Komunikacja bezprzewodowa jest bardzo złożona i składa się z wielu skomplikowanych mechanizmów i etapów. W pierwszej części artykułu omówiłem zasady formowania i transformacji fali radiowej w celu uzyskania użytecznej informacji. Znając te procesy czas zastanowić się w jaki sposób tak przygotowany sygnał może zostać wysłany – w tym artykule przeczytasz o metodzie FHSS.
Technologie transmisyjne
W świecie komunikacji bezprzewodowej można wyróżnić dwie główne metody transmisji sygnału radiowego – Narrowband oraz Spread Spectrum. Technologie te różnią się diametralnie, można wręcz powiedzieć, że są przeciwstawne. Poniższy rysunek przedstawia obie metody i pozwala w łatwy sposób wskazać i zapamiętać ich najważniejsze cechy.
Narrowband
Urządzenia korzystające z metody Narrowband wysyłają sygnał w bardzo wąskim zakresie częstotliwości używając do transmisji relatywnie wysokiej mocy. Pozwala to znacznie zwiększyć zasięg nadawanego sygnału. Niestety transmisja w wąskim paśmie jest silnie narażona na celowe zagłuszanie i przypadkowe interferencje. Dlatego też organizacje regulujące zasady wykorzystania częstotliwości radiowych w danym regionie zwykle decydują się na wprowadzenie pasm licencjonowanych.
„Czy wiesz że…?”
Przykładem transmiterów korzystających z metody Narrowband są radia AM i FM. Każda stacja radiowa posiada przydzielone wąskie pasmo częstotliwości, na którym może nadawać sygnał na określonym terenie geograficznym.
Spread Spectrum
W technice Spread Spectrum dane wymagające transmisji zostają rozłożone na stosunkowo szerokim zakresie częstotliwości. W związku z tym moc jaką można użyć do nadania sygnału jest mniejsza, co mocno ogranicza jego zasięg. Transmisja jest mniej podatna na celowe zagłuszanie i przypadkowe interferencje, o ile niepożądany sygnał nie został rozłożony na równie szerokie pasmo częstotliwości. Metoda Spread Spectrum znalazła szerokie zastosowanie m.in. w sieciach bezprzewodowych zgodnych ze standardem IEEE 802.11.
Cykl artykułów „Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej”
Artykuły publikowane w ramach cyklu “Fundamenty Komunikacji Bezprzewodowej” można czytać niezależnie, ale najlepsze efekty osiągniesz, jeśli zapoznasz się z nimi po kolei. Cały cykl składa się z następujących artykułów:
FHSS
W tym artykule skupiam się na technologii Frequency Hopping Spread Spectrum, która używana była w oryginalnym standardzie IEEE 802.11 z 1997 roku. Dozwolona do wykorzystania jedynie w paśmie 2.4 GHz dawała możliwość wysyłania danych z prędkością 1 oraz 2 Mb/s, co jak na końcówkę lat 90. ubiegłego wieku było dość pokaźnym rezultatem.
Urządzenie wykorzystujące metodę FHSS przeskakuje pomiędzy wybranymi wąskimi pasmami częstotliwości i podczas przebywania na każdym z pasm (tzw. hopów) transmituje dane przez z góry ustalony czas określany mianem dwell time. Po każdym upływie czasu dwell time następuje zmiana częstotliwości i ponowna transmisja. Poniższy rysunek przedstawia schemat działania metody FHSS przy wykorzystaniu pięciu hopów.
Sekwencja transmisji
FHSS korzysta z predefiniowanych sekwencji transmisji, nazywanych także wzorcami transmisyjnymi. Kolejność hopów w pojedynczej sekwencji jest z góry określona przez standard, a zakończenie jednej sekwencji skutkuje rozpoczęciem następnej, dokładnie takiej samej.
Zgodnie z oryginalnym standardem IEEE 802.11 każdy hop jest kanałem o szerokości 1 MHz, a całkowity zakres częstotliwości dla transmisji FHSS zawiera się w przedziale od 2,400 GHz do 2,4835 GHz. W większości krajów Europy, w tym w Polsce, sekwencja transmisji powinna posiadać od 20 do maksymalnie 79 hopów.
Oryginalny standard IEEE 802.11 definiuje 78 predefiniowanych sekwencji transmisji, które mogą być używane przez urządzenia wykorzystujące metodę FHSS. Dodatkowo te 78 sekwencji zostało podzielonych na 3 grupy po 26 sekwencji każda. Prawdopodobieństwo wystąpienia kolizji pomiędzy dwoma sekwencjami z jednej grupy jest minimalne, zatem dobrą praktyką jest używanie różnych sekwencji, ale z tego samego podzbioru, dla różnych sieci bezprzewodowych działających na tym samym obszarze. W większości krajów Europy, w tym w Polsce, kolejne hopy w pojedynczej sekwencji są oddalone od siebie o co najmniej 6 MHz.
Wszystkie predefiniowane sekwencje transmisji dostępne są w oryginalnym standardzie IEEE 802.11, załącznik B. Ja dla przykładu przytoczę tylko jedną z nich, a dokładniej pierwszą o numerze bazowym '0′. Kanał numer 2 oznacza częstotliwość 2,402 GHz, kanał 3 to 2,403 GHz itd.:
Sekwencja transmisji jest konfigurowalnym parametrem na Access Pointach obsługujących metodę FHSS. Aby poznać szczegóły konfiguracji musimy cofnąć się w czasie i spojrzeć np. na moduł nadawczo-odbiorczy o nazwie WIT2410. Zgodnie ze specyfikacją obsługuje on 75 kanałów FHSS w zakresie od 2401 MHz do 2475 MHz. Dodatkowo posiada 64 predefiniowane sekwencje transmisji i konfiguracja polega na prostym wyborze jednej z nich. Specyfikacja wskazuje także dobre praktyki konfiguracyjne – pobliskie sieci bezprzewodowe powinny korzystać z różnych wzorców transmisyjnych, tak aby maksymalnie zmniejszyć możliwość interferencji między nimi.
Aby komunikacja przy wykorzystaniu metody FHSS odbyła się pomyślnie zarówno nadawca jak i odbiorca transmisji muszą jednocześnie znajdować się na tym samym kanale. Co więcej, muszą korzystać z jednakowego wzorca i przełączać się między kolejnymi kanałami w dokładnie tym samym momencie. W przypadku klasycznej sieci bezprzewodowej Access Point, przy użyciu ramki beacon, poinformuje wszystkich klientów o używanym wzorcu.
Dwell Time
Czas spędzony na transmisji na wybranym kanale określany jest mianem dwell time. Za wyznaczenie maksymalnego limitu tego licznika odpowiadają organizacje regulujące zasady wykorzystania częstotliwości radiowych w danym regionie. W większości krajów świata, także w Polsce, dwell time może osiągnąć maksymalnie 400 ms. Typowo wartość licznika wynosi pomiędzy 100 ms, a 200 ms, a częste zmiany częstotliwości pomagają uchronić sygnał przed wpływem interferencji. Należy jednak pamiętać, że ustawienie zbyt małej wartości będzie skutkować poważnym zmniejszeniem wydajności transmisji. Wspomniany już moduł WIT2410 pozwala na konfigurację także tego parametru.
Hop Time
Hop time to okres czasu w którym zarówno nadawca sygnału jak i jego odbiorca mogą przełączyć częstotliwość swoich komponentów na kolejny kanał z ustalonej sekwencji. Typowo wartość tego licznika wynosi od 200 do 300 mikrosekund. Jest to znikoma wielkość w porównaniu do dwell time, ale mimo to hop time jest czasem straconym, ponieważ nie są wysyłane użyteczne dane.
„Czy wiesz że…?”
O ile metoda FHSS już dawno została wycofana ze standardu IEEE 802.11, to nadal jest wykorzystywana przez inne technologie, np. Bluetooth. Zasada działania i zakres dostępnych częstotliwości są dokładnie takie same jak w przypadku IEEE 802.11, a różnica znajduje się w parametrach FHSS takich jak liczba hopów, długość dwell time, sekwencja transmisji, itp.
