Przegląd bezprzewodowych technologii komunikacyjnych krótkiego zasięgu w zastosowaniach przemysłowych

Znaczna liczba modułów pracuje w radiowym paśmie nielicencjonowanym (powszechnie znanym jako ISM – Industrial Scientific Medical), co ułatwiło rozwój wielu zastosowań, ale również wprowadziło ograniczenia, np. odnośnie mocy emitowanej przez anteny.

Ponieważ najczęściej stosowane są anteny dookólne, w jednej chwili dochodzi do przenikania się wielu fal elektromagnetycznych pochodzących z różnych źródeł. Co więcej, brak ograniczeń na wykorzystanie pasma sprawia, że w jednej lokalizacji pojawić się może dowolna liczba urządzeń nadających i odbierających niezależne strumienie danych. Z tego względu istotne są parametry związane z określonymi pasmami, które jednocześnie sugerują obszar potencjalnych zastosowań.

Najbardziej znanymi technologiami bezprzewodowymi są obecnie standardy IEEE 802.11 (szerzej znane jako Wi‑Fi), czyli standard lokalnej bezprzewodowej sieci komputerowej, a także IEEE 802.15.1 (o powszechnie rozpoznawalnej nazwie Bluetooth), zapewniający komunikację pomiędzy urządzeniami znajdującymi się blisko siebie (przeważnie do 10 m) i wymieniającymi się niewielką ilością informacji (z prędkością do 1 Mb/s).

Oprócz wymienionych rozwiązań istnieją jednak inne, wykraczające poza powszechnie rozpoznawane pasmo ISM (2,4 GHz lub 5 GHz).

Do takich w szczególności należą SRD860 oraz LPD433 (zaliczana do ISM), które również mogą zostać wykorzystane w zastosowaniach pomiarowych, sterowania oraz w tzw. obszarze użytkownika końcowego.

Z pasma SRD860 korzystać może np. technologia ZigBee (standard IEEE 802.15.4) w Europie, LPD433 zaś wykorzystywane jest głównie do bezprzewodowej transmisji głosowej (amatorska radiokomunikacja).

W artykule przedstawiono technologie komunikacji bezprzewodowej bliskiego zasięgu działające w paśmie poniżej 1 GHz. Po krótkim wprowadzeniu do standardów SDR omówiono ich parametry fizyczne (m.in. dopuszczalną moc i typową prędkość transmisji), co obejmuje również liczbę i szerokość kanałów komunikacyjnych, wykorzystywane modulacje, a także zdolność do poprawnego odbioru danych cyfrowych w warunkach zakłóceń. Przedstawiono również typowe zastosowania omawianych standardów, zarówno obecne, jak i planowane w przyszłości.

Charakterystyka pasm SDR

Technologia urządzeń bliskiego zasięgu opracowywana jest od kilkudziesięciu lat, czego efektem jest zarówno szereg standardów (m.in. wymienione wcześniej Wi-Fi czy Bluetooth), jak i dokumentów standaryzacyjnych określających ograniczenia każdego z rozwiązań oraz przewidującego jego użyteczność w przyszłości [1].

W efekcie utworzono mapę zajętości pasma częstotliwości radiowych z przeznaczeniem dla tego typu urządzeń. Nie jest to pasmo jednolite, zostało bowiem podzielone na wiele podpasm, zajmujących obszary od kilkuset kiloherców do 246 GHz.

Wiele z zarezerwowanych podpasm zostało przydzielonych istniejącym rozwiązaniom, niektóre wciąż czekają na potencjalne zastosowanie.

Zatwierdzaniem przydziałów częstotliwości dla poszczególnych zastosowań zajmują się z ramienia Komisji Europejskiej organizacje ETSI (European Telecommunications Standards Institute) oraz CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations).

W tym drugim przypadku najistotniejszy dla technologii SDR jest wydział ECC (Electronic Communications Committee), odpowiedzialny ze rekomendację dla poszczególnych zakresów.

Najważniejszą cechą pasm SDR jest brak konieczności pozyskania licencji na ich wykorzystanie. Zaletą takiego rozwiązania jest duża swoboda we wprowadzaniu kolejnych urządzeń do użytku, co wpłynęło na popularność np. komputerowych sieci bezprzewodowych.

Z drugiej strony problemem może być właśnie liczba jednocześnie nadających i odbierających dane modułów. Z tego powodu konieczne stało się wprowadzenie szeregu ograniczeń ułatwiających koegzystencję urządzeń (np. poprzez dopuszczenie maksymalnego poziomu mocy sygnału emitowanego przez antenę).

Pasmo SRD może być wykorzystane zarówno do transmisji analogowej, jak i cyfrowej, jednak ta druga ze względu na upowszechnienie się układów cyfrowych praktycznie we wszystkich dziedzinach techniki jest zdecydowanie częściej stosowana (dlatego też w artykule omawiane są tylko rozwiązania komunikacji cyfrowej).

Uproszczoną tablicę przydziałów częstotliwości przedstawia rysunek 1.

Najważniejszą część pasma zajmuje obszar zarezerwowany dla urządzeń przemysłowych, naukowych oraz medycznych (Industrial Scientific Medical – ISM).

W podpaśmie 2,4 GHz działają najpopularniejsze technologie, tj. Wi-Fi [2] oraz Bluetooth (choć ta pierwsza wraz z odmianą 802.11n oraz 802.11ac powoli migruje w stronę pasma 5 GHz).

Z drugiej strony technologia RFID (identyfikacji urządzeń komunikujących się na częstotliwościach radiowych) [3] wykorzystuje pasmo 13,5 MHz, zaś obszar w okolicy 433 MHz (tzw. pasmo 70-centymetrowe) zarezerwowany jest dla urządzeń typu LDP433 (ang. Low Power Devices), stanowiąc do niedawna podstawowy obszar częstotliwości dla taniej, amatorskiej łączności radiowej.

Poza tym szereg podpasm został przygotowany dla amatorskich i profesjonalnych zastosowań radiokomunikacyjnych (np. działalności krótkofalarskiej).

Dla przykładu, tzw. pasmo 1.2-centymetrowe (zakres 24.00–24.25 GHz) jest wykorzystywane do amatorskiej komunikacji radiowej oraz satelitarnej.

Technologia SRD860, będąc rozszerzeniem rozwiązania LPD433 (z intencją przeniesienia całej komunikacji do tego właśnie przedziału częstotliwości) wykorzystuje pasmo 863–870 MHz, dzielone zwykle na trzy przedziały, tj. 863–865 MHz, 865–868 MHz oraz 868–870 MHz. Ich wykorzystanie zostało przypisane następującym klasom urządzeń [4]:

• pasmo najniższe (low-band) wykorzystują urządzenia audio, tj. mikrofony bezprzewodowe oraz odbiorniki,
• pasmo środkowe (mid-band) wykorzystywane jest przez urządzenia przemysłowe, np. do oznaczania i śledzenia pozycji towarów w fabryce,
• pasmo górne (high-band) zajęte jest przez systemy automatyki domowej i biurowej, alarmy przeciwpożarowe czy czujniki inteligentne (podzielone na kilka kanałów wąskopasmowych o ograniczeniach mocy promieniowanej rzędu, odpowiednio 10, 25 oraz 100 mW).

Trzecie podpasmo jest obecnie najintensywniej wykorzystywane, wiąże się też z nim największe nadzieje dla przyszłych aplikacji (rys. 2).

Przykładem urządzenia działającego w górnej części pasma 860 MHz jest radiotelefon SATELLINE-3AS firmy SATEL (fot. 1) [5].

Z kolei rozwiązanie LPD433 zajmuje przedział 433,05–434,79 MHz i wykorzystywane jest głównie przez amatorskie nadajniki i odbiorniki radiowe średniej mocy [6], ale także występuje np. w kluczykach samochodowych (umożliwiając operację na zamku centralnym i alarmie).

Szczegóły transmisji informacji

Każde pasmo przydzielone do użytku dla określonej klasy urządzeń charakteryzowane jest przez jedną częstotliwość (zwykle dolną lub środkową), w pobliżu której mogą być nadawane i odbierane informacje. Każde pasmo jest zatem podzielone na fragmenty (kanały), którymi przesyłane są fale elektromagnetyczne przenoszące informację.

Szerokość kanału zależna jest od konkretnego podpasma SRD i określa ona, jaką częstotliwość musi mieć transmitowany sygnał (tzw. nośna) oraz jak szeroki obszar może zajmować w sąsiedztwie centralnej częstotliwości nośnej.

Sposób wydzielenia kanałów zależy od stosowanych modulacji (czyli metod transmisji danych cyfrowych lub analogowych za pomocą fali elektromagnetycznej). Energia fali nośnej skupiona jest wokół częstotliwości środkowej, część jej rozprasza się jednak w szerszym paśmie. Istotna jest zatem minimalizacja niekorzystnego efektu interferencji powodowanych przez fale znajdujące się w sąsiednich kanałach, w większości przypadków widma sygnałów z sąsiednich częstotliwości mogą się bowiem nakładać.

Dobrym przykładem służy standard Wi-Fi 802.11b, dla którego pasmo 2,4 GHz (w zakresie 2,401–2,495 GHz) zostało podzielone na 14 nachodzących na siebie kanałów o szerokości 22 MHz każdy (z których ostatni zarezerwowany jest tylko dla Japonii), przy czym zdefiniowane są one tak, że każdy kanał pokrywa się częściowo z pięcioma sąsiednimi (rys. 3.). Dzięki temu możliwe jest efektywne wykorzystanie pasma do jednoczesnej komunikacji przy użyciu wielu urządzeń znajdujących się w bezpośredniej bliskości.

Aby jednak uniknąć zniekształceń, stosowane modulacje muszą zapewniać dostatecznie niski poziom tzw. ICI (ang. Inter Channel Interference), czyli interferencji pomiędzy falami elektromagnetycznymi w sąsiednich kanałach.

Podobnym parametrem określającym wpływ informacji przesyłanych w sąsiednich kanałach na możliwość poprawnego odbioru sygnału w kanale aktualnie przetwarzanym jest tzw. ISI (ang. Inter Symbol Interference). Z tego m.in. powodu standard 802.11n wykorzystuje kanały o szerokości 40 MHz, co jednak wpływa ujemnie na interferencje międzykanałowe. Aby ich uniknąć, stosowana jest mniejsza liczba kanałów.

W przypadku technologii LPD433 pasmo 433,05–434,79 MHz zostało podzielone na 69 niezachodzących na siebie kanałów o szerokości 25 MHz. Pierwszy kanał zajmuje zatem obszar 433,05–433,075 MHz, drugi 433,075–433,09 MHz itd. Technologia SRD860 jest bardziej skomplikowana pod tym względem, samo górne pasmo zostało podzielone na 5 obszarów, jak pokazano w tabeli 1.

W obszarach tych z kolei wyodrębniono różną liczbę nienachodzących na siebie kanałów o zróżnicowanej szerokości. Łącznie zawarto tu zatem 126 kanałów.

Należy podkreślić, że przydział częstotliwości ma charakter lokalny, tzn. jest ściśle związany z konkretnym rejonem geograficznym. Standard SRD860 jest wykorzystywany głównie w Europie, zaś w Stanach Zjednoczonych częstotliwości te są wykorzystywane przez telefonię komórkową, nie mogą zatem służyć urządzeniom bliskiego zasięgu.

Z kolei licencjonowane pasmo 5 GHz, standardowo wykorzystywane przez standard IEEE 802.11 w Ameryce, zarezerwowane było w Europie dla technologii HyperMAN (która jednak obecnie jest zarzucona, w związku z czym również na naszym kontynencie będzie można ją wykorzystać dla przyszłych standardów bezprzewodowej sieci komputerowej).

Niezwykle istotnym parametrem transmisji bezprzewodowej jest moc anteny nadawczej i/lub odbiorczej.

W opisywanych technologiach wykorzystywane są najczęściej anteny wbudowane w urządzenie lub zewnętrzne przeznaczone do określonego celu. Rzadziej stosuje się anteny zewnętrzne ogólnego przeznaczenia (co do niedawna było częstą praktyką w technologii Wi-Fi, ponieważ dzięki końcówce wyprowadzanej z karty możliwe było podłączenie wielu rodzajów anten).

W komunikacji bezprzewodowej parametrem określającym praktyczne możliwości urządzenia jest efektywna moc wypromieniowana (Effective Radiated Power – ERP) [7]:

gdzie P to moc wypromieniowana przez antenę. Alternatywnie wykorzystać można efektywną moc wypromieniowania względem idealnej anteny izotropowej (ang. Effective Isotropic Radiated Power – EIRP). Wówczas zależność jest następująca:

Uwzględniając natężenie pola elektrycznego E w odległości r od anteny, moc wypromieniowana może być obliczona ze wzoru [1]:

Parametrem pośrednio związanym z emitowaną mocą, a mającym krytyczne znaczenie dla poprawnej komunikacji cyfrowej w opisywanych pasmach, jest współczynnik BER (ang. Bit Error Rate), określający prawdopodobieństwo błędnego odczytania wartości bitu. Dla przykładu, BER=10e-3 oznacza, że jeden na tysiąc bitów może zostać niepoprawnie odczytany, co wymaga powtórzenia transmisji.

Ponieważ urządzenia bliskiego zasięgu typu LPD433 oraz SRD860 odpowiadają za przesyłanie stosunkowo niewielkich ilości informacji, przedstawiona wartość przykładowa BER jest akceptowalna (choć w przypadku technologii odpowiedzialnych za bardziej intensywną komunikację wartość BER musi być znacznie wyższa, np. 10e-6).

Opisywane urządzenia są często zasilane bateryjnie. Z tego powodu moc wypromieniowywana przez antenę nie może być zbyt duża.

Ograniczenie to jest również spowodowane dążeniem do minimalizacji zakłóceń pomiędzy urządzeniami w sytuacji, gdy ich liczba jest na tyle duża, że wykorzystywane są wszystkie dostępne kanały.

Urządzenia klasy SRD charakteryzują się zatem niewielką mocą promieniowania. W większości wypadków wartość graniczna (w zależności od pasma częstotliwości) to 500 mW [7], nierzadko jest ona jednak znacznie mniejsza. W przypadku technologii LRD433 jest to 10 mW, zaś ograniczenia technologii SRD860 pokazano na rysunku 4., są one bowiem zależne od wykorzystywanego podpasma.

Do poziomu wypromieniowywanej mocy proporcjonalny jest również zasięg komunikacji. Generalnie im mocniejszy sygnał, tym większe możliwości jego detekcji w znacznej odległości od nadawcy (zgodnie z (3)). W przypadku mocy do 10 mW zasięg nie przekracza 10 m, moc rzędu 25 mW i więcej oznacza zasięg do 100 m (w ekstremalnych sytuacjach może to być nawet 1 km, jednak w praktyce takie parametry nie są osiągane, głównie z powodu obecności przeszkód terenowych).

Możliwe jest zwiększenie zasięgu urządzeń poprzez zwiększenie dopuszczalnej mocy (np. do 1 W), jednak wówczas pojawiają się problemy z jednoczesną komunikacją licznych urządzeń na niewielkim obszarze, prowadząc do wzajemnego zakłócania.

Stosowane modulacje

Cyfrowa oraz analogowa transmisja informacji na poszczególnych pasmach możliwa jest dzięki zastosowanej modulacji. Od jej rodzaju zależy również prędkość transmisji.

Obecnie systemy komunikacyjne są niezwykle zaawansowane pod tym względem.

Dla przykładu, pierwsza implementacja Wi-Fi, tj. standard IEEE 802.11, zapewniała maksymalną prędkość 2 Mb/s, zaś jej najnowsza, stopniowo wprowadzana na rynek odsłona, tj. IEEE 802.11ac, zapewnia już prędkość teoretyczną 7 Gb/s.

Tak znaczny wzrost osiągów był możliwy m.in. dzięki wprowadzeniu modulacji OFDM (ang. Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

W technologii SRD860 stosowane są (oprócz modulacji analogowych) głównie metody rozpraszania widma FHSS (ang. Frequency Hoping Spread Spectrum) oraz DSSS (ang. Direct SequenceSpread Spectrum).

Pierwsza polega na okresowej zmianie kanału, którym przesyłany jest sygnał.

Co jakiś czas (określony w specyfikacji) następuje przeskok z aktualnego kanału na następny w sekwencji (która musi być znana zarówno nadawcy, jak i odbiorcy). Jest to metoda rozpraszania widma, która umożliwia komunikację wielu urządzeń jednocześnie z wykorzystaniem tego samego pasma (przy założeniu, że w danej chwili transmitowane są dane na różnych kanałach).

Tego typu modulacja była już stosowana w standardzie 802.11, gdzie pasmo 2,4 GHz zostało podzielone na 79 niepokrywających się kanałów o szerokości 1 MHz.

Prędkości uzyskiwane dla SRD860 są zatem analogiczne i nie przekraczają 500 kb/s.

Modulacja DSSS polega na przemnożeniu oryginalnego ciągu binarnego przez ciąg o zmieniających się znacznie szybciej poziomach, dzięki czemu wynik zajmuje znacznie szersze pasmo niż na początku.

Następnie stosowana jest modulacja typu PSK (ang. Phase Shift Keying), np. BPSK do transmisji strumienia danych za pomocą fali elektromagnetycznej. Jest to modulacja fazowa, w której ciągi binarne są reprezentowane przez sygnały sinusoidalne o różnym przesunięciu, np. 0, 90, 18 i 270 stopni.

Obie strony komunikacji muszą dysponować tym samym ciągiem binarnym, przez który mnożony jest oryginalny strumień danych. W przypadku LRD433 metoda modulacji nie jest z góry określona, jednak najczęściej proponuje się modulacje amplitudy (ang. Amplitude Shift Keying – ASK lub On-Off Keying – OOK), która pozwala kodować cyfry binarne za pomocą poziomów sygnału (w najprostszym przypadku poziom wysoki, np. 5 V oznacza jedynkę, podczas gdy niski, np. 0 V, oznacza zero).

Zastosowania przemysłowe

Obecnie technologie bliskiego zasięgu wykorzystywane w przemyśle umożliwiają komunikację urządzeń pomiarowo-sterujących między sobą oraz z modułami nadrzędnymi.

Interesującym przykładem zastosowania jest wykorzystanie radiotelefonów sprzęgniętych (np. poprzez interfejs RS0232C lub USB) z miernikami na terenie hali produkcyjnej.

Urządzenia zdolne są do pracy w dwóch trybach: P2P (czyli punkt-punkt) oraz P2M (czyli punkt-wielopunkt).

W pierwszym przypadku komunikują się tylko dwa urządzenia w trybie dwustronnym (tzn. oba moduły mogą być nadawcami lub odbiorcami), w drugim zaś jedno urządzenie jest nadawcą, a pozostałe – odbiorcami.

Transmisja związana jest z automatyczną kontrolą poprawności przesłanych informacji, dzięki czemu zwiększa się niezawodność transmisji (choć urządzenia ją zapewniające są droższe).

Typowym zadaniem tak zestawionego układu transmisyjnego jest np. przesyłanie informacji alarmowych w związku z pracą monitorowanych urządzeń.

W przypadku awarii zaworu, pompy lub siłownika, konieczne jest ich natychmiastowe wyłączenie. W systemie rozproszonym pojawienie się informacji o niebezpieczeństwie może zostać szybko przesłane do węzła zarządczego, który z kolei prześle rozkaz wyłączenia do modułu. Ponieważ urządzenia transmisyjne pracujące w paśmie 868–870 MHz mają moc ograniczoną do 500mW, nie zakłócają się wzajemnie, zatem mogą zostać wykorzystane do intensywnej komunikacji pomiędzy wieloma jednostkami naraz.

Podsumowanie

Pasmo SRD jest obecnie niezwykle popularne. Ponieważ jest ono nielicencjonowane, może zostać wykorzystane do dowolnego celu, o ile tylko urządzenia spełniają ograniczenia określające dopuszczalną moc sygnału.

Pasma ISM są obecnie w większości wypadków już zagospodarowane, umożliwiając komunikację bezprzewodową między komputerami, urządzeniami użytku domowego czy modułami komputerowego systemu pomiarowego.

Niektóre częstotliwości mają wciąż niewykorzystany potencjał, zaś rosnąca liczba urządzeń wymusi intensyfikację ich wykorzystania w przyszłości.

Jak pokazują przykłady standardów LPD433 oraz SRD860, także te mniej popularne podpasma mogą zostać efektywnie wykorzystane zarówno komercyjnie, jak i w przemyśle.

Cena urządzeń zdolnych do komunikacji w opisanych pasmach jest na tyle niewielka, że są one w zasięgu finansowym większości użytkowników oraz firm.

Świadomy wybór konkretnego urządzenia zależny jest przede wszystkim od potrzeb, ograniczeń prawnych w danym kraju (czego wyrazem jest krajowa tablica przeznaczeń częstotliwości), a także dostępności urządzeń konkretnego rodzaju.

Zanik technologii komunikacji analogowej (np. telewizji) powoduje pojawienie się nowych zakresów częstotliwości do wykorzystania w coraz bardziej zaawansowanych zastosowaniach.

Literatura

1. „ERC Recommendation 70-03”, online:  http://www.erodocdb.dk/docs/doc98/official/pdf/rec7003e.pdf.
2. A. Zankiewicz, „Technologie bezprzewodowej komunikacji M2M w pasmach nielicencjonowanych – Wi-Fi (IEEE 802.11)”, ElektroInfo, 12/2014.
3. Z. Mazur, „Technologia RFID w systemach automatycznej identyfikacji obiektów”, ElektroInfo, 3/2014.
4. „Short Range Devices operating in the 863-870 MHz frequency band”, Aegis, online: http://stakeholders.ofcom.org.uk/binaries/consultations/tlc/annexes/Final_report.pdf.
5. „Komunikacja bezprzewodowa”, Astor, http://www.astor.com.pl/downloads/katalogi/SATEL/1_SATEL/SATEL.pdf
6. G. Fokin, D. Volgushev, A. Kireev, D. Bulanov, V. Lavrukhin, "Designing the MIMO SDR-based LPD transceiver for long-range robot control applications," Proc. 6th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), 6-8 Oct. 2014, St. Petersburg, Russia, pp. 456-461.
7. M. Loy, R. Karingattil, and L. Williams, "ISM-Band and Short Range Device Regulatory Compliance Overview," Texas Instruments Application Report, online: http://www.ti.com/lit/an/swra048/swra048.pdf. 

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!