Vezeték nélküli átvitel
Sávok
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
jelölése | Középsáv | Frekvencia-tartomány | Elérhetőség | Alkalmazási területek | Alkalmazások a sávban |
---|---|---|---|---|---|
- | 6,78 MHz | 6,765 - 6,795 MHz | helyi szabályozás szerint | mobil szolgáltatások | |
- | 13,56 MHz | 13,553 - 13,567 MHz | Világszerte | mobil szolgáltatások, repüléstechnikai kommunikáció | Wiegand, RFID, NFC |
- | 27,12 MHz | 26,957 - 27,283 MHz | Világszerte | CB, mobil szolgáltatások, repüléstechnikai kommunikáció | |
- | 40,68 MHz | 40,66 - 40,7 MHz | Világszerte | műhold szórás-kommunikáció, mobil szolgáltatások | |
- | 433,92 MHz | 433,05 - 434,79 MHz | Európa, Afrika | rádióamatőr kommunikáció | RFID, NFC, DASH7, HC-12 Arduino modul |
UHF ISM | USA: 908,42 MHz Európa: 868,42 MHz | USA: 902 - 928 MHz Európa: 865 - 868 MHz | Amerika Európa | rádióamatőr kommunikáció | ZigBee, RFID, NFC, DASH7, Z-Wave |
S-band ISM¹ | 2,45 GHz | 2,4 - 2,5 GHz | Világszerte | rádióamatőr és műhold kommunikáció, mikrohullámú sütő, indukciós melegítés | Bluetooth, Bluetooth LE, Wi-Fi, ZigBee, RFID, NFC, Thread, MiWi, nRF24 |
C-band ISM² | 5,8 GHz | 5,725 - 5,875 GHz | Világszerte | rádióamatőr és műhold kommunikáció | |
UWB | 3,1..10,6 GHz | 3,1 - 10,6 GHz | Világszerte | UWB, pulse radio | |
- | 24,125 GHz | 24 - 24,25 GHz | Világszerte | műhold kommunikáció | |
- | 61,25 GHz | 61 - 61,5 GHz | helyi szabályozás szerint | műhold kommunikáció | |
- | 122,5 GHz | 122 - 123 GHz | helyi szabályozás szerint | műhold kommunikáció | |
- | 245 GHz | 244 - 246 GHz | helyi szabályozás szerint | műhold kommunikáció |
¹: Az S-sáv (S-band) frekvencia-tartománya: 2-4 GHz
²: A C-sáv (C-band) frekvencia-tartománya: 4-8 GHz
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.
2.4 GHz sáv
A 2.4 GHz-es sávtartományban nagy a torlódás, jelenleg szinte minden népszerűbb platform ezt a tartományt használja. Jó tudni, hogy a Wi-Fi egységek főleg a tartomány alsó sávjaiban forgalmaznak, így például az nRFL01 egységeknél érdemes a felsőbb sávokban probálkozni:
csatorna | frekvencia (MHz) | Leírás |
---|---|---|
0 .. 82 | 2400 .. 2482 MHz | Legális, de nagyon zajos csatornák. Konfliktusok a Bluetooth, Bluetooth LE, Wi-Fi, ZigBee, RFID, NFC, Thread, MiWi, nRF24 és egyéb készülékekkel. |
83 .. 99 | 2483 .. 2499 MHz | Nem legális csatornák. |
100 | 2500 MHz | Licenc-köteles csatorna. |
101 .. 119 | 2501 .. 2519 MHz | Legális, jól használható csatornák, a Wi-Fi által használt sávok fölé esnek. |
120 .. 125 | 2520 .. 2525 MHz | Elvileg katonai célú sávok, legalábbis az USA-ban. |
UWB
en: Ultra-wideband, ultraband
de: Ultra-Breitband-Technologie
Az UWB alacsony enegiaszintű, alacsony átviteli távolságú, nagy sávszélességű kommunikáció. Leggyakrabban a radar kép-alkotásban, szenzor-adatgyüjtő hálózatoknál (WSN), nagypontosságú helymeghatározó rendszereknél kerül felhasználásra. Sávszélessége jellemzően nagyobb, mint 500 MHz, és az átvitele általában impulzus jellegű, korábbi megnevezése az UWB-nek ezért impulzus rádió (pulse radio) volt. Az impulzus-alapú UWB radarok jellemzően magas - 1..100 impulzus / másodperc - ismétlési rátát alkalmaznak a képalkotáshoz. A kommunikációs rendszerek ezzel szemben lassú ismétlési rátával dolgoznak: 1..2 impulzus / másodperc.
A szórt spektrumú átvitelekhez képest az UWB alacsony energiájú és lassú, ezért a hagyományos keskeny-sávú átviteli rendszereket kevésbé zavarja.
2006-tól a 7,5 GHz feletti frekvenciatartományt jórészt világszerte licenc-mentesnek (ISM) nyilvánították az UWB alkalmazások számára, azzal a megkötéssel, hogy az adóegységek kimeneti teljesítménye nem haladhatja meg a −41,3 dBm/MHz (74 nW) (mW ↔ dBm) értéket.
Az UWB technikai jellemzői
- Frekvencia-tartomány: 3,1..10,6 GHz
- Kimeneti teljesítmény: 0,5 mW / −41,3 dBm/MHz
- Hatótávolság: 10..50 m (alkalmazástól függően)
- Adatátviteli sebesség: 480..1320 Mbit/s
Helyi UWB szabályzások
- Kínában 2012-ben engedélyezték a 24 GHz licencmentes alkalmazását (autó)fedélzeti rövid hatótávolságú UWB radarok számára
- Németországban 2008-ban engedélyzeték a 30 MHz és 10,6 GHz közötti sávtartomány nagy részét UWB alkalmazásra, azzal a megkötéssel, hogy a kimeneti teljesítmény nem haladhatja meg a −90 dBm/MHz-et
Mobiltelefon generációk
Generáció | 2G | 3G | 4G | 5G | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Megnevezés | GSM | GPRS | EDGE | UMTS | HSPA | HSPA+ | LTE | LTE-A | New Radio |
Közeghozzáférés | TDMA | TDMA | TDMA | CDMA | CDMA | CDMA | OFDMA | OFDMA | OFDMA |
Modulációs eljárás | GMSK | GMSK | 8-PSK | QPSK | QPSK 16-QAM | QPSK 16-QAM | QPSK 16, 64-QAM | QPSK 16, 64, 256-QAM | QPSK 16, 64, 256, 1024-QAM |
Sávszélesség | 0,2 MHz | 0,2 MHz | 0,2 MHz | 5 MHz | 5 MHz | 5 MHz | 1,4 - 20 MHz | 20 - 100 MHz | 35 - 400 MHz |
csatornacsoportok | - | -8 | -8 | - | - | - | -4 | -4 | -4 |
Adatátvitel | 0,01 Mbps | 0,1 Mbps | 0,2 Mbps | 0,4 Mbps | 14 Mbps | 42 Mbps | 150 Mbps | 1000 Mbps | >1000 Mbps |
Frekv.tartomány Európában | GSM | GPRS | EDGE | UMTS | HSPA | HSPA+ | LTE | LTE-A | FR1:3,4..3,8 GHz FR2: 24,5..27,5 GHz |
5G
5G Technikai jellemzők
A 3GPP által definiált 5G (5. generáció) New Radio (NR) néven ismert, ennek a specifikációja két frekvenciasávra oszlik; FR1 (6 GHz alatt) és FR2 (mmWave):
FR1 (<6 GHz)
Az FR1 számára meghatározott maximális csatorna sávszélesség 100 MHz, a folyamatos spektrum szűkössége miatt ebben a zsúfolt frekvenciatartományban. Az 5G-n ebben a tartományban a leggyakrabban használt sáv a 3,5 GHz környéke.
FR2 (> 24 GHz)
Az FR2-re meghatározott minimális csatorna sávszélesség 50 MHz, maximum pedig 400 MHz, a kétcsatornás aggregációt a 3GPP 15. kiadása támogatja. Az Egyesült Államokban a Verizon 28 GHz-et, az AT&T pedig 39 GHz-et használja erre a célra. Minél magasabb a frekvencia, annál alkalmasabb a nagy adatátviteli sebesség kialakítására, anélkül, hogy zavarna más vezeték nélküli jeleket, vagy túlzottan zsúfolttá tenné a sávtartományt. Emiatt az 5G méterenként mintegy 1000-rel több kommunikációs eszközt képes támogatni, mint a 4G.
FR2 lefedettség
Az 5G 24 GHz-es vagy annál magasabb frekvenciákat használ. Ennek eredményeként az 5G jelek nem tesznek meg nagy távolságot (néhány száz méteren belül maradnak), ellentétben a 4G-vel vagy alacsonyabb frekvenciájú (6 GHz alatti, FR1) 5G jelekkel. Ehhez a magasabb frekvenciasávok használatához néhány száz méterre kell pozícionálni az 5G bázisállomásokat. Ezenkívül ezek a magasabb frekvenciájú 5G jelek nem hatolnak át a szilárd tárgyakon, például autókon, fákon vagy falakon.
5G Sávkiosztások
Rádiófrekvenciás átviteli megoldások
SS
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:
keskenysáv (narrow band) | szórt spektrum (SS: spread spectrum) |
---|---|
Nagyobb energiájú, koncentrált adás a kijelölt frekvencián | Széles sűvon szóródó adás |
Nagyobb energiát igényel | Kevesebb energiával beéri |
A sugárzott és az átviteli sávszélesség közel esik egymáshoz | a sugárzott sáv sokkal szélesebb, mint az átviteli |
Érzékeny az interferenciákra | kevésbé érzékeny az interferenciákra |
Közeli sávokon zajló forgalmazás zavarhatja | Közeli sávokon zajló forgalmazás sokkal kevésbé zavarja |
Általában licenc-köteles sávokon forgalmaz | Az ISM-eket használja |
![]() | ![]() |
FHSS
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.
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:
A frekvenciaváltások sűrűsége általában jóval nagyobb, mint az adatjel váltások sűrűsége. A lenti példában 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.
DSSS
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:
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:
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 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)
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.
CSS
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:
Így az egész átvitel gyakorlatilag a fel és le típusú cipripelések sorából áll:
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.