O bună coexistenţă în banda ISM de 2,4 GHz

26 IANUARIE 2009

Cine sunt interferatorii în banda de 2,4 GHz
Tipurile de interferatori în banda ISM de 2,4 GHz au crescut incluzând, printre altele, WiFi (IEEE 802.11b/g/n), Bluetooth®, telefoanele fără fir, aparatele video analogice şi cuptoarele cu microunde. Amprenta lor în termeni de energii de transmisie şi cum sunt acestea distribuite în bandă în funcţie de timp variază. Un scenariu tipic într-un mediu domestic este prezentat în figura de mai jos.
Interferatorii pot fi categorisiţi în două tipuri: staţionari şi cu variaţia de frecvenţă. Interferatorii staţionari rămân pe aceeaşi frecvenţă pentru o lungă perioadă de timp, uneori chiar blocând alte comunicaţii din jurul acelei frecvenţe. Exemple ale acestora sunt WiFi, cuptoarele cu microunde şi telefoanele DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) fără fir. Pe de altă parte, interferatorii cu frecvenţă variabilă îşi schimbă continuu canalul pe care operează şi lasă o amprentă de interferenţă pe întreaga bandă fără a bloca vreo frecvenţă decât pe o perioadă scurtă de timp.
Un format demodulare DSSS trimite informaţii redundante distribuite spectral pentru a îmbunătăţi şansa de a fi capabil să reconstruiască datele trimise la receptor, în faţa unui mediu de comunicaţie imperfect. DSSS este folosit în WiFi, ZigBee® şi alte reţele IEEE 802.15.4. IEEE 802.15.4 trimite o ieşire distribuită de 2 Mega pentru o viteză de date de 250 Kbps. Deşi un astfel de format de modulaţie rezistă eficient la interferenţa pe bandă îngustă, este supus interferenţei de la orice alt semnal DSSS suprapus direct. Pe de altă parte, un semnal modulat FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) de bandă îngustă rezistă mai bine interferenţelor DSSS decât altor interferenţe pe bandă îngustă. FHSS este utilizat în Bluetooth şi în multe sisteme proprietare.

Care sunt efectele proastei coexistenţe
Când legătura RF este supusă unor interferenţe, rezultatul este acela că pachetele vor conţine erori la primire şi pachetele sunt pierdute. Multe protocoale RF bidirecţionale, cum este IEEE 802.15.4, asigură calitatea serviciului în prezenţa pierderii ocazionale de pachete prin cererea ca receptorul să semnaleze primirea unui pachet prin transmiterea unui aşa numit pachet ACK. Dacă pachetul ACK nu este recepţionat de către transmiţător, pachetul original este retrimis. Această procedură este repetată până când ACK este recepţionat corect sau legătura de comunicaţie este considerată de către transmiţător ca fiind pierdută. Protocoalele RF unidirecţionale rezolvă de obicei pierderea de pachete prin transmiterea aceluiaşi pachet de un anumit număr de ori pentru a creşte probabilitatea ca acesta să ajungă intact la receptor.
Există trei mari efecte ale pierderii de pachete datorate interferenţei: perioada de aşteptare crescută, consumul de putere crescut şi transmiterea redusă.
Creşterea perioadei de aşteptare poate fi exemplificată printr-un sistem bidirecţional cu ACK unde primul pachet nu este primit corect datorită interferenţei. Transmiţătorul va trebui să aştepte o anumită perioadă în timp ce aşteaptă pachetul ACK de la receptor înainte ca să considere că pachetul original a fost pierdut. Trebuie apoi să retrimită pachetul original. Într-un mediu cu interferenţe puternice şi un sistem care nu este rezistent la interferenţe, asemenea transmisii ar putea fi repetate probabil de multe ori înainte de a considera comunicaţia reuşită, astfel crescând latenţa. Un mouse wireless care desenează cercuri este eficient în a ilustra un exemplu asupra experienţei unui utilizator afectat de creşterea latenţei datorită unei coexistenţe proaste. În ilustraţiile de mai jos, două soluţii wireless pentru mouse sunt supuse unei interferenţe de la un transfer de fişiere WiFi între computer şi un router la 3 metri distanţă de receptor. Soluţia din stânga experimentează evident probleme de latenţe intermitente, care se manifestă în calculator, realizându-se mişcări în linie dreaptă între două coordonate. Soluţia din dreapta are o selectivitate bună şi un algoritm de salt de frecvenţă adaptiv care îl lasă neafectat de interferenţă.
Retransmisiile cresc cantitatea de timp în care atât transmiţătorul cât şi receptorul trebuie să stea activi pentru a termina transmisia, şi astfel vor creşte în mod direct consumul de putere al reţelei. Pentru aplicaţii pe bază de baterii, cum sunt reţelele de senzori, acest lucru ar putea conduce la scurtarea vieţii bateriilor mai mult decât era anticipat în mediile cu interferenţe puternice.
Transmisiile frecvente vor reduce de asemenea viteza de transmisie totală a reţelelor cu viteză mare de transmisie. Când se recepţionează audio printr-o legătură RF, de exemplu, viteza maximă de transmisie trebuie redusă dacă interferenţa cauzează pierderi semnificante de pachete pentru a evita perturbaţiile.

Cum să fie realizată buna coexistenţă
În timp ce vor exista în unele medii interferenţe semnificative în unele părţi ale benzii ISM de 2,4 GHz, vor exista mereu şi alte părţi ale benzii care sunt bune pentru comunicaţie. Un algoritm de salt de frecvenţă sau algoritm agil va asigura că reţeaua nu este blocată pe un canal cu interferenţe puternice, şi selectivitatea bună asigură că acesta este minim perturbat de interferatori în alte părţi ale benzii.

Selectivitatea
Selectivitatea este un parametru hardware al receptorului. Un receptor RF nu este numai perturbat de semnale nedorite din interiorul frecvenţelor pe care încearcă să recepţioneze, dar într-o anumită măsură şi de semnalele care sunt transmise pe frecvenţe apropiate. Acest lucru este ilustrat în figura de mai jos unde, deşi semnalul dorit este într-un canal care nu se suprapune cu canalul WiFi, receptorul încă va recepţiona interferenţe de la transferul WiFi.
Selectivitatea este o măsură pentru cât de puternic poate fi un interferator care transmite pe un canal vecin şi care poate fi tolerat de receptor fără a primi erori la pachete. Selectivitatea sau rezistenţa la bruiaj este numită în documentele tehnice rejecţie de canal adiacent şi alternativ şi este măsurată în dB. Figura de mai jos prezintă interferatori în două canale vecine la limita de a cauza suficientă interferenţă la receptor pentru a produce erori în pachete.
Selectivitatea poate fi de asemenea văzută ca o măsură a cât de aproape poate fi un receptor de un element de bruiere fără a-şi “pierde” sensibilitatea. Ca o regulă, pentru fiecare 6dB de creştere a selectivităţii, un receptor poate fi de două ori mai aproape de un bruiaj fără a “pierde” din sensibilitate. De exemplu, presupunând spaţiu liber şi putere de vârf de +10dBm de la un bruiaj operând la +10 MHz de semnalul dorit, distanţa minimă înainte ca receptorul să înceapă să fie bruiat este:

Selectivitate de 55 dB: 0,69 metri (semnalul de bruiaj este – 82 + 55 = – 27dBm)
Selectivitate de 28 dB: 15,4 metri (semnalul de bruiaj este – 82 + 28 = – 54dBm)

Standardele wireless, precum este IEEE 802.15.4, stabilesc cerinţe minime pentru selectivitatea semnalului, dar pentru a realiza un sistem robust, aceste cerinţe ar trebui depăşite. ZigBee Alliance a publicat recent o carte albă despre coexistenţa ZigBee cu WiFi, subliniind importanţa cerinţelor IEEE 802.15.4 pentru selectivitate.
O greşeală uzuală de înţelegere în privinţa interferenţei este aceea că o creştere a puterii legăturii ar putea compensa selectivitatea. Pentru înţelegere poate fi utilizată cu succes analogia cu o petrecere: nu este de ajutor să strigi tare (putere TX ridicată) sau să auzi perfect (sensibilitate bună), dacă cineva nu este în stare să selecteze (selectivitate bună) ce să asculte. Strigătul prea tare (putere TX ridicată) poate cauza ca nimeni să nu se mai înţeleagă datorită zgomotului rezultat (interferenţă).

Saltul de Frecvenţă Static
Saltul de frecvenţă este o metodă unde se pot schimba continuu canalele pentru reţea. Un exemplu al algoritmului de salt de frecvenţă este implementarea în versiunile 1.0 şi 1.1 ale Bluetooth. Masterul produce o secvenţă pseudo-aleatoare de canale pentru a fi folosite în perioade de timp succesive şi le distribuie membrilor reţelei. Membrii reţelei sar sincron între canalele predeterminate. Avantajul schemei este acela că reţeaua nu stă mult pe un singur canal, astfel dacă există interferenţe puternice şi toată comunicaţia este pierdută pe un canal, se poate relua pe alt canal în următoarea perioadă de timp. Dezavantajul este acela că reţeaua trebuie să fie sincronă astfel că dacă reţeaua se mută pe un alt canal unde toată comunicaţia este pierdută datorită interferenţei, membrii reţelei vor decide cu toţii să se mute pe următorul canal în acelaşi timp. Acesta, împreună cu distribuirea listei de canale, adaugă o suprasarcină la complexitatea software şi traficul în reţea. Slăbiciunea algoritmului este că dacă un interferator cum este reţeaua WiFi cauzează interferenţe în ¼ din canalele disponibile din banda de 2,4 GHz, viteza de transmitere a reţelei va fi redusă cu ¼ şi latenţa va fi ridicată dacă sunt alese succesiv câteva canale cu interferenţele puternice.

Saltul de Frecvenţă Adaptiv
Saltul de frecvenţă adaptiv este o îmbunătăţire a algoritmului de salt de frecvenţă static, care permite masterului dintr-un sistem să-şi amintească care canale sunt libere de interferenţe şi să le folosească pe acelea mai des. Masterul ţine un tabel cu scorul pentru fiecare canal. Valorile din acest tabel sunt actualizate continuu pe baza calităţii comunicaţiei din canal. Canalele de salt următoare sunt alese determinist folosind un salt aleatoriu ponderat bazat pe valorile din tablouri.
Lista canalelor care vor fi folosite în continuare este distribuită dispozitivelor din reţea. Pentru multe aplicaţii cu operare sincronă cum sunt tastatura/mouse-ul, telecomenzile, un algoritm adaptiv de salt de frecvenţă poate fi foarte eficient în combaterea interferenţelor. Acesta este sistemul folosit de Bluetooth versiunea 1.2 şi RadioDesk de la TI.

Salturi cu variaţie de frecvenţă
Saltul cu variaţie de frecvenţă poate fi considerat un algoritm de salt de frecvenţă extrem de lent. Reţeaua va rămâne pe acelaşi canal până când rata de eroare a pachetelor PER (packet error rate) creşte peste un anumit nivel de prag. În practică, acesta va găsi un canal cu puţine interferenţe şi va rămâne acolo până când apare un nou interferator. Această schemă este folosită în standardul USB Wireless şi este opţional în standardul ZigBee 2007. Avantajul variaţiei frecvenţei este acela că există puţină suprasarcină, iar viteza este mare atunci când există puţine modificări în modelele de interferenţă. O dificultate pentru sistemele cu variaţie de frecvenţă este că în general nu trebuie schimbate canalele perturbate de un interferator cu salt de frecvenţă cum este Bluetooth. Sistemul ar trebui să aştepte suficient cât un interferator cu salt de frecvenţă să se mute pe canalul următor şi destul de agil ca să se mute repede dacă apare un interferator static. Dezavantajul saltului cu variaţie de frecvenţă se manifestă atunci când sunt detectate interferenţe inacceptabile şi frecvenţa trebuie schimbată; nu există nici un mod de încredere prin care masterul poate informa membrii reţelei de schimbarea de frecvenţă. În acest fel vor trebui folosite pauze, iar timpul de aşteptare rezultat în schimbarea frecvenţei poate fi inacceptabil de exemplu în sistemele de interfaţare cu utilizatorul.

Concluzie
Datorită numărului mare de interferatori, problemele de coexistenţă trebuie luate în considerare pentru orice reţea RF proiectată să funcţioneze în banda ISM de 2,4 GHz. Cheia realizării unei bune coexistenţe este să se înceapă cu o transmisie radio cu o bună selectivitate, astfel încât reţeaua să fie perturbată puţin de interferenţele din frecvenţele vecine. În funcţie de cerinţele aplicaţiei, ar trebui implementat un algoritm de salt al frecvenţei sau de variaţie pentru a asigura ca reţeaua să nu rămână blocată pe o frecvenţă cu un interferator agresiv. Cu ajutorul acestor măsuri, este posibilă proiectarea unor reţele RF pentru banda de 2,4 GHz care să corespundă cerinţelor timpului de aşteptare, vitezei şi consumului de putere pentru majoritatea aplicaţiilor.
Peter Rand, System Engineer, Low Power Wireless, Texas Instruments.

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre