum. Die offiziellen Angaben der Hersteller zur Reichweite basieren auf den Spezifikationen der Industriestandards, jedoch weicht die tatsächliche Reichweite in der Regel stark von den Herstellerangaben ab. Als Reichweite wird die maximal mögliche Entfernung zwischen Headset und Basisstation mit einer akzeptablen Sprachqualität bezeichnet.

Entscheidend für die Reichweite von schnurlosen Headsetsystemen in gewöhnlichen Umgebungen sind zwei Faktoren:

1. Konstruktion des Funksystems
2. Elektromagnetisches Umfeld

Der Einfluss dieser Faktoren wird nachfolgend beschrieben.

KONSTRUKTION DES FUNKSYSTEMS
Schnurlose Headsetsysteme verfügen über zwei Zweiwege-Funksysteme mit je einem Sender, einem Empfänger und einer Antenne. Über den Sender wird die Sprache digital verschlüsselt und über eine Antenne zur schnurlosen Basisstation gesendet. Die Basisstation empfängt das Signal über eine ähnliche Antenne und sendet es anschließend zu dem angeschlossenen Telefon. Der Ablauf bei eingehenden Gesprächen ist genau umgekehrt. Während dieses Wechselprozesses zwischen Headset und Basisstation können zahlreiche

Faktoren die Leistung beeinträchtigen, die sich in zwei Hauptgruppen aufteilen:
1. Maximale Ausgangsleistung
2. Kleinstes wahrnehmbares Signal

Grundsätzlich gilt: Je größer die Ausgangsleistung der Sendeantenne, umso größer die Reichweite. Je kleiner das kleinste wahrnehmbare Signal, das eine angemessene Sprachqualität noch zulässt, umso größer die Reichweite.

zu 1. Maximale Ausgangsleistung
Die maximale Ausgangsleistung ist das größte Sendesignal, das das System abgeben kann. Für die Sendeleistung am Antennenausgang sind zahlreiche Faktoren entscheidend, darunter:

1. Antenne
2. Sendeleistung
3. Frequenzband
4. Kleinstes wahrnehmbares Signal

Die Empfängerempfindlichkeit am anderen Ende des Systems wird über das kleinste wahrnehmbare Signal gemessen. Dabei handelt es sich um das minimal mögliche Signal – am Eingang der Antenne – das noch eine angemessene Sprachqualität für ein Gespräch erzeugt. Wie gut der Empfänger die Sendeleistung umsetzen kann und wie gering damit das kleinste wahrnehmbare Signal ist, hängt von vielen Faktoren ab. Dazu zählen alle Faktoren, die auch die maximale Ausgangsleistung beeinflussen, sowie ein weiterer:

1. Antenne
2. Sendeleistung
3. Frequenzband
4. Mehrwege-Effekt

1. Antenne
Antennen haben unterschiedliche Formen und Eigenschaften und damit eine unterschiedliche Richtwirkung. Die Auswahl einer Antenne mit der passenden Richtwirkung und Feldkurve ist für eine maximale Reichweite wesentlich. Schnurlose Headsets benötigen eine Rundstrahlantenne, die ein 360°-Signal aussendet. Dies ist jedoch nicht möglich: Der menschliche Kopf stellt ein unüberwindbares Hindernis dar. Im Optimalfall müssten Antennen also über den Kopf hinausragen. Nur weniger Nutzer würden sich jedoch für solche Headsets entscheiden. Deshalb spielt das Design der Antenne bei der Entwicklung neuer Headsets eine besondere Rolle.
2. Sendeleistung
Durch die Erhöhung der Sendeleistung wird das Signal verstärkt und damit auch eine höhere Reichweite erzielt. Erforderlich ist hierfür ein Schaltkreis, der bei hoher Leistung sicher und effektiv arbeitet, sich nicht entzündet und keinen Kurzschluss oder sonstige Schäden am Gerät verursacht. Sender mit niedriger Leistung haben eine geringere Signalstärke und Reichweite, arbeiten jedoch sicher und erzeugen weniger Wärme. Das Headset ist somit sicherer, kleiner und leichter.
3. Frequenzband
Schnurlose Headsetsysteme arbeiten mit unterschiedlichen Frequenzbändern. Diese beeinflussen die Reichweite in geschlossenen Räumen. Zwei Faktoren sind hierfür ausschlaggebend:

• Grundlegende physikalische Gesetze
• Richtlinien

Einfache elektromagnetische Gleichung
Frequenzband und Reichweite stehen in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis zueinander. Im freien Raum (mit freier Sichtverbindung) wird durch die Verdopplung des Frequenzbandes bei konstanten Frequenz-Parametern der Ausgangsleistung und konstanter Empfängerempfindlichkeit die Reichweite halbiert. In geschlossenen Räumen wirkt sich eine Verdopplung des Frequenzbandes weniger stark auf die Reichweite aus. Eine genaue Vorhersage der tatsächlichen Leistung aufgrund einer Verdopplung des Frequenzbandes ist schwierig, da Stahl- und Betonkonstruktionen sowie Hindernisse in Räumen eine Rolle spielen. Unterschiedliche Frequenzen verhalten sich im Hinblick auf die verschiedenen Stahl- und Betonkonstruktionen in Gebäuden nicht einheitlich.

Zudem betrachten Hersteller diese Frequenzbandwechsel nicht isoliert, sondern gleichen die Frequenzunterschiede durch Veränderungen im Antennen-Design oder in der Ausgangsleistung aus, um die Unterschiede im Verhalten zu kompensieren. Frequenzänderungen alleine bestimmen damit nicht die Reichweite eines Headsets.

Richtlinien
Schnurlose Headsets arbeiten in weltweit lizenzfreien Frequenzbändern. Eine Lizenz für die Nutzung von Sendern in diesen Bändern ist nicht vorgeschrieben. Die Nutzung der meisten weltweit lizenzfreien Frequenzbänder, wie beispielsweise 2.4GHz, ist unterschiedlichsten Diensten erlaubt. Diese Dienste müssen nicht zusammenarbeiten und können daher gegenseitig Interferenzen verursachen. Je weiter ein Headset von der Basisstation entfernt ist, desto empfänglicher ist es für Interferenzen von Geräten in einem dicht belegten Frequenzband. Dies führt zu einer Verringerung der Reichweite.

Frequenzband DECT

Frequenzband DECT

Die Nutzung des 1.9GHz DECT-Frequenzbandes ist dagegen auf DECT-Geräte beschränkt, die die strengen Richtlinien des Europäischen Instituts für Fernmeldenormen ETSI (European Telecommunications Standards Institute) einhalten müssen. Diese sehen vor, dass alle schnurlosen Headsets und andere DECT-Geräte einen gewünschten Frequenzkanal erst “abhören” („listen“) müssen, um festzustellen, ob der Frequenzkanal frei ist, bevor sie „sprechen“ („talk“), also senden, dürfen. Dadurch werden Interferenzen verhindert – und die Reichweite erhöht. Zudem ist das DECT-Frequenzband auf die isochrone Zweiwege-Übertragung beschränkt. Beim Betrieb mehrere Geräte in einem bestimmten Raum wird so die Konkurrenz innerhalb der Frequenzkanäle durch das Zusammenarbeiten bauähnlicher Geräte abgemildert. Geräte in diesem Frequenzband und Protokoll bieten also eine höhere Auslastungskapazität des entsprechenden Frequenzspektrums als bei lizenzfreien Frequenzspektren – und somit auch eine höhere Reichweite.

4. Mehrwege-Effekt
In Räumen können die Signale eines Senders an Oberflächen reflektiert werden. Dadurch kommt es zum sogenannten Mehrwege-Effekt. Da der kürzeste Weg zwischen zwei Punkten eine Gerade ist, laufen reflektierte Signale über einen Umweg zum Headset und erreichen dieses später als nicht reflektierte Ursprungssignale. Dies kann beim Empfänger Probleme verursachen, da hier unterschiedlichste Signale zu verschiedenen Zeitpunkten ankommen. Wie das Headsetsystem damit umgeht, beeinflusst auch die Reichweite.

Abwägungen bei der Konstruktion
Da der Konstruktion des Funksystems eine so große Bedeutung zukommt, könnte man denken, dass zur Erhöhung der Reichweite die Funksysteme lediglich so ausgelegt werden müssen, dass die Sendeleistung äußerst hoch und das kleinste wahrnehmbare Signal besonders gering ist. DECT verhindert Interferenzen und erhöht somit die Reichweite.

In Europa ist das 1.8GHz Frequenzband für lizenzierte Geräte zugelassen.  Das 2.4GHz 15M Frequenzband ist für alle Anwendungen nutzbar, einschließlich Bluetooth und Wi-Fi.

Die maximale Ausgangsleistung ist jedoch durch staatliche Strahlenschutzrichtlinien begrenzt. Eine höhere Sendeleistung führt zudem auch zu einer stärkeren Batterienutzung, wodurch die Sprechzeit reduziert wird. Hinzu kommen Kostenaspekte: Bessere Leistungsverstärker, eine höhere Batterieleistung und die Verbesserung des Schaltkreises zur Erhöhung der Ausgangsleistung und Reichweite verursachen zusätzliche Kosten. Das kleinste wahrnehmbare Signal ist ebenfalls begrenzt, und zwar durch die Größe der Schaltelemente wie beispielweise die Filter. Eine Herabsetzung des kleinsten wahrnehmbaren Signals würde die Ausmaße des Headsets vergrößern und die Kosten erhöhen. Leistungsstärkere Schaltelemente – wie rauscharme Vorverstärker – können sich zwar positiv auf das kleinste wahrnehmbare Signal auswirken, mögliche Verbesserungen müssen aber mit den Kosten abgewogen werden.

ELEKTROMAGNETISCHE UMGEBUNG
Der zweite wesentliche Einflussfaktor in Bezug auf die Reichweite ist die elektromagnetische Umgebung, in der das Headset arbeitet. Sie bestimmt in Verbindung mit den oben erläuterten Aspekten in Bezug auf die Bauweise seine Leistung. Am stärksten wirkt sich der sogenannte Übertragungswegverlust aus. Er beschreibt die Abschwächung des Signals auf dem Weg vom Headset zur Basisstation. Diese Abschwächung führt zur Verringerung der Reichweite.

Empfangene Signalleistung
Anhand eines einfachen Modells einer Einwege-Übertragungsverbindung können die Einflüsse der Umgebung erläutert werden. Die nachfolgende Gleichung zeigt die Beziehung zwischen der Abschwächung der Signalstärke und der zurückzulegenden Entfernung des Signals bis zum Empfänger, und zwar in einem „Vakuum“ bzw. einer störungsfreien Umgebung.

Empfangsleistung am Antennen-Empfänger = Sendeleistung der Sendeantenne minus Übertragungswegverlust.

Übertragungsverlust bei schnulosen Headsets

Übertragungsverlust bei schnulosen Headsets

Je weiter weg sich der Empfänger vom Sender befindet, umso größer ist der Übertragungswegverlust und umso schwächer die empfangene Signalleistung. Die empfangene Signalleistung variiert in Relation zum Übertragungswegverlust, d.h. zur Umgebungsveränderung.

Hersteller geben meistens die Reichweite im freien Raum als maximale Reichweite für schnurlose Headsetsysteme an.Wie bei Mobiltelefonen und anderen Funkgeräten auch, muss das Empfangssignal groß genug sein, um eine gute Sprachqualität zu erzeugen. Bei einigen Signalpegeln wird die Sprachqualität zwar schlechter, bleibt aber dennoch verständlich. Diese „noch angemessene“ Sprachqualität wird bei einem bestimmten Signalpegel an der Empfängerantenne erreicht. Dabei handelt es sich um das bereits erwähnte kleinste wahrnehmbare Signal (siehe oben). Eine angemessene Sprachqualität wird noch bis zum maximalen Übertragungswegverlust erreicht:

Maximaler Übertragungswegverlust = Sendeleistung minus kleinstes wahrnehmbares Empfangssignal


Übertragungswegverlust und Reichweite im freien Raum

Bei einem Funksystem im Freien mit hohen Antennen und ohne Hindernisse zwischen Sender- und Empfängerantenne ist der Übertragungswegverlust (L) klar definiert und kann leicht vorausgesagt werden. Eine solche Umgebung bezeichnet man als Sichtverbindung. Die maximale Reichweite bei Sichtverbindung ist leicht vorauszuberechnen, da der Übertragungswegverlust klar definiert ist. Aus diesem Grund geben Hersteller meistens die Reichweite im freien Raum als maximale Reichweite an.

Übertragungswegverlust und Reichweite in geschlossenen Räumen
Der Übertragungswegverlust in geschlossenen Räumen unterscheidet sich wesentlich vom Verlust im freien Raum. Eine freie Sichtverbindung ist hier nicht mehr möglich. Die Raumausstattung, Stahl- und Betonkonstruktionen sowie Menschen beeinflussen die elektromagnetische Strahlung. Darüber hinaus können andere Strahlungsquellen (wie WiFi- Netzwerke, Funktürme, Sicherheitssysteme, wissenschaftliche oder medizinische Geräte) den Empfang des gewünschten Signals beeinträchtigen. Eine Bestimmung der Reichweite wird damit umso schwerer. Der Übertragungswegverlust kann nicht mehr anhand von einfachen mathematischen Gleichungen ermittelt werden.

Übertragungswegverluste oder verringerte Signalleistungen werden meist verursacht durch:
1. Signalabschwächung durch die Raumausstattung
2. Mehrwege-Effekt durch Reflexion
3. Interferenzen mit anderen Sendeempfängern
4. Einsatz mehrerer schnurloser Headsetsysteme

zu 1. Signalabschwächung
Ein Signal wird durch die Raumausstattung sowie Stahl- und Betonkonstruktionen abgeschwächt, reflektiert oder beides. Eine funktechnische Faustregel lautet: Eine Innenwand aus zwei Schichten mit modernem feuerfestem Gips führt im 2GHz- Frequenzbereich zu einer Abschwächung von circa 6 db.

zu  2. Mehrwege-Effekt
Durch metallische Gegenstände oder Konstruktionen werden Signale reflektiert. Antennen schnurloser Headsetsysteme versuchen, in alle Richtungen zu strahlen (omnidirektionale Richtwirkung), da das Headset in jede beliebige Stellung zur Basisstation gebracht werden kann. Das gesendete Signal wird dann von vielen Gegenständen im Raum reflektiert, was zu einer Signalverzerrung führen kann. Da das reflektierte Signal also einen längeren Weg zurücklegen muss als das direkte Signal, kommt es später als das direkte Signal an. Damit ist es nicht mehr synchron zum Hauptsignal. Dieser Verzerrungseffekt ist bei Nachrichtentechnikern als Mehrwege-Effekt bekannt. In geschlossenen Räumen verstärkt sich der Einfluss des Mehrwege-Effekts auf die Sprachqualität je weiter sich der Headsetnutzer von der Basisstation entfernt. Dies führt gleichzeitig zu einer Verringerung der Reichweite.

signalabschwaechung

zu 3. Interferenzen
Ähnlich wie der oben beschriebene Mehrwege-Effekt das gewünschte Sendesignal aufgrund von Reflexionen verzerren kann, so können auch Signale im Frequenzband den gewünschten direkten Weg des Signals zur Empfängerantenne stören. Dieser Effekt tritt häufig bei schnurlosen Headsetsystemen auf, die das lizenzfreie, intensiv genutzte 2.4GHz- Frequenzband nutzen, in dem auch WiFi, Bluetooth und Mikrowellen-Geräte arbeiten. Diese befinden sich meist innerhalb von Gebäuden und verschlechtern dadurch die Reichweite im geschlossenen Raum. DECT-Systeme arbeiten in einer geschützteren Umgebung, die die Wahrscheinlichkeit eines solchen Effekts minimieren . Unerwünschte Strahlungsquellen können ebenfalls das Frequenzband, das für schnurlose Headsetsysteme genutzt, stören. Elektrische Motoren von Ventilatoren und Maschinen im Gebäude können manchmal Störsignale im Frequenzband der schnurlosen Headsetsysteme hervorrufen und eine Verzerrung des empfangenen Signals verursachen. Je weiter das Headset von der Basisstation entfernt ist, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, das einen Störung des Frequenzbandes (und damit des Audiosignals) auftritt. Je geringer die Empfangsleistung wird, desto stärker ist das Signal, das die Störung verursacht.

zu 4. Einsatz mehrerer schnurloser Headsetsysteme
Wenn mehrere schnurlose Headsetsysteme im selben Frequenzband in unmittelbarer Nähe (gleicher oder angrenzender Raum) genutzt werden, so kann sich dies auch auf die Leistung der Systeme auswirken. Schnurlose DECT-Systeme wählen einen freien Frequenzkanal innerhalb des Frequenzbandes. Dies wird als „Listen before talk“-Protokoll bezeichnet. Je dichter ein Frequenzkanal belegt ist, umso länger muss ein Headsetsystem den Kanal „abhören“ („listen“) bevor es „sprechen“ („talk“), also senden, kann und umso höher ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Systeme denselben Frequenzkanal belegen wollen. Dies kann zu Interferenzen oder Verzögerungen führen. Wie bei vielen anderen Störungen auch, verstärkt sich das Problem, je weiter das Headset von der Basisstation entfernt ist. Grundsätzlich lässt sich sagen: Je mehr Systeme im Einsatz sind, umso geringer ist die Reichweite. Und je größer der Abstand zur Basisstation, umso mehr Störungen treten auf. Störungen treten insbesondere dann auf, wenn der Headset-Nutzer von seiner Basisstation entfernt ist und sich in der Nähe eines anderen schnurlosen Headsetsystems aufhält, das im selben Frequenzkanal arbeitet.

AUSWIRKUNGEN IN DER PRAXIS
Was ergibt sich aus dem Gesagten für Endnutzer von schnurlosen Headsetsystemen in Büros?

1. Die Leistung in einer „störungsfreien Umgebung” (d.h. im freien Raum mit Sichtverbindung) muss getrennt von der Leistung in geschlossenen Räumen betrachtet werden.
2. Hersteller müssen bei der Entwicklung eines Headsets eine Reihe von Faktoren beachten, wie Kosten der Bauteile, Lebensdauer der Batterie, Sende-/Empfangsleistung und Handhabung.
3. DECT-Technologie bietet trotz etwas geringerer Reichweite in bestimmten Umgebungen den besten Schutz vor Interferenzen.

ZUSAMMENFASSUNG
Vergleicht man die Leistung im freien Raum und in geschlossenen Räumen, so ergibt sich Folgendes: Die Reichweite bei Sichtverbindung ist aufgrund von Faktoren wie der Ausgangsleistung und Empfängerempfindlichkeit leicht zu bestimmen. Eine Bestimmung der Reichweite in geschlossenen Räumen ist dagegen wesentlich schwieriger.
Die Reichweite wird hier durch eine Vielzahl an Faktoren beeinflusst: Abschwächung des Signals, Mehrwege-Effekt, Interferenzen durch verschiedene Funksysteme, Interferenzen durch unerwünschte Strahlungsquellen sowie Nähe zu anderen Headsetsystemen.

Daneben spielen die Stahl- und Betonkonstruktion des Gebäudes, die Größe der Räume und die Raumausstattung eine wesentliche Rolle. Ein Vergleich der unterschiedlichen Headsetsysteme zeigt: Abgesehen von Umgebungsfaktoren, die die Reichweite schnurloser Headsetsysteme beeinflussen, spielen auch Unterschiede in der Technologie und in der Bauweise eine Rolle. Der Frequenzbereich, die Konstruktion der Antenne, die Sendeleistung und viele andere Faktoren führen zu leichten Unterschieden bei den einzelnen DECT Headsets. Hersteller müssen Kosten, Handhabung und Leistung abwägen, um eine ausgewogene Kombination aus geschäftskritischen Anforderungen und individuellen Vorlieben zu finden.

——————

Mit freundlicher Genehmigung von Plantronics Deutschland

Leave your response!

Add your comment below, or trackback from your own site. You can also subscribe to these comments via RSS.

Be nice. Keep it clean. Stay on topic. No spam.

You can use these tags:
<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

This is a Gravatar-enabled weblog. To get your own globally-recognized-avatar, please register at Gravatar.