Polscy producenci i dystrybutorzy modułów do bezprzewodowej transmisji danych

Mimo wielu zalet bezprzewodowa transmisja danych ma szereg ograniczeń, jak podatność na zakłócenia czy stosunkowo małe szybkości transmisji, przez co nie zawsze może konkurować z rozwiązaniami tradycyjnymi. Producenci sprzętu wkładają jednak wiele wysiłku w rozwój tej technologii, przez co sytuacja, jeśli chodzi o możliwości techniczne, dość szybko się zmienia i to dziś jest ograniczeniem technicznym, jutro może nie mieć już zupełnie znaczenia.

Duża liczba dostawców modemów radiowych, jaka przysłała wypełnione ankiety do tego raportu Elektronika, to w prostej linii pochodna chłonnego rynku, którego wzrost dodatkowo napędzają obniżki cen za przesyłanie danych w sieciach GSM, dostępność kilku bezpłatnych pasm częstotliwości oraz szereg standardów transmisji umożliwiających współdziałanie sprzętu różnych producentów.

Modemy radiowe

Mimo gwałtownego rozwoju telefonii komórkowej w ostatnich latach, spadku cen terminali i obniżek taryf nadal w wielu zastosowaniach sieci bezprzewodowe budowane są z wykorzystaniem radiomodemów. Urządzenia te najczęściej przeznaczone są do zastosowań w przemyśle, dlatego charakteryzują się wysoką jakością wykonania toru radiowego, odpornością na pracę w trudnych warunkach i obecnością funkcji ułatwiających integrację radiomodemów z systemami automatyki przemysłowej.

Zalety modemów radiowych w stosunku do produktów korzystających z sieci telefonii komórkowej są najbardziej widoczne w przypadku, gdy aplikacja wymaga przesyłania dużej ilości danych i realizacji możliwie niezawodnej transmisji. Mimo, że zasięg sieci komórkowych jest dostępny na terenie praktycznie całego kraju, w wielu miejscach poziom sygnału okazuje się niewystarczający.

Co więcej, sieci komórkowe w wielu momentach takich jak chociażby Sylwester czy liczne promocje darmowych rozmów mają problemy z pojemnością, co w warunkach przemysłowych może być nie do przyjęcia. Brak opłat za transmitowane dane jest także istotnym argumentem przemawiającym za wyborem takiego rozwiązania łączności.

Radiomodemy dostępne na rynku można podzielić na dwie grupy w zależności od częstotliwości pracy. Pierwsza grupa wykorzystuje ogólnodostępne pasma ISM, czyli 433 i 868MHz lub 2,4GHz. Druga grupa bazuje na częstotliwościach zbliżonych do wymienionych, jeśli chodzi o pasmo, ale leżących w zakresie wymagającym wykupienia zezwolenia.

Mimo wyższych kosztów eksploatacji, druga opcja może być korzystnym wyborem, gdyż płatne częstotliwości charakteryzują się znacznie mniejszym poziomem zakłóceń i umożliwiają osiągnięcie wielokrotnie większego zasięgu pracy. Przepisy radiokomunikacyjne limitują dopuszczalną moc nadajnika w pasmach ogólnodostępnych, co zmusza do stosowania złożonych anten kierunkowych na dłuższych dystansach.

Część radiowa modemów pozwala na pracę w kilku-, kilkunastu kanałach częstotliwości, które wybiera się za pomocą przełącznika lub częściej programuje w syntezerze częstotliwości. Maksymalna przepustowość danych cyfrowych dla radiomodemów jest różna i zależy od zastosowanej modulacji i dostępnej szerokości kanału częstotliwości, którą urządzenie może zająć.

Od kilku lat widać, że producenci radiomodemów korzystają z coraz bardziej złożonych modulacji. W miejsce popularnego kluczowania częstotliwości lub fazy (FSK, PSK) wprowadzane są modulacje kwadraturowe umożliwiające kodowanie dwóch bitów cyfrowych za pomocą jednego zestawu parametrów sygnału analogowego, co umożliwia realizację transferu o szybkości 10-20kbps, przy wykorzystaniu pojedynczego kanału radiowego o szerokości odpowiednio 12,5kHz lub 25kHz.

Radiomodemy dostępne są w formie kompletnych urządzeń oraz modułów OEM do wbudowania do większej całości. W znakomitej większości przypadków wymagają dołączenia zewnętrznej anteny, co wynika z konstrukcji obudowy oraz przeznaczenia. Wbudowana antena sprawdza się tylko w najprostszych zastosowaniach i zawsze zapewnia niewielki zasięg.

Dołączenie radiomodemu do urządzenia realizowane jest najczęściej za pomocą interfejsu szeregowego takiego jak RS232, ale na rynku dostępne są modele pozwalające na zintegrowanie z siecią ethernetową, także obsługujące protokoły przemysłowe. W większości przypadków radiomodemy są przezroczyste dla transmitowanych danych, co jest wygodne i pozwala w prosty sposób zastąpić połączenie kablowe lub światłowodowe łączem radiowym.

Warto zauważyć, że modem radiowy nie realizuje transmisji pełnodupleksowej, w której dane nadawane i odbierane mogą być transmitowane przez tor radiowy jednocześnie. Praca na tej samej częstotliwości wymaga przełączania między nadawaniem a odbiorem, co zapewnia transmisję danych na przemian.

Rozwiązanie takie nie przeszkadza zbytnio, gdy transmisja charakteryzuje się dużą asymetrią, w której np. dużo danych pobieramy a wysyłamy jedynie krótkie komunikaty potwierdzenia. Im transmisja jest bardziej symetryczna, tym realny transfer bardziej zbliża się do połowy wartości maksymalnej realizowanej przez modem.

Możliwość realizacji pełnodupleksowej transmisji radiowej oczywiście jest technicznie możliwa, jednak w praktyce rzadko się z niej korzysta, gdyż wymaga użycia dwóch częstotliwości pracy, dwóch anten lub kosztownego dupleksera antenowego pozwalającego na jednoczesną pracę nadajnika i odbiornika na jednej antenie. Podraża to istotnie koszt rozwiązania łączności.

Opisanego typu radiomodemy oferuje na przykład firma Radmor z Gdyni, która, co warto podkreślić, jest ich krajowym producentem. Radiomodemy Radmoru głównie przeznaczone do transmisji danych, ale po dołączeniu manipulatora umożliwiają także transmisję mowy. Urządzenia Radmoru umożliwiają różnorodną konfigurację sieci w różnych trybach transmisji.

Dostawcą radiomodemów jest także firma Astor, oferująca wyroby fińskiej firmy Satel (nie należy mylić jej z polskim producentem systemów alarmowych z Gdańska o tej samej nazwie) i firma Sabur – dostawca modemów czeskiej firmy Racom. Obie firmy celują z ofertą w systemy przemysłowe, takie jak sieci wodno-kanalizacyjne, ciepłownicze czy gazociągi, jak i w stronę małych systemów przesyłających dane w wymagających warunkach środowiskowo halach przemysłowych. Radiomodemy sprawdzają się także w wojsku, policji czy systemach ochrony mienia.

WLAN, Bluetooth, Zigbee

Modemy radiowe bazujące na łączności z wykorzystaniem pojedynczego kanału radiowego o szerokości 12,5-25kHz zapewniają wprawdzie możliwość osiągnięcia dużego zasięgu, jednak maksymalne szybkości transmisji nie są zbyt duże.

Dlatego równolegle do oferty klasycznych radiomodemów pracujących w wąskim paśmie częstotliwości, na rynku funkcjonuje duża i szybko rozwijająca się grupa urządzeń szerokopasmowych, zapewniających transmisję na mniejszą odległość, ale za to przy przepustowości 1-2Mbps.

Technologie używane w tych rozwiązaniach bazują na rozpraszaniu widma nadawanego sygnału po to, aby pogodzić sprzeczne ze sobą parametry toru radiowego takie jak maksymalna dopuszczalna moc emisji, szerokość zajmowanego pasma i odporność przekazu na zaburzenia elektromagnetyczne.

Rozpraszanie widma uzyskuje się za pomocą pseudolosowego, szybkiego (co kilka ms) zmieniania częstotliwości nadawania z kanału na kanał (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) lub przez stosowanie bardzo szerokiej dewiacji częstotliwości sygnału z nadajnika (25MHz w technologii DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum).

Obie techniki bazują na wykorzystaniu pasm o częstotliwościach gigahercowych, które są w stanie zapewnić dużą liczbę dostępnych kanałów radiowych o odpowiedniej szerokości. FHSS bazuje na 83 1-magahercowych kanałach, DSSS na 13 kanałach po 25MHz.

Odporność na zakłócenia uzyskiwana jest za pomocą kilku technik, z których najpopularniejsze polegają na obserwacji pasma przez odbiornik i wypracowywaniu decyzji, gdzie przenieść się z nadawaniem na podstawie tego, na którym potencjalnie kolejnym w sekwencji skoków kanale są najmniejsze sygnały niepożądane. Wymienione technologie wykorzystują modulacje gausowskie takie jak GFSK (Gaussian FSK) lub GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), co zapewnia pełne wykorzystanie pojemności kanału i jednocześnie zapewnia dobry kształt emitowanego widma.

Na rynku jest coraz więcej urządzeń pracujących w oparciu o ten sposób transmisji danych przez eter, a dostępne modemy bazują na znanych standardach komunikacji bezprzewodowej takich jak WLAN, Bluetooth czy Zigbee.

Urządzenia bazujące rozpraszaniu widma nadawanego sygnału szybko zyskują popularność na rynku, co wiąże się w dużej części z tym, że są one adaptowane zarówno przez branżę IT, przemysł, a nawet wojsko. Precyzyjnie zdefiniowane standardy umożliwiają współdziałanie sprzętu różnych producentów, co sprzyja spadkom cen.

Mimo wielu zabiegów technicznych urządzenia bezprzewodowe pracujące w popularnym i ogólnodostępnym paśmie 2,4GHz są wrażliwe na zakłócenia, które w sposób znaczący mogą wpływać na osiągana przepustowość transmisji. Dlatego coraz więcej sprzętu przeznaczonego do zastosowań profesjonalnych migruje do pasma 5GHz.

Zasięg urządzeń bezprzewodowych opartych na transmisji szerokopasmowej w porównaniu do tradycyjnych radiomodemów jest znacznie mniejsza. Na najkrótszych dystansach wykorzystuje się urządzenia Zigbee i Bluetooth, na większych WLAN. Poprawa uzyskiwanych zasięgów jest możliwa do uzyskania za pomocą anten kierunkowych, ale również przy wykorzystaniu stacji przekaźnikowych pełniących rolę mostów między poszczególnymi protokołami, jakie oferuje rynek.

Modemy dostępne na rynku występują zarówno w postaci gotowych urządzeń zamkniętych w obudowie, jak i modułów OEM do zastosowań embedded. To drugie rozwiązanie oferuje zwykle szereg funkcji ułatwiających zastosowanie modułu we własnej aplikacji takich jak różne interfejsy umożliwiające połączenie z hostem na przykład UART lub USB i rozbudowane oprogramowanie firmware ułatwiające obsługę transmisji.

Pomijając zastosowania przemysłowe, radiomodemy szerokopasmowe doskonale sprawdzają się w zastosowaniach takich jak kasy sprzedaży, zapewniając łączność dla terminali kart płatniczych, w czytnikach kodów kreskowych, systemach pomiarowych i urządzeniach medycznych, elektronice konsumenckiej (PC, laptopy, PDA, akcesoria sportowe).

Firmy oferujące opisane radiomodemy można podzielić na dwie grupy. Pierwszą tworzą dostawcy urządzeń przemysłowych tacy jak Phoenix Contact oraz Eltron, który jest dystrybutorem tego producenta. Obie firmy oferują urządzenia WLAN i Bluetooth, punkty dostępowe, mosty, w odpornych obudowach, przeznaczone do użycia jako elementy sieci.

Modemy te przeznaczone są do pracy w trudnych warunkach i zapewniają dużą odporność na zaburzenia elektromagnetyczne. Urządzenia umożliwiające budowę bezprzewodowych sieci Ethernet oferuje także firma Elmark Automatyka, która jest dystrybutorem firmy Moxa. Ich konstrukcja gwarantuje poprawną pracę w surowych warunkach przemysłowych, natomiast bogata funkcjonalność zapewnia pełną ochronę przesyłanych danych oraz uwierzytelnienie dostępu do sieci. Kolejne dwie firmy w zestawieniu to Guru i Introl. Obie są dystrybutorami chińskiej firmy ICP-DAS i oferują przemysłowe radiomodemy do systemów sterowania i akwizycji danych umożliwiające łączność w systemie punkt-punkt lub w postaci sieci.

Druga grupa firm obejmuje dostawców modemów o uniwersalnym charakterze oraz modułów OEM do zabudowy w systemach embedded. Taką firmą jest np. Gamma, która jest dystrybutorem firm DIGI, SIM Technology, RFM i Acte, która oferuje rozwiązania skandynawskich firm Radiocrafts i Nordic Semiconductor. Są to producenci specjalizowanych układów scalonych i modułów OEM umożliwiających łączność bezprzewodową na krótkich i średnich dystansach.