Technologie bezprzewodowe

Technologie bezprzewodowe mają zastosowanie od prostego monitoringu i kontroli począwszy, na nadzorze, sterowaniu i pobieraniu danych (SCADA) skończywszy. Łączność bezprzewodowa zapewnia niezawodny przesył danych w środowiskach trudnych i takich, w których występuje silna interferencja. W porównaniu z technologiami przewodowymi technologie bezprzewodowe zapewniają większą elastyczność, prostotę instalacji i niższe koszty.

Posiadanie pewnej wiedzy na temat ogólnych charakterystyk RF (częstotliwości radiowej), takich jak odległość i prędkość, metody transmisji oraz wiedza na temat różnych dostępnych technologii bezprzewodowych, pomoże w dokonaniu rozsądnego wyboru technologii lub produktu, jaki powinno się zastosować w danym zakładzie.
Ogólne charakterystyki RF
Ważne jest, by – zanim zacznie się oceniać różne metody transmisji i technologie bezprzewodowe – posiadać pewną elementarną wiedzę na temat częstotliwości radiowej. Wszystkie systemy bezprzewodowe działają na jakiejś częstotliwości, przesyłają dane na jakąś odległość i zapewniają pewną prędkość przesyłu danych „przez eter” (over-the-air – OTA). Właściwości te wzajemnie na siebie oddziałują, ważne jest więc, by znaleźć pewien kompromis i spełnić wymagania związane z konkretnym zastosowaniem.
Częstotliwość
Częstotliwość jest głównym identyfikatorem radia. Częstotliwość, na której działa dane urządzenie radiowe, decyduje, czy system nie wymaga licencji lub czy niezbędne jest uzyskanie licencji od miejscowego organu nadzorczego, takiego jak np. w USA Federalna Komisja Łączności (FCC – Federal Communications Commission). W USA istnieją trzy powszechnie wykorzystywane, niewymagające licencji pasma częstotliwości: 900 MHz, 2,4 GHz i 5 GHz. Powszechnie znane są jako pasma ISM (przemysłowe, naukowe i medyczne), przypisane przez FCC do użytku niewymagającego uzyskania licencji. Aby możliwe było korzystanie z jednego z tych pasm, FCC wymaga, by dane urządzenie radiowe działało w ramach określonych wytycznych, obejmujących także niektóre technologie widma rozproszonego. Patrz „Metody transmisji” dalej.

Jeśli urządzenie radiowe nie pracuje na jednym z pasm niewymagających licencji, wówczas należy złożyć do FCC podanie o pozwolenie na jego użytkowanie. Taki typ urządzenia uznawany jest za urządzenie licencjonowane i zazwyczaj wykorzystuje technologię stałej częstotliwości (patrz także „Metody transmisji”).
Odległość
Częstotliwość transmisji decyduje, czy dane urządzenie jest licencjonowane, czy też nie wymaga licencji i może mieć duży wpływ na odległość, na jaką można przesyłać dane. W sieciach radiowych, gdy tylko sygnał opuści antenę i wędruje przez powietrze, energia tracona jest na drodze, którą przebywa. Ta ogólna strata energii zwana jest tłumieniem sygnału w wolnej przestrzeni i jest funkcją określającą energię traconą przy danej częstotliwości na danej odległości. Rysunek na następnej stronie przedstawia tłumienie sygnału na popularnych częstotliwościach radiowych w zależności od odległości. Z wykresu wynika, że w miarę wzrostu częstotliwości i odległości wzrasta także tłumienie w wolnej przestrzeni.
Podstawowa zasada: stosowanie technologii wykorzystującej niższą częstotliwość pozwoli przesyłać dane na większe odległości.
Prędkość danych OTA
Radio nie działa na jednej częstotliwości; zamiast tego działa w paśmie częstotliwości. Pasmo to można wykorzystywać w całości lub w mniejszych częściach, zwanych zazwyczaj kanałami. Urządzenia radiowe działające w pasmach niewymagających licencji nie mogą wykorzystywać całości pasma i muszą korzystać z kanałów. Spektrum, na którym działa radio (niezależnie od tego, czy jest to całe pasmo czy określone kanały), zwane jest szerokością pasma urządzenia radiowego.
Szybkie radio wykorzystuje szersze pasmo niezależnie od metody transmisji danych. Pasmo kanału odnosi się do ilości danych, jakie można przesyłać za pośrednictwem sygnału radiowego. Mierzy się ją w bajtach przesyłanych w danym, określonym czasie (kb/sek. lub Mb/sek.). Przesył danych z większą prędkością wymaga szerszego pasma, dlatego szybkie radia są bardziej podatne na interferencję. Dzieje się tak dlatego, że prawdopodobieństwo, iż na wykorzystywanym paśmie występuje interferencja, jest większe, a także dlatego, że mniej energii przypada na bit danych.
Energia na bit to ilość energii dostępnej do przesyłu każdego bitu danych. Im mniejsza szybkość transmisji, tym większa ilość energii przypada na bit. Większa ilość energii na bit oznacza większą odległość, na jaką można przesyłać dane. W związku z tym większy zasięg i większa odporność na interferencję wynikają ze zmniejszenia prędkości transmisji.
Podstawowa zasada: konieczny jest kompromis między odległością a prędkością OTA. Im mniejsza prędkość OTA, tym większa odległość, na jaką radio może przesyłać dane.
Metody transmisji
Różne metody transmisji bezprzewodowej mają różne, niepowtarzalne charakterystyki. Skutkiem tych różnic jest możliwość przesyłu różnych ilości danych na różne odległości. Jeden lub więcej z następujących trybów transmisji wykorzystuje się w każdej z opisanych niżej technologii bezprzewodowych.
Stała częstotliwość polega na wysyłaniu sygnału na jednej częstotliwości przy określonej szerokości sygnału (zazwyczaj jest on bardzo wąski). Urządzenia radiowe działające na stałej częstotliwości mają zazwyczaj dużą moc i wymagają licencji na użytkowanie.
Silna interferencja może mieć negatywny wpływ na nadajnik pracujący na stałej częstotliwości, jeśli pracuje on na tym kanale lub w jego pobliżu. Wymóg posiadania licencji sprawia, że system działający w pobliżu nie będzie wykorzystywać tego samego kanału, co zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia interferencji.
Technologia przeskoku po częstotliwościach w dostępnym widmie (frequency-hopping spread spectrum – FHSS) polega na przesyłaniu sygnałów radiowych poprzez szybką zmianę częstotliwości nośnej, przy zastosowaniu pseudolosowej sekwencji, którą zna nadajnik i odbiornik.
FHSS toleruje interferencję, ponieważ jeśli dany kanał jest zablokowany, transmisja zostanie natychmiast wznowiona przy następnym przeskoku.
Technologia bezpośredniego modulowania nośnej sekwencją kodową (direct-sequence spread spectrum – DSSS) to wysyłanie sygnałów, które są rozciągnięte na szerokość kanału częstotliwości nadawczej urządzenia. Dane użytkownika łączone są przed wysłaniem z kodem rozciągającym, co zapewnia szerokopasmową transmisję. Interferencję eliminuje się głównie w procesie demodulacji w odbiorniku. Gdy kod rozciągający jest usuwany w celu wydobycia danych użytkownika, następuje jednocześnie tłumienie sygnału szumów.
Ortogonalne multipleksowanie z podziałem częstotliwości (OFDM – Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) – to metoda modulacji polegająca na jednoczesnej transmisji wielu strumieni danych na ortogonalnych częstotliwościach nośnych. Każda z częstotliwości nośnych to w zasadzie transmisja w wąskim paśmie, co łącznie umożliwia uzyskanie wysokich prędkości przesyłu danych. OFDM to elastyczna technologia, która dobrze radzi sobie z problemami występującymi na danym kanale. Z racji wyższego stopnia skomplikowania transmisji OFDM do wyeliminowania problemu interferencji wykorzystywanych jest kilka metod. Interferencja w wąskim paśmie jest tolerowana z racji większej liczby podnośnych z przeplotem i mechanizmów kodowania kanałów podobnych do DSSS.

Ira Sharp to główny specjalista ds. marketingu produktów wykorzystujących technologie bezprzewodowe w firmie Phoenix Contact
CE

Andrzej Górczak, Product Manager Automation Systems, Phoenix Contact

Odkryj transmisję bezprzewodową!

Transmisja bezprzewodowa w naszym przekonaniu to jedno lub para urządzeń, których nie trzeba konfigurować i które montujemy tam, gdzie nam wygodnie. Włączamy i wszystko działa tak, jak to sobie wymyśliliśmy. Dodajmy jeszcze, że warunki, w których mają działać, to oczywiście przemysłowe, trudne otoczenie, np. grube ściany, konstrukcje metalowe lub otwarta przestrzeń i spora liczbę drzew. Na koniec jeszcze odległość – 10 km to absolutne minimum. Takie są warunki początkowe. Ciekawe wyzwanie dla „radiówki” i prosta droga do problemów. Dla wyrazistego smaku oczywiście tutaj trochę przesadziłem, ale jest w tym też sporo prawdy. W produkcji przemysłowej potrzebujemy jak najwięcej determinizmu. Osiągając to, możemy zająć się optymalizowaniem procesu i zwiększaniem produktywności. Trzeba jednak powiedzieć sobie jasno że transmisja bezprzewodowa to nie tylko jedno urządzenie do wszystkiego. Wybór technologii, urządzenia i anteny, lokalizacja i wreszcie konfiguracja samego połączenia to równie istotne elementy w prawidłowej komunikacji bezprzewodowej. Można odnieść wrażenie, że transmisja bezprzewodowa jest czymś skomplikowanym. Wcale tak nie jest. Jak wszystko, co sprawia nam satysfakcję i radość, trzeba to najpierw dobrze poznać i opanować. Najlepiej zacząć od rzeczy prostych. Wiedzy i inspiracji rozwiązań należy szukać na stronach producentów i dostawców urządzeń do transmisji bezprzewodowej. Poznając kilka właściwości i praw, jakimi kieruje się „radiówka”, otrzymujemy do dyspozycji fantastyczną technologię, która sprawdza się nawet w najbardziej wymagających i ekstremalnych warunkach przemysłowych.