13.1.ábra. A jelek csillapítása szabad térben

Átírás

1 13. Rádiós hálózatok A rádióhálózatok az utóbbi években rendkívül gyors fejlődésen mentek keresztül. A rádióháló legfőbb előnye a mobilitás. A hálózattól azt várjuk, hogy az információ, az adatfeldolgozási, számítási teljesítmény bármikor, bárhonnan elérhető legyen. A rádiós rendszerek megismeréséhez néhány alapfogalmat fogunk áttekinteni, anélkül, hogy a hullámterjedés elméletébe elmélyednénk Elméleti alapok A jelek terjedése A jelek szabad térben egyenes vonalban, a fénysebességgel megegyező sebességgel terjednek. Szabad térben az adó energiája egy gömb felszínén oszlik el. Az elfogadott számítási metódus szerint: Csillapítás= 32,4+ 20*log(frekvencia MHz-ben) + 20*log (távolság km-ben) 13.1.ábra. A jelek csillapítása szabad térben A rádiós rendszereink többsége nem szabad térben, hanem a földfelszín közelében működik. A jelek terjedését a távolságon és a frekvencián kívül a felszíni tereptárgyak is befolyásolják. Fresnel zóna Földfelszíni installációnál, ha a két antenna látja is egymást, jelentős csillapítás alakulhat ki. A megfelelő láthatósághoz az kell, hogy az u.n. Fresnel-zónába ne lógjanak be tereptárgyak. 224

2 A Fresnel zóna mérte: 13.2 ábra Fresnel zóna Egyéb hatások A vevő oldalra érkező jelet számos hatás módosítja közbenső tárgyak elnyelő hatása visszaverődés sík felületekről elhajlás a közeg sűrűségének változása miatt (hideg-meleg levegő határán) szóródás kisfelületű tárgyakról szóródás éles sarkokat tartalmazó felületről a vevő és adó nagysebességű mozgása zavaró sugárzások a sávon belül. Tapasztalati adatok 2,4 GHz-es jelek csillapításáról: Anyag Köd Eső (50mm/óra) Téglafal Vastag vakolat Beton fal Kettős üvegezésű ablak Erdősáv (30-50m) Csillapítás 0,02 db/km 0,02 db/km 6-12 db 2-5 db db db db 225

3 Reflexiók hatása A rádióhullámok teljes visszaverődést is szenvedhetnek. Ilyen esetben a visszaverő felület mögött nincs rádióvétel. Elképzelhető az is, hogy a direkt sugárzás nem éri el a vevőt, de egy másik tereptárgyról visszaverődő igen. Tipikus eset, mikor egy hegyoldal felé fordított antenna nagyobb jelet ad, mint az adó irányába fordított, de árnyékolt antenna. A C B D 13.3 ábra. Reflexiók a vételben A reflexiók hatására a vevőbe különböző utakon, eltérő késleltetéssel érkeznek jelek. Ha a bemenetre két jel közel fél hullámhossznyi eltéréssel érkezik, akkor kioltják egymást, vagy legalábbis a vett jel erőssége lecsökken. Ez ellen több antenna alkalmazásával védekezhetünk. A többszörös vétel megakadályozhatja az egymást követő szimbólumok felismerését. A reflexiók miatt egy-egy szimbólum idejét viszonylag nagyra kell választanunk, hogy a következő ne olvadjon bele az előző későn, hosszabb úton érkező jeleibe. Megfelelő adatátviteli sebesség elérésére csak az az út kínálkozik, hogy egy szimbólum sok bitet hordozzon, és alkalmazzunk párhuzamos csatornákat. Egy-egy csatornában a leggyakrabban alkalmazott kódolási eljárások: I= In phase Quadrature Phase Shifting (QPS) 2bit /szimbólum Quadrature Amplitude Modulation 16-QAM 4bit/szimbólum 64-QAM 6bit/szimbólum 226

4 Csatornák 13.4 ábra. Kódolási eljárások A sokféle behatás ellenére elvárjuk, hogy a kapcsolat stabil legyen (a sávon belüli zavarjel esetén is legyen összeköttetés), nehezen legyen lehallgatható, jól használja ki a rendelkezésre álló sávszélességet. Az ipari gyakorlatban ezeket a követelményeket a szórt spektrumú rendszerekkel lehet teljesíteni. A kapcsolatban több rádiócsatornát használunk egyidőben, és valószínűsítjük, hogy valamennyi csatornán nem lép fel zavar azonos időben. Sok párhuzamos csatorna esetén viszonylag alacsony szimbólumsebesség mellett is nagysebességű adtátvitel valósítható meg. A kapcsolat biztonságának növelése A legegyszerűbb megoldás a FHSS (Freqvenzy Hopping Spread Spectrum). A csatorna frekvenciáját egy táblázat alapján, rövid időnként változtatjuk. A táblázat az adó és vevő oldalon is ismert. A rövid idő lehet egy szimbólum időtartamánál rövidebb is, vagy néhány szimbólum időtartamának megfelelő is. (Az eljárást eredetileg arra fejlesztették, hogy a torpedók irányítását nehezebb legyen zavarni). Egy keskenysávú zavar nem teszi lehetetlenné a kapcsolatot (Pl.: háztartási környezetben egy mikrohullámú sütő). frekvencia 1 3 INFORMÁCIÓ ábra. FHSS rendszerű rádióadás DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Az eljárást arra fejlesztették, hogy a sávban esetleg működő zavaró adók hatását csökkentsék, a saját adást pedig elrejtsék. Az adó egy bitnyi idejét felosztjuk töredék bitekre. Minden adó-vevő pár rendelkezik egy spreading kóddal. Az eredeti jelsorozatot ezzel a kóddal EXOR kapcsolatba hozva egy bitsorozatot kapunk. A frekvenciát a töredék-bitenként léptetjük, egy táblázatnak megfelelően. idő 227

5 13.6 ábra. 2 bit ábrázolása a DSSS rendszerben A vevőoldalon a frekvenciaugrások táblázatának és a spreading-kód -nak az ismeretében az eredeti jelsorozat helyreállítható. A szinkronizálás megoldható autó és keresztkorrelációs eljárások használatával. A kód előállítható egy álvéletlen generátorral is. Belátható, hogy az eljárás megnöveli a szükséges sávszélességet. Van azonban több előnye is. Ha egy-egy frekvencián a jel/zaj viszony alacsony, akkor egy olyan vevő számára, amelynek a frekvenciaugrások értéke és időtartama ismeretlen, zajként jelenik meg az adás. Az adóteljesítmény eloszlik a sávban, és zajszínt alatt maradhat. Ez alapozta meg a katonai felhasználást. A felderítő panoráma-vevőkben egy adott frekvencián csak igen rövid időre jelenik meg a zajból kiemelkedő adó, nem vesszük észre az adást. A jel amplitúdója ugyanakkora, mint hagyományos adó esetén, de a sávra jutó átlagos teljesítmény kicsi. Ha több rendszert üzemeltetünk egy sávon belül, akkor az eltérő spreading-kód -al rendelkező adás is zajként jelenik meg. jel teljesítmény jel zaj frekvencia Hagyományos rádió DSSS rádió 13.7 ábra. Jelteljesítmény eloszlása a sávban 228

6 A DSSS rendszerben 1 bithez több frekvenciugrás tartozik. 1 bit akkor is érzékelhető, ha valamelyik frekvencián ütközés történt a sávban dolgozó más adóval. Zaj szempontjából addig használható a rendszer, míg a keresztkorreláció után a jel kiemelkedik a háttérből. Az ismert alkalmazások közül például az IEEE b szabvány is ezt az eljárást használja, 8 vagy 11 bites spreading kóddal. A Shannon tételben megfogalmazott jel/zaj viszonnyal korlátozott bitsebesség korlátok a modulációs trükkök mellett is igazak. A nagy adatátviteli sebességhez nagy jel/zaj viszony kell. Az átviteli sebesség a távolsággal (térerősséggel) rohamosan csökken ábra g szabvány szerinti készülékek adatátviteli sebessége a távolság függvényében. OFDM Az ejárás a soros/párhuzamos átvitel megfelelője, ahol az adtátvitel párhuzamosságát különböző frekvenciákon működő egyidejű csatornák hozzák létre. Az OFDM az FDM (Freqvenzy Division Multiplexing) eljárás speciális esete, ahol az alcsatornák orthogonalitása miatt az alcsatornák átlapolhatják egymást. A szükséges sávszélesség nagyjából a felére csökken. Lehetővé válik nagyszámú csatorna létrehozása a sávon belül. Az OFDM eljárást széles körben alakmazzák a nagyobb adatátviteli sebesség, a jobb csatornakihasználás, és a keskenysávú zavarok hatásának csökkentése érdekében. (lásd: OFDM fejezet) 13.2 Szabványos megoldások IEEE (WLAN) Célkitűzések: nagy adatátviteli sebeség egyszerű csatlakozás a kábeles ETHERNET hálózathoz stabil kapcsolat szabad (licensz nélküli) frekvenciasáv használata A létrehozott rendszer jól illeszkedik a felhasználói elvárásokhoz. A mobil felhasználók könnyen tudnak csatlakozni a szabadon használható közösségi hálózatokhoz (Hot Spots). 229

7 A WLAN hálózatok alpvetően a TCP/IP protokollra épülnek. A protokoll függvényében az elméletileg elérhető maximális hasznos sebesség jóval alacsonyabb, mint a csatorna névleges sebessége. A szabványosított verziók: IEEE b 2,4 GHz 5GHz IEEE IEEE IEEE IEEE * g n a h IEEE n Tip.hatótáv. beltérben Tip.hatótáv. kültéren 30m 30m 70m 30-50m 30-50m 70m 100m 100m 250m 140m 400m 250m Max. adóteljesítmény 100mW 100mW 100mW? 200mW 1000mW 1000mW Bruttó adatátv. sebesség Jellemző seb. 5,9 Mbit/s TCP 14,4-30, ,4-30,5 24,4-30,5 74 7,1 Mbit/s UDP Átlapolás 3 3? 4 19? nélküli adtatút Csatorna fix fix? fix automata? választás Rádió rendszer DSSS OFDM OFDM DFS DFS OFDM * Az 5 GHz es sáv egy része a katonai radarok sávjába esik. Az alkalmazás elött a felhasznált sávot engedélyeztetni kell, az ingyenes használat ellenére. A szabályozás országonként eltérő. Az IEEE szabvány szerint a csatornák sávszélessége 5 MHz. Egy-egy adatúthoz tartozó sávszélesség azonban cca. 22MHz. Egy adatárviteli út tehát több csatornányi helyet foglal el, aminek középfrekvenciája a készüléken beállított csatorna frekvenciája. 230

8 13.9 ábra. Átlapolás nélküli sávkiosztás IEEE szerint Ha többféle rendszer egyidejű használatára van szükség egy helyen, akkor elrendezhetjük úgy is a sávokat, hogy maradjon hely egy tervezett alkalmazásnak. Működik a rendszer akkor is, ha a sávok átfedik egymást, de csökken a rendszer sebessége és hatásfoka. A hálózat gondos tervezésével jelentősen növelhető a felhasználó rendelkezésére álló adatátviteli sebesség. A 13.9 ábrán az USA-ban szokásos középfrekvenciák szerepelnek. Európában helyet szoktak hagyni a Bluetooth alkalmazásoknak. A szokásos beállítás, hogy az csatorna a sávközép. Nagyobb távolságok esetén a WIFI nem megfelelő technológia. Ha megbízható, több kilóméteres távolságt áthidaló rendszerre van szükség, nem nagy adatátviteli sebesség mellett, akkor a Trusted wireless technológia lehet a megoldás. Ennek a rendszernek is célszerű fenntartani egy csatornacsoportot, ha használjuk ábra. Csatornacsoportok képzése az ISM sávban. Az összeköttetések stabilizálását segíti elő, ha az összeköttetés szükséges sávszélességét nem egymás melletti csatornákkal hozzuk létre, hanem keskenysávú, de nem egymás melletti csatornákból képezünk csatorna csoportokat. Ennek az az előnye, hogy egy szűk spektrumú zavarás kevéssé befolyásolja az összeköttetést. 231

9 Trusted Wireless A WLAN megoldások minden előnyük mellett nem képesek az ipari rádióátviteli igények maradéktalan kielégítésére. A tervezéskor nem az ipari környezet követelményeit tartották a legfontosabb szempontnak. Az ipari rendszerek robusztusabb megoldást kívánnak. A fontosabb követelmények: az összeköttetés zavarás hatására ne szakadjon meg a területen működő, más technológiájú rádiórendszerek minél kevesebb zavart okozzanak sok egyidejű, független kapcsolatot lehessen létrehozni lehetőség szerint nagy hatótávolságot kell elérni korlátozott adóteljesítmény mellett könnyen lehesen integrálni és installálni egy hagyományos automatizálási környezetbe Az alapgondolat, hogy a mérő és vezérlő rendszerek számára elegendő egy keskeny, 100kHz sávszélességű csatorna. Ilyen csatornából az ISM sávban 830 helyezhető el. Tehát 830 független csatornát hozhatunk létre. A csatornákat FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) eljárás szerint váltogatjuk 27msec enként. Egyirányú összeköttetés esetén 63 (100KHz szélességű) csatornát foghatunk össze egy csoportba, és 9 csoportot hozhatunk létre. Kétirányú összeköttetésnél egy csatorna sávszélességét 500kHz ben állapították meg. 7 csoport, csoportonként 22 csatornával áll rendelkeésünkre. Adatátviteli sebesség 300bit/sec-115,2kBitsec között választható. A vevőkészülék bemenete hagyományos, diszkrét elemekből épül fel fel. A diszkrét felépítés eredményeként a vevők bemeneti érzékenysége mitegy 20dB-el jobb, mint integrált társaiké. Ennek köszönhetően irányított antennákkal elérhető szabadtéri távolságok: 900 MHz es sáv, 1W adóteljesítmény, tipikusan 25 km 2,4 GHz-es sáv, 10/100 mw, tipikusan 3 km Az adatátvitel megbízhatóságát jelentősen növeli, hogy egyidejűleg használ hiba javító, és hiba jelző (16 bit CRC) algoritmust is. A hiba javító algoritmusnak a főként pont-multipont elrendezésnél van jelentősége, mert ezekben az esetekben a kapcsolat egyirányú. Természetesen a pont-pont összeköttetésnél is jelentősen javítja a zavartűrő képességét a rendszernek. Hálózati architektura lehet: pont-pont összeköttetés pont -multipont hálós (MESH). Nagyobb távolság áthidalására, vagy terepakadályok (hegy) leküzdésre repeaterek is vannak a rendszerben. A készülékek üzembehelyezése pont-pont kapcsolat esetén gyakorlatilag az antenna szerelésre és a készülékek bekapcsolására korlátozódik. Több készülékes hálózat estén be kell állítanunk a csatornaugrások sorrendjét meghatározó kulcsot (Hopkey). 232

10 13.3 ZigBee A ZigBee a ZigBee Alliance szervezet által kidolgozott szabvány. Tartalmát 2004-ben véglegesítették. Jelenleg folyik a szabvány 2. kiadásának előkészítése. A cél: kis komplexitású hálózatok létrehozására alkalmas, kis adatátviteli sebességű, kis hatósugarú, de megbízható adatátvitelt garantáló eszköz létrehozása. A tervezett alkalmazási területek: ipari mérőeszközök épületautomatizálás orvostechnikai eszközök Az architektúra három fő réteget tartalmaz IEEE által definiált fizikai és adatkapcsolati réteget ZigBee Alliance specifikálta logikai hálózatot alkalmazási profilokat és alkalmazásokat tartalmazó réteget. Alkalmazás Alkalmazási profil Keretrendszer Hálózat és biztonság felhasználó ZigBee vagy a felhasználó ZigBee plattform Adatkapcsolati IEEE Fizikai réteg ábra. ZigBee rétegfelépítése A fizikai és a közegelérési réteg megfelel az IEEE szabványnak. A keretrendszert, az adatvédelmi eljárást a ZigBee szabvány definiálja. Betartása biztosítja a különböző gyártótól származó készülékek együttműködését. Az alkalmazási profil tartalmaz egy publikus részt, ami a különböző gyártók készülékeinek együttműködését garantálja. Az együttműködésre alkalmas eszközök megkaphatják a ZigBee Certified Product tanúsítványt. Zárt rendszerekben egyedi alkalmazási profilokat is tervezhetünk, használhatunk. Az alkalmazás definiálása a felhasználó feladata. A ZigBee készülékek az ISM sávban ( 2,4 2,4835 GHz ), illetve a 868MHz-es sávban üzemelnek. Az ISM sávban 16 csatorna, 5 MHz-es csatornatávolsággal van szabványosítva. Európában 868 MHz-en egy további csatorna is engedélyezett. A rádiótechnikailag a DSSS ( Direct Sequence Spread Spectrum ) eljárást alkalmazzák. 233

11 A 2,4 GHz-es sávban az elérhető bruttó adatátviteli sebesség 250 kbit/sec. A 868 MHz-es sávban 20 kbit/sec a maximális adatátviteli sebesség. A biztonságosságot 128 bites titkosítás, adatismétlést és visszaigazolást használó protokoll segíti. A titkosítási és visszaigazolási eljárások miatt a nettó adatátviteli sebesség nagyjából a fele a bruttó adtátviteli sebességnek. Az energiafelhasználás és a költségek csökkentése érdekében 2 készüléktípust fejlesztettek: teljes funkcionalitású ( Full Function Devices) csökkentett funkcionalitású eszközök ( Reduced Function Devices ) A funkcion a topológiában betöltött szerepkörök szerinti megkülönböztetést jelent. Egy FFD (teljes funkcionalitású) eszköz tetszőleges topológiában használható, lehet hálózati koordinátor, lehet router, minden más eszköztípussal tud kommunikálni, lehet egyben végkészülék is, amellett, hogy router vagy koordinátor nem mehet alvó állapotba, ha koordinátor vagy router funkcióban üzemel. Egy RFD (csökkentett funkcionalitású) készülék csak végkészülék lehet csak 1 hálózati koordinátorral tud kommunikálni automatikusan alvó állapotba megy, ha nincs adatforgalma az üzembe helyezést el lehet végezni szakértői tudás nélkül is. A hálózat lehet csillag vagy hálós topológia. A megvalósított rendszerek többsége hálós (Mesh) topológiájú. A készülékeknek 64 bites egyedi azonosítójuk van. A hálózatban azonban csak 16 bites címet használ a rendszer. Egy hálózatban tehát elvileg résztvevő lehet. A gyakorlatban a lekérdezési gyakoriság, a területen egyidejűleg működő egyéb rádiótechnikai eszközök csatornafoglalása korlátozza az eszközök számát. coordinátor router végkészülék 234

12 13.12 ábra. ZigBee topológia A kapcsolat felépítése a ZigBee készülékeknél megfelel a CSMA/CA ( Carrier Sense Multiple Access ) protokollnak. A hálózati kapcsolatok kialakítása automatikus. Ennek vannak jó és rossz oldalai is. Az előny az, hogy egy hullámterjedési akadályt automatikusan ki tud kerülni a rendszer, ha vannak olyan készülékek, amelyeken keresztül a kapcsolat létrehozható. Nem mindig optimális megoldás, hogy az automatizmusból adódóan csak a készülékek térbeli elhelyezével befolyásolható az útvonal, nem tudjuk közvetlen módon beállítani. Egy alvó készülék ébresztési ideje 15 msec. Egy új készülék automatikus beillesztése a koordinátor listájába kb. 30msec. Nagyon rövid idők, annak érdekében, hogy a végkészülékek az alacsony fogyasztású alvó állapotban lehessenek. Az aktív készülékek áramfelvétele ma. Ezekhez célszerű folyamatos energiaellátást tervezni. Az alvó készülék áramfelvétele azonban rendkívül alacsony. Egy AA méretű teleppel 5-8 évig is működhet egy végpont, ha nincs gyakori lekérdezés. Megtakarítható a kábelezés. 235