Interferencje - ograniczanie w paśmie ISM 2,4 GHz

Użytkownicy takich urządzeń wymagają tymczasem, by interferencje nie wpływały na ich funkcjonowanie. Produkty, które oczekiwań tych nie spełnią, nie mają szans, by utrzymać się na rynku. Wcześniej, czy później zastąpią je urządzania z oferty konkurencji lub tradycyjne, komunikujące się "przez kabel".

Dotyczy to zwłaszcza elektroniki użytkowej. Przykładowo bezprzewodowe klawiatury i myszki powinny umożliwiać szybką i efektywną interakcję z komputerem, nawet jeżeli równocześnie użytkownik używa słuchawki bezprzewodowej lub przesyła w ten sposób dane z telefonu komórkowego do komputera, który dodatkowo sam bezprzewodowo łączy się z siecią lokalną.

Podobnie frustrujące jak na przykład brak reakcji na kliknięcie myszki lub przyciśnięcie klawisza może być też zakłócenie transmisji wyników pomiarów z sieci czujników monitorujących przykładowo parametry środowiskowe (temperaturę, wilgotność) lub wykrywających ruch lub pożar.

W przypadku niektórych zastosowań takich bezprzewodowych sieci sensorów, na przykład w systemach automatyki budynkowej, utrata części cyklicznie przesyłanych informacji może mieć też jednak dużo poważniejsze konsekwencje, na przykład spowodować destabilizację systemu sterowania.

Standardy łączności bezprzewodowej

W przedziale częstotliwości o szerokości 83 MHz, który zarezerwowano na transmisję w paśmie 2,4 GHz, działają sieci zgodne ze standardami z rodziny IEEE 802.xx (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee), bezprzewodowego USB lub z protokołami opracowywanymi niezależnie przez różnych producentów.

Pierwsze z wymienionych sieci są wykorzystywane przede wszystkim do łączenia komputerów w ramach sieci lokalnej i pośrednio z Internetem. Dlatego o możliwość komunikacji w tym standardzie uzupełniane są głównie komputery, w tym przede wszystkim laptopy oraz urządzenia sieciowe (punkty dostępowe).

Są to urządzania, w przypadku których obciążenia związane z transmisją danych nie wpływają znacząco na czas pracy na bateriach. Dlatego w przypadku sieci Wi-Fi priorytetem jest przepustowość. Możliwość transmisji danych przez łącze Bluetooth udostępniana jest z kolei m.in. w telefonach komórkowych, słuchawkach bezprzewodowych, palmtopach.

Podstawową jednostką organizacyjną w sieciach Bluetooth jest tzw. pikosieć. Zawiera ona jeden węzeł typu master oraz maksymalnie siedem węzłów typu slave. Pasmo 2,4 GHz jest w tym wypadku dzielone na 79 kanałów o szerokości 1 MHz, między którymi urządzenia komunikujące się w tym standardzie są przełączane z częstotliwością 1600 razy na sekundę, zgodnie z losową kolejnością.

Sekwencja przełączania kanałów w każdej pikosieci jest taktowana zgodnie z zegarem węzła typu master, z którym muszą być zsynchronizowane wszystkie węzły typu slave. Wireless USB jest używany głównie w wejściowych urządzeniach komputerowych (myszki, klawiatury), a także w sieciach sensorów bezprzewodowych.

Cechą wspólną tych urządzeń jest to, że nie są one ładowane regularnie, a energię pobierają z baterii, które docelowo powinny je zasilać przez wiele miesięcy, a w przypadku czujników nawet lat. Wireless USB używa kanałów o szerokości 1 MHz i podobnie jak w Bluetooth pasmo 2,4 GHz jest w tym wypadku dzielone na 79 kanałów.

ZigBee został natomiast zaprojektowany jako standard łączności między czujnikami oraz elementami systemów automatyki, zwłaszcza budynkowej. Większość urządzeń kompatybilnych z tym standardem jest zasilana bateryjnie, a czas ich pracy na bateriach bez konieczności jej wymiany liczony jest w latach.

Pasmo 2,4 GHz jest w wypadku ZigBee dzielone na szesnaście kanałów o szerokości 3 MHz, kolejno oddzielanych odstępem o szerokości 2 MHz. Ponadto sieci ZigBee wykorzystują też pasmo 868 MHz (w Europie) oraz 915 MHz (w Ameryce Północnej).

Ograniczanie interferencji

Rys. 1. Szerokość kanału w różnych standardach łączności bezprzewodowej w paśmie ISM 2,4 GHz

W wypadku omawianych standardów łączności w paśmie ISM 2,4 GHz w kwestii ograniczenia interferencji można polegać wyłącznie na rozwiązaniach przewidzianych w poszczególnych specyfikacjach. Warto się też na nich wzorować, opracowując własny protokół komunikacji bezprzewodowej.

W celu zmniejszenia wzajemnych zakłóceń w tych standardach wykorzystywane są m.in. dwa rodzaje modulacji: FHSS, czyli rozpraszanie widma z pseudolosowymi przeskokami częstotliwości nośnej oraz DSSS, czyli modulacja z bezpośrednim rozpraszaniem widma ciągiem pseudolosowym.

Ta pierwsza metoda jest stosowana w Bluetooth, natomiast Wireless USB, standardy z rodziny 802.11.b/g/a (Wi- Fi) i 802.15.4 (ZigBee) bazują na modulacji DSSS. Wadą obu technik modulacji jest duży stopień komplikacji powodujący dodatkowe obciążenie urządzenia w związku z koniecznością realizacji złożonego algorytmu, co z kolei zwiększa pobór prądu.

W przypadku modulacji FHSS wynika to m.in. z konieczności zapewnienia synchronizacji między nadajnikiem i odbiornikiem. Uzyskuje się wówczas pewność, że komunikujące się urządzenia przełączają się między odpowiednimi kanałami częstotliwości jednocześnie.

W przypadku modulacji DSSS z kolei obciążeniem jest konieczność generowania i transmisji nadmiarowej sekwencji kodowej, wysyłanej zamiast pierwotnych danych użytkownika. O ile w wypadku urządzeń zasilanych akumulatorami jest to do zaakceptowania, mimo że wpływa na efektywność i czas pracy, o tyle w wypadku urządzeń zasilanych bateriami jednorazowymi może stać się problemem.

Unikanie kolizji transmisji

Oprócz tego w każdym ze standardów zaimplementowano też dodatkowe mechanizmy ograniczania wpływu sygnałów emitowanych przez inne urządzania. Na przykład w sieciach Wi-Fi polega to na tym, że przed rozpoczęciem transmisji urządzanie nasłuchuje, czy w danym kanale aktualnie trwa już wymiana informacji.

Jeżeli kanał jest zajęty, urządzenie odczekuje przez pewien czas, a następnie ponownie rozpoczyna nasłuch. Jeżeli informacje wciąż są przesyłane, procedura ta jest powtarzana do momentu, gdy zostanie wykryta zmiana tego stanu. Dopiero wówczas urządzenie rozpoczyna transmisję.

Jeżeli kanał jest stale zajęty, dany węzeł sieci może również przeszukiwać inne kanały. Dzięki takiemu podejściu do problemu interferencji sieci Wi-Fi używające tych samych kanałów lub kanałów zachodzących na siebie mogą współistnieć bez problemu, wydajnie komunikując się z jednym punktem dostępowym. Niestety jednocześnie maleje przepustowość sieci.

W wypadku sieci Wi-Fi interferencje od urządzeń w sieci Bluetooth są minimalne ze względu na algorytm przełączania stosowany w tych drugich. Jeżeli bowiem węzeł sieci Bluetooth akurat nadaje na częstotliwości, która pokrywa się z częstotliwością kanału Wi-Fi, to zgodnie z mechanizmem unikania kolizji węzeł sieci Wi-Fi wstrzyma się z nadawaniem.

W międzyczasie urządzanie Bluetooth zdąży się przełączyć na inny kanał, o częstotliwości niepokrywającej się z częstotliwością Wi-Fi. Dzięki temu w sieci Wi-Fi będzie kontynuowana transmisja. Podobny mechanizm wykrywania kolizji danych jak w Wi-Fi zaimplementowano w ZigBee.

W wypadku Bluetooth natomiast interferencje między różnymi pikosieciami Bluetooth są minimalne, ponieważ każda z nich działa w oparciu o własny pseudolosowy schemat przełączania częstotliwości. Jeżeli dwie współistniejące pikosieci są jednocześnie aktywne, prawdopodobieństwo kolizji transmisji wynosi 1/79.

Prawdopodobieństwo to rośnie liniowo wraz z liczbą aktywnych nadajników pracujących na danym obszarze. Chociaż na początku interferencje w Bluetooth próbowano zmniejszać wyłącznie przez realizację algorytmu przełączania częstotliwości, wkrótce okazało się, że nawet pojedyncza aktywna sieć Wi-Fi w pobliżu może zakłócić transmisję w kanałach Bluetooth.

Pakiety tracone w ten sposób musiały być następnie retransmitowane, co znacznie ograniczało przepływność w sieciach Bluetooth. W wersji 1.2 tego protokołu rozwiązano ten problem, definiując algorytm adaptacyjnego przełączania częstotliwości AFH (Adaptive Frequency Hopping).

Umożliwia on urządzeniom Bluetooth oznaczanie kanałów jako zalecane, niezalecane lub nieznane. Te drugie w schemacie przełączania częstotliwości są zastępowane przez te pierwsze, a jednocześnie są okresowo sprawdzane pod kątem interferencji - jeżeli te ustąpią, kanał taki jest usuwany z "czarnej listy". Dzięki algorytmowi AFH urządzania Bluetooth nie używają w transmisji kanałów wykorzystywanych aktualnie na przykład przez sieć Wi-Fi lub Wireless USB.

Monika Jaworowska