Vezeték nélküli átvitel

Vezeték nélküli átvitel

ISM sávok

Az ipari, tudományos és orvosi célokra (industrial, scientific and medical :ISM) világszerte szabad, licenc-mentes sávok kerültek kialakításra. Az eredeti szándék az volt, hogy ezeken a sávokon szabadon engedélyezzék az államok a rádiókommunikációt, azzal a veszéllyel is számolva, hogy ezek az adások (a szabályozás hiányának az okán) zavarni fogják egymást.

Gyakorlatilag ezen a sávtartományon forgalmazhatnak WLAN-ok és vezeték nélküli telefonok is, illetve zavarhatják a mikrohullámú berendezések. A hatékonyabb adatátvitel érdekében egy speciális techikát, a frekvenciaugrást (Frequency Hopping, FHSS) is bevetették.

Az utóbbi nagyjából 10 évben a vezeték nélküli telefonok, kommunikációs eszközök gyártói is ezekbe a sávokba szervezték a forgalmazásukat. Ezek az eszközök, bár kommunikációra használják a kijelölt ISM sávokat adóteljesítményük okán (mivel az nagyon alacsony) nem minősülnek ISM eszközöknek.

Az ISM sávok

jelöléseKözépsávFrekvencia-tartományElérhetőségAlkalmazási területekAlkalmazások a sávban
-6,78 MHz6,765 - 6,795 MHzhelyi szabályozás szerintmobil szolgáltatások
-13,56 MHz13,553 - 13,567 MHzVilágszertemobil szolgáltatások, repüléstechnikai kommunikációWiegand, RFID, NFC
-27,12 MHz26,957 - 27,283 MHzVilágszerteCB, mobil szolgáltatások, repüléstechnikai kommunikáció
-40,68 MHz40,66 - 40,7 MHzVilágszerteműhold szórás-kommunikáció, mobil szolgáltatások
-433,92 MHz433,05 - 434,79 MHzEurópa, Afrikarádióamatőr kommunikáció RFID, NFC, DASH7, HC-12 Arduino modul
UHF ISMUSA: 908,42 MHz
Európa: 868,42 MHz
USA: 902 - 928 MHz
Európa: 865 - 868 MHz
Amerika
Európa
rádióamatőr kommunikációZigBee, RFID, NFC, DASH7, Z-Wave
S-band ISM¹2,45 GHz2,4 - 2,5 GHzVilágszerterádióamatőr és műhold kommunikáció, mikrohullámú sütő, indukciós melegítésBluetooth, Bluetooth LE, Wi-Fi, ZigBee, RFID, NFC, Thread, MiWi
C-band ISM²5,8 GHz5,725 - 5,875 GHzVilágszerterádióamatőr és műhold kommunikáció
-24,125 GHz24 - 24,25 GHzVilágszerteműhold kommunikáció
-61,25 GHz61 - 61,5 GHzhelyi szabályozás szerintműhold kommunikáció
-122,5 GHz122 - 123 GHzhelyi szabályozás szerintműhold kommunikáció
-245 GHz244 - 246 GHzhelyi szabályozás szerintműhold kommunikáció

¹: Az S-sáv (S-band) frekvencia-tartománya: 2-4 GHz
²: A C-sáv (C-band) frekvencia-tartománya: 4-8 GHz

forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/ISM_band

S-sáv

Az S-sáv (S-band) frekvencia-tartománya: 2-4 GHz. Ennek az ISM tartománya 2,4 - 2,4835 GHz, itt 11 csatorna használható licenc nélkül kommunikációra.

C-sáv

Frekvencia-tartománya: 5,1 GHz, 5,3 GHz, 5,4 GHz, 5,8 GHz. Itt 24, 20 MHz széles csatorna használható licenc nélkül kommunikációra.

en: spread spectrum
hu: Szórt spektrum

A szórt spektumú átvitel / moduláció az újabban megjelenő átviteli technológiák egyik "alapköve". Mivel szinte minden ilyen kommunikációs megoldás az ISM sávokra épül, az ott megjelenő egyidejű kommunikációk újfajta stabil és kreatív megoldásokat igényeltek. A szórt spektumú eljárások ennek a követelménynek megfelelnek: a meghatározott sávszélességgel generált jelet egy adott frekvenciatartományban "terítenek", így az átvitel során jóval szélesebb sávszélességen forgalmaznak. Az, hogy hogyan használják fel az adott frekvenciatartományt, (:hogyan terítenek), már az adott/alkalmazott átviteli eljárástól függ:

  • FHSS: frekvenciaugrásos szórt spektrum (Frequency-hopping spread spectrum)
  • DSSS: közvetlen szekvenciájú szórt spektrum (direct-sequence spread spectrum)
  • THSS: időosztásos szórt spektrum (time-hopping spread spectrum)
  • CSS: ciripelő (jobb hijján) szórt spektrum (chirp spread spectrum)

Az átviteli spektrum általában valamilyen mesterséges digitális zajból és az adatátviteli jelekből áll össze. A technológiát eredetileg (természetesen) katonai kommunikációs célokra fejlesztették ki, a "civil" technológiákban 10-20 éve kezd - rohamos tempóban - megtelepedni. A "DS" jellegű eljárások jobban ellenállnak a folyamatos keskeny sávú zavaroknak, míg az "FH" frekvenciaugrásos eljárások a pulzusszerű zavarokat tolerálják jobban. Nyilván egy keskenysávú átvitelt sokkal egyszerűbb minden szempontból zavarni, mint egy széles átviteli rendszert.

A szórt spektrum és a keskenysávú átvitel

A szórt spektrum és a keskenysávú átvitel összehasonlítása:

A szórt spektrum és a keskenysávú átvitel összehasonlítása

keskenysáv (narrow band)szórt spektrum (SS: spread spectrum)
Nagyobb energiájú, koncentrált adás a kijelölt frekvenciánSzéles sűvon szóródó adás
Nagyobb energiát igényelKevesebb energiával beéri
A sugárzott és az átviteli sávszélesség közel esik egymáshoza sugárzott sáv sokkal szélesebb, mint az átviteli
Érzékeny az interferenciákrakevésbé érzékeny az interferenciákra
Közeli sávokon zajló forgalmazás zavarhatjaKözeli sávokon zajló forgalmazás sokkal kevésbé zavarja
Általában licenc-köteles sávokon forgalmazAz ISM-eket használja
narrow bandspread spectrum

en: Frequency-hopping spread spectrum

A frekveniaugrásos szórt spektrum egy rádiókommunikációs átviteli eljárás. Lényege, hogy a rendelkezésre álló sok rádiócsatorna közül egyet-egyet csak rövid időre használ, és gyorsan váltogat (hopping) ezek között. Így egyrészt az átvitt információ dekódolását nehezíti, másrészt a rádiófrekvenciás interferenciákkal szemben ellenállóbb, mint mondjuk a DSSS, mivel az interferencia csak igen rövid időre tudja így zavarni az átvitelt.

Hedy Lamarr Az átvitel eredetijét Hedy Lamarr és a zongorista George Antheil szabadalmaztatta 1942-ben a "Titkos kommunikációs rendszer" (secret communication system) néven. Az eljárás 88 elkülönített frekvenciát vett igénybe, és egy előre meghatározott (zongorán kitalált) mintázat szerint vitte át az adatokat. Ezt a kvázi véletlenszerű átviteli módot eleinte torpedóvezérléshez vetették be.

Az FHSS a kódosztásos többszörös hozzáférés egyik speciális formuláját, a a frekvenciaugrásos kódosztásos többszörös hozzáférési eljárást - FH-CDMA - alkalmazza. A Bluetooth az FHSS egy speciális frekvenciaugrásos változatát, az adaptív ugrást, az AFH-t (adaptive frequency hopping spread spectrum) alkalmazza.

Az FHSS sávugrásos kommunikációs technikája nem egy mai ötlet, többek között Nikola Tesla is utalt erre az eljárásra a 725.605 számú szabadalmában. Magát a technikát eredetileg természetesen katonai célokra kezdték alkalmazni, és - persze komolyabb kripográfiai rendszerekkel kiegészítve - ma is alkalmazzák ezt, például a JTIDS / MIDS család, a HAVE QUICK légiforgalmi mobil (OR), vagy például a SINCGARS Combat Net Radio, Link-16 esetén is.

A polgári alkalmazások köre napjainkban meglehetősen széles a technológia felhasználására, a mobil-telefonoktól kezdve a szabad felhasználású ISM sávokban, főleg a 2,4 GHz környékén forgalmazó távirányítók esetében.

A frekveniaugrásos átviteli eljárások talán legsarkallatosabb pontja az adó és vevő szinkronizálása és szinkronban tartása. Ehhez egyrészt mind az adónak, csakúgy, mint a vevőnek "egy kottából kell dolgozniuk", azaz a szekvenciaváltások sorrendjének és a váltások közötti várakozási időknek egységesnek kell lenniük; ez az ún. Basic Service Set. A vevő szinkronizálásához két mód létezik: Az egyszerűbb, amikor egy adott frekvencia az ismétlések során csak egyszer kerül felhasználásra, így a vevő, ha észleli az adást ezen a sávon, tudni fogja, hogy hol kell folytatnia az ugrások követését. A másik megoldás szerint az adó időnként elküldi a táblázatbeli pozícióját.

Az egy adott sávon történő forgalmazás hosszát is előre rögzíteni kell, ez az ún. Dwell-time:

Dwell-time

A frekvenciaváltások sűrűsége általában jóval nagyobb, mint az adatjel váltások sűrűsége. A lenti példában egy adatjel intervallumra 4 frekvenciaváltás jut:

egy adatjel intervallumra 4 frekvenciaváltás jut

AFH

en: Adaptive Frequency Hopping

Az AFH-t a Bluetooth alkalmazza. Ez az eljárás 79 frekvencia-lépcsőre osztja a teljes sávszélességet. Ezek között a lépcsők között 1 MHz sávszélesség lett kihagyva, és a készülékek akár 1600-szor is válthatják ezeket a frekvencia-lépcsőket másodpercenként.

Léteznek olyan csomagok is, melyek nem válthatnak túl sűrűn lépcsőt, ezek az un. Multislot csomagok. A sávszélesség két szélső lépcsője (legalacsonyabb és legmagasabb) biztonsági célokat szolgál, ezek az un. biztonsági sávok (Guard Band).

Persze a standard-tól jó pár országban eltérnek, így például Franciaországban is, ahol a fentartott frekvenciataromány 2.4465 és 2.4835 GHz között található, így a fenti szabályok szerint csak 23 lépcső alakítható itt ki a megszokott 79-cel szemben.

Asszimetrikus átvitel alkalmazásával a 706,25 kbit/s letöltési és 57,6 kbit/s feltöltési sebesség is elérhető.

en: Direct-sequence spread spectrum
hu: Közvetlen szekvenciájú szórt spektrum

A közvetlen szekvenciájú szórt spektrum egy rádiókommunikációs átviteli eljárás. Eredetileg katonai célokra fejlesztették ki, kereskedelmi célokra először a helyi hálózatokon való (kis távolságú) átvitelre kezdték el használni. Első lépésben az átvitelre kerülő jelsort szétbontják, ezeket a részeket több frekvencián viszik át.

Egy jelgenerátorral nagy adatsebességű ál-zajt (PN: pseudorandom number) vagy más néven chipping code-ot, azaz (nagyjából) kódforgácsot hoznak létre és az adatsort különféle digitális modulációs eljárásokkal (DQPSK, DBPSK) ebbe a kvázi-zajba modulálják. Az így előállított adatfolyamot egyszerűen chips névvel illetik. A fogadó oldalon az eljárás hasonló, de fordított; a generált PN-nel és az ismert modulációs eljárással demodulálják a beérkező zaj-szerű jelet, és megkapják az adatsort. A DSSS a BPSK-val összehasonlítva sokkal szélesebb sávú adatátvitelt valósít meg:

A DSSS a BPSK-val összehasonlítva

Minél nagyobb számú chipping code-ot alkalmaznak bitenként, annál stabilabb lesz az átvitel, így ezzel a rátával, a processing gain-nel lehet jellemezni az átvitel stabilitását. A spreading ratio a chipping code és az adatátitel közötti sebességkülönbség hányadosa, az IEEE ajánlásai szerint ennek a minimális értéke 11 kell, hogy legyen.

Az átvitelre rendelkezésre álló ISM sáv 14 csatornájából Európában 13-at lehet a DSSS-re igénybe venni:

DSSS csatornák

Minden csatorna 22 MHz széles, és közöttük 5 MHz rés található. Az átfedések (és interferenciák) teljes elkerülésével a fenti 14 (13) csatornából gyakorlatilag csak 3 alkalmazható:

A 14 (13) ISM csatornából gyakorlatilag csak 3 alkalmazható DSSS-re

A DSSS (802.11b) két ajánlást ad az átvitelre:

  • Barker Chipping Code
  • Complementary Code Keying (CCK)

Mindkét kódolás alkalmazható DBPSK-val vagy DQPSK-val egyaránt.

Barker Chipping Code

A Barker kódolás szerint 1 adatjel átviteléhez 11 chipping code szükséges. Az átvitel sebessége 1 Mbps (DBPSK modulációval) vagy 2 Mbps (DQPSK modulációval) lehet. A chipping code egy un. Barker-szekvencia, ami 11 bitből áll: "10110111000". Ez alatt a szekvencia alatt a kódolás egy adatbitet továbbít, melyet kizáró vagy (XOR) művelettel kell a szekvenciára kódolni, azaz a "chips", azaz a kódolt jelfolyam így alakul:

adatbit 1: "01001000111" (minden bit értéket vált)
adatbit 0: "10110111000" (minden bit marad)

Barker Chipping Code

CCK

en: Complementary Code Keying

A CCK a 8 bites chipping code-ra 4 vagy 8 adatbitet konvertál. A 8 bit a modulációra alkalmazott DQPSK fázisszögei szerint kerül párosával kialakításra, eszerint az átvitel sebessége 8 chip / 8 adatbit esetén 11 Mbps, míg 8 chip / 4 adatbit esetén 5,5 Mbps lesz.

en: chirp spread spectrum

A ciripelő (jobb hijján) szórt spektrum (chirp spread spectrum) (ISO 24730-5) gyakorlatilag úgy működik, hogy minden átvitelre kerülő digitális jelhez egy szélessávú és ezért meglehetősen hibatűrő (jellegzetesen ciripelésre hasonló) jelmintát rendelnek az átvitel során:

"Fel", "Le" ciripelés

Így az egész átvitel gyakorlatilag a "fel" és "le" típusú cipripelések sorából áll:

A ciripelő (jobb hijján) szórt spektrum (chirp spread spectrum)

A chirp ideális megoldást jelent az alacsony energiafelhasználású, alacsony átviteli sebességgel dolgozó protokollok számára, így az LPWAN-ok közül is több protokoll alkalmazza ezt a modulációt, ezek közül a legismertebb a LoRa, azaz a LoRaWAN.