Vezeték nélküli átvitel

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.

¹: Az S-sáv (S-band) frekvencia-tartománya: 2-4 GHz
²: A C-sáv (C-band) frekvencia-tartománya: 4-8 GHz

forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/ISM_band

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.

Frekvencia-tartománya: 5,1 GHz, 5,3 GHz, 5,4 GHz, 5,8 GHz. Itt 24, 20 MHz széles csatorna használható licenc nélkül kommunikációra.

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:

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.

• 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

• 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

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):

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.

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.

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.

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 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

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:

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.

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.

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)

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.

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.

http://slideplayer.com/slide/5263124/