Trådløse netværk i industrielle miljøer

White Paper Trådløse netværk i industrielle miljøer SKATT Sikrere og Klogere produkter gennem Anvendelse af Trådløs Teknologi Torben Gregersen, Ingeniørhøjskolen i Århus Jakob I. Pagter, Alexandra Instituttet A/S 20. december 2008

Indholdsfortegnelse 1. Resume... 4 2. Læserens forudsætninger... 4 3. Problemstilling... 5 4. Karakteristika ved anvendelse af trådløse teknologier som erstatning for anvendte fieldbus-systemer... 6 4.1. Udbredelse af radiobølger... 6 4.2. Frekvensområde, båndbredde, duty-cycle og sendeeffekt... 7 4.3. Godkendelse af udstyr... 7 4.4. Princip for overførsel af digital information vha. af radiobølger... 8 5. Problemer ved anvendelse af trådløs kommunikation i industrielle miljøer... 9 5.1. Free space Loss... 9 5.2. Attenuation... 10 5.3. Half Duplex... 10 5.4. Overhead i det fysiske lag... 10 5.5. Transmissionsfejl på grund af forskellige former for støj (Channel errors)... 11 5.5.1. Multipath (Fading, reflection, diffraction, scattering)... 11 5.5.2. Inter Symbol Interference (ISI)... 12 5.5.3. Adjacent-channel interference... 13 5.5.4. Co-channel interference... 13 5.5.5. Thermal Noise... 14 5.5.6. Impulse Noise... 15 5.5.7. Doppler Effect... 16 5.5.8. Kommentarer til samtlige støjkilder... 16 6. Generelle løsningsmodeller på problemer med trådløs kommunikation... 17 6.1. Antenner og Bølgeudbredelse... 17 6.1.1. Korrekt valg af antennetype... 17 6.2. Håndtering af det modtagne signal... 18 6.2.1. Anvendelse af Equalizer og Rake Receiver... 18 6.2.2. Håndtering af bitsekvens... 19 6.3. Signalkodning... 20 6.4. Spread Spectrum og OFDM... 24 6.4.1. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)... 24 6.4.2. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)... 25 6.4.3. Valg mellem FHSS og DSSS... 26 6.4.4. Chirp Spread Spectrum (CSS) en spread spectrum variant... 26 6.4.5. OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing... 27 6.5. Fejldetektering og Fejlkorrektion... 28 6.5.1. Fejldetektering, checksum og retransmission (automatic repeat request)... 28 6.5.2. Fejldetektering, CRC og retransmission (automatic repeat request)... 28 6.5.3. Fejlkorrektion (generelt)... 29 6.5.4. Fejlkorrektion (Block error Correction Code)... 30 6.5.5. Fejlkorrektion (Convolutional Code)... 30 6.5.6. Valg af fejlkorrektions-algoritme... 31 7. Topologi... 32 7.1. Point to Point... 32 7.2. Peer to Peer... 32 7.3. Star... 33 7.4. Tree... 33 7.5. Mesh... 33 8. Unicast, Multicast, Broadcast... 33 8.1. Unicast... 34 8.2. Multicast... 34 8.3. Broadcast... 34 9. Sikkerhedsegenskaber... 34 9.1. Integritet... 35 9.1.1. Ikke-kryptografisk... 35 9.1.2. MAC Message Authentication Code... 35 9.1.3. Digital signatur... 36 9.1.4. Oversigt... 36 9.2. Fortrolighed... 36 9.2.1. Symmetrisk kryptering... 36 9.2.2. Asymmetrisk kryptering... 37 9.2.3. Oversigt... 38 9.3. Adgangskontrol... 38 9.4. Nøglehåndtering... 38 9.5. Brugbarhed... 38 10. Beskrivelse af forskellige trådløse teknologier... 38 10.1. IEEE802.11... 39 10.1.1. Sikkerhed i IEEE 802.11... 54 10.2. IEEE 802.15.4... 56 10.2.1. Sikkerhed i 802.15.4... 63 10.3. Zigbee... 64 2

10.3.1. Sikkerhed i ZigBee... 66 10.4. WirelessHART... 68 10.5. ISA 100.11a... 70 10.6. nanonet... 70 10.7. Z-Wave... 71 10.8. Bluetooth... 74 11. Teknologioversigt... 78 12. Konklusion... 78 13. Referencer... 80 3

1. Resume I samarbejde med firmaerne Skov A/S og Grundfos Management A/S har Ingeniørhøjskolen i Århus og Alexandra Instituttet A/S i 2007-2008 deltaget i udviklingen af løsningsmodeller til sikre, særligt pålidelige løsninger på nye produkter, som skal anvendes i et industrielt miljø. Projektets navn er SKATT, som er en forkortelse for Sikrere og Klogere produkter gennem Anvendelse af Trådløs Teknologi. Dette White Paper er et sammendrag af erfaringsmaterialet fra projektet. I dokumentet beskrives muligheden for at indføre trådløs kommunikation i industrielle miljøer. Problemstillingerne og løsningsmodellerne for de to firmaers produkter er beskrevet i separate dokumenter Et pålideligt og sikkert trådløst IEEE802.11 a/b/g netværk til anvendelse i landbrug [1] og Protokol og algoritmer til optimalt kanalvalg i IEEE802.15.4-baseret peer netværk [2]. Yderligere findes et white paper Sikkerhedstrusler og -løsninger i industrielle trådløse netværk [3]. Trådløse kommunikationsteknologier anvendes efterhånden i vid udstrækning i private boliger, uddannelsesinstitutioner og i kontormiljøer. De trådløse kommunikationsteknologier overflødiggør kabelinstallation og giver dermed mulighed for mobilitet. Det er oplagt at anvende trådløse kommunikationsteknologier i industrielle miljøer, idet der også her opnås mulighed for kabelfri montage af udstyr. Dette kan medføre store besparelser og samtidig give en større fleksibilitet med hensyn til placeringen af udstyret. Når trådløse kommunikationsteknologier skal anvendes i industrielle miljøer stilles der særlige krav til kommunikationens pålidelighed. Det er essentielt at data når korrekt og sikkert frem fra sender til modtager. Det er ligeledes essentielt at data når frem inden for en acceptabel og forudsigelig tid. Det er udfordrende at opfylde disse krav og der findes i dag ingen fuldstændig løsning på problemet. Ved at udvælge udstyr med omhu er det muligt at tilnærme en løsningsmodel, så kravene til sikker (herunder pålidelig) trådløs kommunikation i et industrielt miljø i vid udstrækning kan opfyldes. I dette dokument beskrives kravene til trådløse netværk i industrielle miljøer, en række væsentlige problemer ved anvendelse af disse teknologier, samt en række løsninger på disse problemer. Der gives også en oversigt over forskellige trådløse kommunikationsteknologier og en vurdering af deres egnethed og robusthed i industrielle miljøer. Endelig beskrives de nyeste trends indenfor standardisering af trådløs kommunikation i industrien. 2. Læserens forudsætninger Det forudsættes at læseren har et generelt kendskab til kablet datakommunikation, herunder kendskab til anvendelsen af en protokolstack i sender og modtager. Det forudsættes også at læseren har et generelt kendskab til grundlæggende sikkerhedsbegreber som tilgængelighed, integritet og fortrolighed, eller alternativt at læseren har læst de indledende afsnit i [3]. 4

3. Problemstilling Når trådløse kommunikationsteknologier i dag er så hyppigt anvendte i private boliger, i uddannelsesinstitutioner og i kontormiljøer skyldes det at brugeren opnår frihed til mobilitet og undgår samtidigt besværet og omkostningerne med kabelinstallationer. Samtidigt giver teknologierne mulighed for at brugeren kan overføre data med en acceptabel hastighed, selv om hastigheden generelt er lavere end for kablede kommunikationsløsninger. Hvis brugeren skal downloade en stor fil er det vigtigt at filen hentes i hel tilstand det er til gengæld normalt ikke så afgørende om der varer 10 eller 20 sekunder at hente filen. Transportlagsprotokollen TCP [4] sørger for at filen nok skal nå frem. Hvis brugeren ser TV over Internettet er det vigtigt at TV-udsendelsen downstreames rimeligt uforstyrret skulle der mistes et par billeder undervejs opdages dette måske slet ikke af brugeren. Skulle der mangle et enkelt sekund et sted i udsendelsen er denne uregelmæssighed normalt også til at udholde for brugeren. De tabte informationer kan måske skyldes en travl router, der må droppe nogle IP-pakker [5] i en spidsbelastningssituation. Pakkerne sendes ikke senere, idet transportlagsprotokollen UDP [6] anvendes til video- og lydtransmission. UDP i kombination med netværkslagsprotokollen IP håndterer pakketransmissionen så godt som muligt, men uden garanti for fremsendelse af hver enkelt pakke. Når trådløse kommunikationsteknologier anvendes i industrielle miljøer opnås ligeledes fordele som mulighed for mobilitet og kabelfri montage af udstyr. Kabelfri montage er ønskelig i industrielle miljøer, fordi kabeltrækning er dyr og besværlig. Sensorer og aktuatorer skal af og til flyttes og omkabling er tidskrævende. Det kan være nødvendigt at etablere forbindelser i miljøer som kan ødelægge kabler, f.eks. i kemiske proces-miljøer, miljøer med vibrerende udstyr, kraner og robotter med bevægelige arme, i stalde hvor husdyr gnaver i kablerne etc. Her er det en fordel at anvende trådløs teknologi til at etablere disse forbindelser. Endeligt kan der være situationer hvor kabeltrækning slet ikke kan lade sig gøre, f.eks. hvis sensorer i roterende maskindele skal transmittere data, eller hvis mobile robotter skal styres. Her er kabeltrækning umulig og det er derfor nødvendigt at anvende trådløs kommunikation, realiseret med en batteriforsynet hardware. Når trådløse kommunikationsteknologier skal anvendes i industrielle miljøer stilles der særlige krav til kommunikationens sikkerhed, herunder pålidelighed: data skal nå pålideligt frem fra sender til modtager og dette skal ske inden for en acceptabel tid. Det må i reglen heller ikke være muligt for uvedkommende at forstyrre/ændre de data der fremsendes, og det må i reglen heller ikke være muligt for uvedkommende at kunne læse de data der fremsendes. Denne type problemer præsenteres og diskuteres nærmere i [3]. I dette dokument vil fokus være på hvilken funktionalitet de forskellige trådløse protokoller stiller til rådighed til sikring af integritet og fortolighed af kommunikationen. Ud over disse funktionelle krav er det generelt et krav til industrielt, trådløst udstyr, at det skal være mekanisk og temperaturmæssigt mere robust end det udstyr der anvendes i hjem, uddannelsesinstitutioner og i kontormiljøer. Hvis der anvendes COTS-produkter (Commercial Of-The-Shelf) til at realisere kommunikationen er de ofte dyrere end tilsvarende produkter til anvendelse i hjem og i kontormiljøer. 5

4. Karakteristika ved anvendelse af trådløse teknologier som erstatning for anvendte fieldbus-systemer 4.1. Udbredelse af radiobølger Radiobølger, som er grundlaget for trådløs kommunikation kan, afhængig af deres frekvens, udbrede sig på forskellige måder: Figur 1. Udbredelse af radiobølger (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Ground Wave propagation Ved meget lave radiofrekvenser (< 2 MHz) er det karakteristisk at radiobølger kryber henover Jordens overflade, dvs. de følger Jordens krumning. Dette skyldes bl.a. at radiobølger i dette lave frekvensområde inducerer en strøm i Jordens overflade, som bremser den del af radiobølgerne, som er nærmest jordens overflade. På denne måde retter radiobølgerne sig i deres udbredelse mod Jordens overflade. En anden årsag er diffraktion (bølgebrydning gennem uensartet materiale), da den atmosfæriske luft har en større tæthed nær ved Jordens overflade end i de luftlag der er fjernt fra Jordens overflade. Sky Wave propagation Ved højere radiofrekvenser (2 300) Mhz bevæger radiobølgerne sig mere retlinet ( i stil med lysudbredelse ), men de kan reflekteres på skift af ionosfæren og Jordens overflade, så radiobølgerne i 6

en vertikal zig-zag-bevægelse kan bevæge sig over meget store afstande (under optimale forhold hele vejen rundt om Jordkloden). Line Of Sight udbredelse Ved de højeste radiofrekvenser (> 300 MHz) opfører radiobølgerne sig udbredelsesmæssigt som lys, det vil sige radiobølgerne udbreder sig retlinet. Senderantenne og modtagerantenne skal principielt kunne se hinanden direkte. Udbredelsesmetoden kaldes Line Of Sight eller forkortet LOS. Da de trådløse kommunikationsteknologier vi normalt anvender alle ligger i et frekvensområde, der er højere end 300 MHz betragter vi al bølgeudbredelse i trådløs kommunikation som Line Of Sight. Mure, træer etc. er mindre gennemtrængelige end luft de dæmper radiobølgerne og dermed signalet, men kommunikationen umuliggøres ikke af den grund. Denne dæmpning behandles senere i dette dokument. 4.2. Frekvensområde, båndbredde, duty-cycle og sendeeffekt I såvel industrielle som i ikke-industrielle netværk er der mulighed for at anvende de licensfrie ISM-bånd ( Industrial-Scientific-Medical ), som globalt ( herunder i Danmark ) giver brugeren fri mulighed for at anvende godkendt udstyr i disse frekvensbånd. Dette indebærer at en række frekvenser kombineret med tilhørende båndbredder kan anvendes. Da ISM båndende kan anvendes frit af alle, kan der efterhånden opstå kaos i disse bånd over store geografiske områder, hvis ikke der sættes en øvre grænse for sendeeffekten og dermed for udstrålingsrækkevidden. Der stilles i nogle tilfælde også krav om duty-factor, dvs. hvor stor en del af tiden der må transmitteres data. Kravet er opstillet for at give andre brugere i nærheden tidsmæssigt plads til at kunne anvende det samme frekvensbånd. I følgende tabel vises en række vigtige parametre for ISM-båndenes anvendelse i Danmark: Frekvens Duty factor Max tilladt sendeeffekt 868 Mhz 1 % 25 mw 2.4 GHz 100 % 100 mw 5 GHz 100 % 4 W 4.3. Godkendelse af udstyr Nyudviklet udstyr skal godkendes af myndighederne, idet udstyret skal overholde specificerede krav til frekvens, båndbredde, maksimal forstyrrelse af nabo-kanaler, sendeeffekt m.m. Myndighedernes krav er forskellige fra land til land. Modtagerfølsomhed Når der er sat en øvre grænse for den tilladte sendeeffekt, kan afstanden mellem sender og modtager optimeres ved at anvende udstyr, som har en stor modtagerfølsomhed. Der stilles ingen krav i loven om hvor følsom modtageren må være, så det kan betale sig ved anskaffelse af industrielt udstyr at investere i modtagerfølsomt udstyr for at optimere rækkevidden. Sendeeffekten justeres i reglen til den maximalt tilladelige effekt for at optimere rækkevidden. 7

Ved kortere afstande opnås samtidigt en mere stabil kommunikation. 4.4. Princip for overførsel af digital information vha. af radiobølger Digital transmission, symboler, baud-rate og bithastighed En kortvarig sekvens af radiobølger kan repræsentere et symbol. Radiobølgerne er analoge og sinusformede. Symbolet kan indlejres i radiobølgerne ved at påtrykke disse en given, veldefineret fase, frekvens eller amplitude på de analoge radiobølger. Den veldefinerede tilstand kan f.eks. være 1 tilstand ud af 2 mulige, 1 tilstand ud af 4 mulige, en tilstand ud af 8 mulige osv. Hvis der findes 2 veldefinerede symboltilstande kan der overføres 1 digital værdi, dvs. 1 bit, da 2 1 = 2. Hvis der findes 4 veldefinerede symboltilstande kan der overføres 2 digitale værdier, dvs. 2 bit, da 2 2 = 4. Osv. Antallet af symboler, som kan transmitteres hver sekund angives i enheden baud. Symbolhastigheden, dvs. antallet af symboler der transmitteres hvert sekund, navngives ofte: baudrate. Da et symbol kan indeholde 2 1, 2 2, 2 3, 2 4, bit eller 1,2,3,4 bit, er kommunikationens bithastighed ikke nødvendig identisk med kommunikationens baud-rate. Med et 64-tilstands symbol, som repræsenterer 6 bit på en gang, kan en information med en bithastighed på 1,2 Mbit/sec. realiseres ved at transmittere 200.000 symboler hvert sekund. Digital Keying, Analog Modulation, Centerfrekvens og Båndbredde Der er normalt altid indlejret en eller anden form for information i radiobølger som udsendes. Ellers er der ingen grund til at udsende dem. Er der indlejret analog information i radiobølgerne, f. eks. musik, er der tale om analog modulation af de analoge radiobølger. Er der indlejret digital information i radiobølgerne, dvs. der er indlejret symboler indeholdende bit, er der tale om digital keying af de digitale radiobølger. De transmitterede radiobølger udsendes med en given centerfrekvens f 0. Indeholder de transmitterede radiobølger ingen information (ingen modulation, ingen keying) beslaglægger de kun én frekvens i frekvensspekteret, f 0. Der er i dette tilfælde ikke tale om en egentlig båndbredde, kun en enkelt frekvens. Hvis de transmitterede radiobølger indeholder information pga. keying eller modulation, fylder radiobølgerne en veldefineret del af frekvensspekteret. Der er nu tale om en centerfrekvens f 0, som er omgivet af øvre og nedre sidebånd i alt et frekvensspektrum. Differensen mellem den øverste frekvens og den nederste frekvens i dette spektrum defineres som båndbredde (bandwidth, BW). Den totale båndbredde er afhængig af hvilken form for keying eller modulation der er valgt og antallet af symboler der transmitteres for hver tidsenhed. For digital, trådløs kommunikation gælder at jo højere bithastighed den transmitterede information har, jo større er den beslaglagte båndbredde i frekvensspekteret omkring f 0. Tilsvarende - for analog, trådløs kommunikation gælder at jo højere frekvens den analoge information har, jo større er den beslaglagte båndbredde i frekvensspekteret omkring f 0. 8

5. Problemer ved anvendelse af trådløs kommunikation i industrielle miljøer Ved anvendelse af trådløse netværk i industrielle miljøer vil man typisk støde på en række problemer, som virker dæmpende, sløvende og forstyrrende for radiokommunikationen. Disse problemer beskrives í det følgende: 5.1. Free space Loss Når radiobølger udsendes i et lufttomt rum udsættes de uundgåeligt for en dæmpning (free space loss) som er kvadratisk funktion af afstanden mellem sender og modtager. Free space loss kan i vakuum beregnes som: Free Space Loss = (4 * PI * f * d / c) 2 hvor: f = bærebølgefrekvens c = lyset hastighed = 3 * 10 8 m/sek d = afstand Figur 2. Sammenhæng mellem tab, afstand og frekvens (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Radiobølger udbreder sig teoretisk uendeligt langt ud i rummet, men de kræver bedre og bedre udstyr til at behandle det indkomne signal jo større afstanden mellem sender og modtager bliver. Derfor er der en praktisk øvre grænse for hvor stor afstanden kan være mellem sender og modtager. 9

5.2. Attenuation Ud over det uundgåelige free space loss, som er beskrevet ovenfor, bevæger radiobølgerne sig oftest gennem et materiale, som yderligere dæmper signalet, hvorved signaleffekten på modtagersiden nedsættes yderligere. Materialet er typisk atmosfærisk luft, i bygninger kan materialet også være beton, jern glas etc. Dæmpningen betegnes som attenuation. Figur 3. Attenuation her pga. regnvejr Virkningen af attenuation og free space loss sætter tilsammen en grænse for hvor stor afstanden mellem de trådløst kommunikerende enheder kan blive. 5.3. Half Duplex Kommunikation via kabler, f. eks. Ethernet (IEEE802.3) tillader full duplex kommunikation, dvs. der tillades kommunikation begge veje mellem to kommunikerende apparater samtidigt. Trådløse kommunikationsenheder kan ikke sende og modtage samtidigt hvis de anvender et enkelt, tildelt frekvensbånd (en kanal). Den enkelte kommunikationsenhed skal på skift sende data og modtage data, dvs. anvende half duplex kommunikation. Dette er tidsmæssigt og performancemæssigt en ulempe. Hvis trådløst udstyr skal anvende full duplex kommunikation skal de to sender-modtager par i de to kommunikationsudstyr anvende hver sit frekvensbånd (to forskellige kanaler). Dette praktiseres f.eks. i GSM-mobiltelefoner, hvor telefon-brugerne skal kunne tale i munden på hinanden. 5.4. Overhead i det fysiske lag For at kunne synkronisere modtageren i det fysiske lag, så den kan skelne de efterfølgende transmitterede bit fra hinanden, er det nødvendigt at sende en forholdsvis lang training-sequence, som synkroniserer modtageren inden selve transmissions-bit ene (header-bit og data-bit) sendes. I nogle tilfælde, f.eks. for IEEE802.11a,b,g,n-standarden sendes umiddelbart efter denne trainingsequence (med en standard bit-rate) en information om hvilken bitrate de efterfølgende data sendes med. Denne del af den samlede transmission varer 128 mikrosekunder. Dette tidsforbrug er en ulempe set i sammenligning med et 100 Mbit/sec. kablet Ethernet (IEEE.802.3), hvor der kun 10

anvendes 0.64 mikrosekunder til forberedelse, dvs. synkronisering på det fysiske lag, inden header og data transmitteres. 5.5. Transmissionsfejl på grund af forskellige former for støj (Channel errors) 5.5.1. Multipath (Fading, reflection, diffraction, scattering) Radiobølger i ISM-båndet udbreder sig, som tidligere omtalt, efter line of sight modellen. Dette umuliggør ikke kommunikation mellem to enheder, selv om der ikke er direkte sigt mellem enhederne. Radiobølgerne kan sendes gennem materiale f. eks. gennem en mur. Signalet dæmpes ved en sådan gennemtrængning. Radiobølgerne kan også finde indirekte veje mellem sender og modtager efter en af tre metoder: - Reflection, som opstår når radiobølgerne reflekterer mod en mur, glasvæg eller lignende og herefter finder vej til modtageren - Diffraction, som opstår når radiobølger passerer et skarpt hjørne, f. eks. en husmur. Efter passagen splittes bølgerne, så de udsendes i mange retninger, hvor nogle bølger når frem til modtageren - Scattering, som opstår når radiobølger rammer et objekt, der har en fysisk udstrækning, som er mindre end radiobølgens bølgelængde (f. eks. masten til et vejskilt). Efter kollisionen udsendes radiobølgen i mange retninger, hvor nogle radiobølger når frem til modtageren. Figur 4. Reflection, Diffraction og Scattering (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) 11

Figur 5. Multipath Propagation pga. Reflection, Diffraction og Scattering (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Disse former for radiobølge-adfærd kaldes tilsammen for multipath og er både en fordel og en ulempe. Denne tvetydighed kan forklares således: Multipath gør det muligt at kommunikere vha. frekvenser, som normalt kræver line of sight. Det er f.eks. muligt at anvende en mobiltelefon i en kælder med beton-mure, hvor der ikke er mange åbninger ud til omverdenen. På denne måde er multipath-udbredelsen en fordel. Modtageren kan pga. Multipath-udbredelsen nemt risikere at modtage forskellige radiobølger med det samme symbol. Symbolet kan modtages på lidt forskudte tidspunkter da de radiobølger, som indeholder symbolet, kan have passeret forskellige, ulige lange signalveje undervejs. Der kan f. eks. være tale om at radiobølgerne, som repræsenterer symbolet, undervejs har reflekteret på to forskellige mure. De indkomne symboler er derfor forskudt mere eller mindre fasemæssigt, og modtageren skal fortolke de indkomne symboler bedst muligt. Dette fortolkningsarbejde er en ulempe ved Mulipath-udbredelse, da det stiller særlige krav til modtageren. Multipath-udbredelse kan derfor betragtes som en fordel, da tilsyneladende umulig kommunikation kan realiseres. Omvendt er multipath-udbredelse sammenlignelig med støj i situationer hvor udbredelsen på en uønsket måde kan påvirke kommunikationens kvalitet. 5.5.2. Inter Symbol Interference (ISI) Multipath-udbredelsen kan gennemløbe forskellige signalveje i et så uheldigt omfang, at modtagne symboler, som hører til i et symbolmæssigt tidsområde forstyrrer symboler, som hører til i et andet symbolmæssigt tidsområde. Der er her tale om Inter Symbol Interference (ISI), som stiller yderligere krav til modtageren. 12

Modtageren skal kunne vurdere hvilket symbol der skal anvendes og hvilket/hvilke symboler der skal kasseres. Inter Symbol Interference kan betragtes som støj, da den på en uønsket måde påvirker kommunikationens kvalitet. 5.5.3. Adjacent-channel interference Ud over selve båndbredden dannes ved digital keying (og analog modulation) frekvensområder som er sum- og differensfrekvenser af de eksisterende frekvenser. Dvs. så snart der udsendes f.eks. digital information fra andet udstyr som følge af digital keying eller analog modulation af f 0, dannes der en række uønskede frekvenser som kan forstyrre andet udstyr i nærheden, som kommunikerer trådløst. Figur 6. Generering af sum- og differensfrekvenser Disse uønskede signaler kan betragtes som støj, da de er uønskede. 5.5.4. Co-channel interference Hvis der findes andet udstyr i nærheden, som anvender de samme frekvensbånd som vi anvender, vil denne trafik fra andet udstyr forstyrre vores kommunikation (støj). Vi forstyrrer samtidigt det andet udstyr. Figur 7. Forskellige, anvendte frekvensbånd (Kilde: http://accuracyandaesthetics.com) 13

Der er reserveret store områder i radiofrekvens-spektret, f.eks. til radio, TV, militære formål etc. ISM-båndene (868 MHz, 2,4 GHz og 5 GHz) udgør en forsvindende, lille del af radiofrekvensspektret. Udbredelsen af udstyr, som kommunikerer trådløst, vokser stærkt i disse år. For at der kan være plads til flest mulige brugere anvendes en række forskellige metoder som giver plads til mange brugere på en enkelt radiokanal. Der kan anvendes deterministiske teknikker som Time Division Multiple Access (TDMA), som f.eks. anvendes i standarden IEEE802.15.1 (Bluetooth). Der kan anvendes indeterministiske teknikker som Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA), som f.eks. anvendes i standarderne IEEE802.11 (WiFi) og IEEE802.15.4. Da udstyr, som anvender disse trådløse teknologier ofte anvendes i nærheden af hinanden, kan de nemt risikere at forstyrre hinanden. 5.5.5. Thermal Noise Ethvert elektrisk ledende materiale generer termisk støj (thermal noise). Dette sker som følge af at de elektroner, der udgør den elektriske strøm, bevæger sig med en uregelmæssig hastighed. Denne uregelmæssige hastighed sker som følge af sammenstød med molekyler i det ledende materiale. Molekylerne bevæger sig lidt uroligt i deres position. Dette giver en veldefineret risiko for sammenstød. Hvis temperaturen stiger bevæger molekylerne sig mere uroligt, og sandsynligheden for sammenstød med forbipasserende elektroner øges. Kun ved det absolutte nulpunkt, 0 o Kelvin eller -273 o Celcius, er molekylerne i ro, og støjgenereringen er minimal. Da støjen er temperaturafhængig, kaldes denne form for støj termisk støj (thermal noise). I den analoge verden er der fokus på signal/støjforholdet, som ofte angives i decibel (db). Det analoge signalstøjforhold angives på engelsk som Signal/Noise Ratio, S/N Ratio eller SNR. I den digitale verden angives det digitale signal/støjforhold som Eb/N 0, hvor Eb angiver energitætheden af det transmitterede bit og angives i W/Hz. Eb og N 0 angives begge i W/Hz. Derfor angiver udtrykket Eb/N 0 et forhold, som i stil med den analoge SNR angivelse kan angives i db. En vigtig kvalitetsparameter for udstyr, som kommunikerer digitalt er fejlhyppighed, som også benævnes Bit Error Rate (BER). Når kvaliteten af et trådløst kommunikationssystem skal undersøges er det interessant at undersøge sammenhængen mellem BER og Eb/N 0. To kommunikationssystemer med forskellig kvalitet kan afbildes således, når BER vises som funktion af Eb/N 0 : 14

Figur 8. Sammenhæng mellem BER og Eb/N 0 (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Det er beskrevet tidligere at N 0 stiger hvis temperaturen stiger Af udtrykket Eb/N 0 ses dermed at det digitale signal/støjforhold forringes hvis temperaturen stiger. Af den afbildede funktion ses dermed ses at forekomsten af transmissionsfejl stiger når temperaturen stiger. 5.5.6. Impulse Noise Der genereres utilsigtet elektrisk støj (impulse noise), når elektriske kontakter tændes/slukkes eller når elektriske enheder som motorer, der anvender kommutatorer, kører. Der findes normalt mange enheder, som kan generere impuls-støj i et industrielt miljø. 15

Figur 9. Impulse Noise (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Risikoen for forstyrrelse pga. af impulsstøj er derfor stor for apparater som kommunikerer trådløst i et industrielt miljø. Støjimpulserne kan, afhængig af støjkilden, forekomme kortvarigt/spontant eller over længere tid i orm af et noise-burst. 5.5.7. Doppler Effect Hvis mobile enheder bevæger sig hurtigt skal doppler effekten tages i betragtning. I praksis har doppler-effekten i reglen kun praktisk betydning hvis den mobile enhed bevæger sig med en hastighed på over 100 km/h. I industrielle miljøer kan vi antage at genstande (vogne, robotter o.l.) ikke bevæger sig hurtigere end 20 km/h, så vi kan normalt undlade at tage højde for doppler-effektens påvirkning af den trådløse kommunikations kvalitet i et industrielt miljø. 5.5.8. Kommentarer til samtlige støjkilder Ovennævnte støjkilder kan enkeltvis, eller tilsammen, medføre at der mistes et symbol eller en sekvens af symboler. Derved mistes et eller mange bit i den transmitterede information. Hvis modtageren ikke kan gætte sig til hvad det tabte bitmønster måtte være og hvis det er vigtigt at bitmønsteret modtages korrekt - er retransmission den eneste løsning på problemet, og en retransmission koster altid lidt ekstra tid. I praksis mistes hyppigt 5-80 % af bitmønsteret i den information der transmitteres i trådløst udstyr. De kommunikerende enheder kan derfor anvende meget tid på reparation og retransmission af informationen på bekostning af den teoretiske båndbredde og forsinkelse, som kan forventes af udstyret. 16

6. Generelle løsningsmodeller på problemer med trådløs kommunikation I det følgende beskrives hvad de designmæssige overvejelser, der ligger til grund for udviklingen af en række hyppigt anvendte, trådløse kommunikationsteknologier, der kan anskaffes som COTSkomponenter (Commercial, Off-The-Shelf). Disse kommunikationsteknologier har alle det tilfælles, at robusthed overfor støj har været en væsentlig parameter i udviklingsprocessen. Teknologierne er til gengæld meget forskellige mht. båndbredde, rækkevidde og energiforbrug. Skal energiforbruget være lavt, f. eks. ved batteridrift, er det ikke muligt samtidigt at opnå en stor båndbredde og en stor rækkevidde. 6.1. Antenner og Bølgeudbredelse 6.1.1. Korrekt valg af antennetype En ideel, teoretisk antenne er isotropisk, dvs. den udstråler lige meget energi i alle retninger i tre dimensioner (XYZ). Dette kan ikke lade sig gøre i praksis, da selve transmissionsledningen, som forbinder antennen med sender/modtager, nødvendigvis har en vis, fysisk udstrækning. Ud/indstrålingskarakteristikken bliver derfor ikke kugleformet, men antager en anderledes form. Det er normalt heller ikke et ønske at karakteristikken er kugleformet. Antennen ønskes i praksis hellere udformet, så den f.eks. sender mest muligt energi ud i alle retninger i et tilnærmet 2-dimensionelt plan, hvor der sendes lige meget energi ud i alle retninger i dette XY-plan. På denne måde kan en trådløs enhed bedst muligt kommunikere med andre trådløse enheder i den etage udstyret befinder sig, uanset hvor i etagen disse enheder befinder sig. Bliver afstanden tilstrækkelig stor, eller er der for massive mure mellem enhederne, svigter kommunikationen. Figur 10. Forskellige antennekarakteristikker (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Hvis en trådløs enhed kun får brug for at kommunikere med andre enheder, som alle befinder sig i en snæver vinkel, kan antennen vha. reflektorer udformes, så den har en retningsbestemt karakteristik i et tilnærmet XY-plan. På denne måde øges antennens følsomhed over for de andre, 17

kommunikerende enheder. Antennen bliver uheldigvis også mere følsom overfor støjkilder fra dette område. Til gengæld undertrykkes støjkilder, som befinder uden for antennens ud/indstrålingskarakteristik. Skal der kommunikeres over større afstande, f. eks. mellem bygninger, kan antennens karakteristik gøres meget retningsbestemt vha. en parabol, så der kan opnås flere kilometers rækkevidde for et WLAN s vedkommende. Samtidigt opnås en kraftig undertrykkelse af støjkilder, som optræder uden for antennens ud/indstrålingskarakteristik. Antennen skal fæstnes mekanisk forsvarligt, så det område antennens ud/indstrålingskarakteristik oprindeligt skulle dække, forbliver dækket. Det kan f.eks. ske at forbigående personer utilsigtet skubber til antennen, er antennen monteret udendørs kan kraftig vind dreje antennen. I nogle systemer anvendes flere antenner, som er indbyrdes monteret med afstande, som i størrelsesordenen 1 bølgelængde. Disse antenner er forbundet til hver sin receiver et system af receivers, som tilsammen kaldes en rake receiver. Princippet for en rake receiver beskrives i det følgende afsnit Anvendelse af Equalizer og Rake Receiver. 6.2. Håndtering af det modtagne signal 6.2.1. Anvendelse af Equalizer og Rake Receiver For at skelne modtagne symboler præcist fra hinanden kan der anvendes en equalizer kombineret med et adaptivt filter, så der løbende beregnes en tærskel for det indkomne signals acceptable niveau. På denne måde elimineres uvæsentlige modtagne symboler, som kan forvirre behandlingen af de modtagne symboler, der er kraftige, dvs. relevante og seriøse. På den følgende figur er det niveau, som er beregnet af equalizeren, markeret med en stiplet linje. Figur 11. Modtagne LOS-symboler og multipath-symboler (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Der kan anvendes en speciel modtager, en Rake receiver, som kan behandle forskellige symboler, som indeholder den samme information, men som modtages tidsforskudt i flere versioner pga. multi-path udbredelse. Rake receiveren kan tidsforskyde de modtagne symboler på en måde, så de tidsmæssigt sættes på plads. Derved kan modtagelsen af en forvirrende sekvens af symboler 18

omdannes til en veldefineret sekvens af symboler, og antallet af bitfejl formindskes ved anvendelse af en Rake Receiver allerede på det fysiske lag. Figur 12. Rake Receiver (Kilde: http://www.dolcera.com/wiki/images/cdma15.jpg) 6.2.2. Håndtering af bitsekvens Anvendelse af Time Diversity Bit Interleaving Hvis en sammenhængende bitsekvens transmitteres i sin oprindelige sammenhæng og denne transmitterede bitsekvens udsættes for en støjimpuls, der har en varighed som svarer til f.eks. 3 bit, vil de 3 transmitterede bit sandsynligvis blive fejlbehæftet. En retransmission bliver derfor nødvendig, på bekostning af tid. Figur 13. Bit Interleaving (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Hvis bit ene i den sammenhængende bitsekvens udsendes enkeltvis, sammen med bit fra andre sammenhængende bitsekvenser, vil den samme støjimpuls fra før ikke ødelægge alle 3 bit, men måske kun 1 bit. Det er ofte muligt på modtagersiden at reparere bitfejl enkeltvis. Herved undgås 19

retransmission, og der spildes derfor ikke unødig tid selvom der optræder bursts af forstyrrelser. Bitforskydningen i tidsdomænet benævnes Time diversity Bit interleaving. 6.3. Signalkodning Keying, ASK, FSK, PSK + varianter, korrekt valg af keying-type Når symboler, som indeholder digital information, skal transmitteres kan symbolet indlejres i en sinusformet bærebølge på flere forskellige måder (keying). Der findes tre grundlæggende former for keying: - ASK, Amplitude Shift Keying - FSK, Frequency Shift Keying - PSK, Phase Shift Keying Figur 14. ASK, FSK (Binary) og PSK (Binary) (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) ASK, Amplitude Shift Keying, realiseres ved at gøre den sinusformede bærebølges amplitude proportional med symbolets værdi. Hvis symbolet indeholder 1 bit (0 eller 1) har symbolet 2 1 = 2 tilstande, som medfører at den analoge bærebølge transmitteres med en af to mulige amplituder, A0 og A1, svarende til om det er et binært 0 eller et binært 1 der skal transmitteres. Indeholder symbolet 2 bit har symbolet 2 2 = 4 tilstande, som medfører at den analoge bærebølge transmitteres med en af 4 mulige amplituder, A0, A1, A2 og A3, svarende til om det er et binært 00, 01, 10 eller 11 der skal transmitteres. FSK, Frequency Shift Keying, realiseres ved at gøre den sinusformede bærebølges frekvens proportional med symbolets værdi. Hvis symbolet indeholder 1 bit (0 eller 1) har symbolet 2 1 = 2 tilstande, som medfører at den analoge bærebølge transmitteres med en af to mulige frekvenser, A0 og A1, svarende til om det er et binært 0 eller et binært 1 der skal transmitteres. 20

Indeholder symbolet 2 bit har symbolet 2 2 = 4 tilstande, som medfører at den analoge bærebølge transmitteres med en af 4 mulige frekvenser, A0, A1, A2 og A3, svarende til om det er et binært 00, 01, 10 eller 11 der skal transmitteres. PSK, Phase Shift Keying, realiseres ved at gøre den sinusformede bærebølges fase proportional med symbolets værdi. Hvis symbolet indeholder 1 bit (0 eller 1) har symbolet 2 1 = 2 tilstande, som medfører at den analoge bærebølge transmitteres med en af to mulige faser, A0 og A1, svarende til om det er et binært 0 eller et binært 1 der skal transmitteres. Figur 15. Binary Phase Shift Keying BPSK (Kilde: http://en.wikipedia.org) Indeholder symbolet 2 bit har symbolet 2 2 = 4 tilstande, som medfører at den analoge bærebølge transmitteres med en af 4 mulige faser, A0, A1, A2 og A3, svarende til om det er et binært 00, 01, 10 eller 11 der skal transmitteres. Figur 16. Quadrature Phase Shift Keying QPSK (Kilde: http://en.wikipedia.org) Hvis et symbol indeholder 1 bit, dvs. 2 tilstande bruges ofte et B for Binary som forbogstav til keying-formen, f.eks. BFSK og BPSK. Hvis et symbol indeholder 2 bit, dvs. 4 tilstande bruges ofte et Q for Quadrature som forbogstav til keying-formen, f.eks. QFSK og QPSK. Der findes en række variationer over disse muligheder. Det transmitterede FSK-signal kan f.eks. passere et Gaussisk filter, så der nu bliver tale om GFSK-keying. Denne form for keying anvendes f.eks. i Bluetooth. 21

Differential PSK (DPSK) er en PSK variant, hvor overgangen fra til 1 markeres med et faseskift, hvorimod overgangen til 0 ikke markeres med et faseskift. Figur 17. Differential Phase Shift Keying DPSK (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) De ovennævnte, grundlæggende, keying-former kan kombineres indbyrdes, f.eks. som QAM (Quadratur-Amplitude-Modulation), som er en kombination af ASK og PSK. 16-QAM indikerer at det transmitterede symbol indeholder 16 tilstande, dvs. 4 bit, som kan ligge som 16 punkter i et fasediagram, gående fra 0 til 2*PI, med 4 tilstande i hver kvadrant. De 16 tilstande har indbyrdes varierende amplitude og fase. (Kilde: http://en.wikipedia.org) Figur 18. Quadrature Amplitude Modulation, 4 bit = 16 tilstande (16-QAM) Det er teoretisk muligt at lade et symbol repræsentere en meget stor bit-information ved at lade symbolet have et stort antal frekvens-, fase- eller amplitude-tilstande. Dette lader sig ikke gøre i praksis, da modtageren skal kunne registrere en tydelig forskel på modtagne symbolers tilstand for at undgå fejldetektering af symbolerne. Det er tidligere beskrevet at trådløs transmission uundgåeligt generes af mange forskellige former for støj, som kan gøre symbolets tilstand (amplitude, frekvens eller fase) upræcis ved modtagelsen. I trådløs kommunikation, som skal være robust, anvendes Q(x)SK eller blot B(x)SK for at for at opnå en pålidelig transmission af bitinformationen uden at forsøge at overføre for mange bit pr. symbol. 22

ASK anvendes sjældent i praksis i trådløs kommunikation, da amplituden af det transmitterede symbol har stor risiko for at blive overlejret af støj-pulser. Vælges denne Keying-metode medfører dette en høj Bit-Error_Rate (BER). ASK er derimod velegnet til lysleder-kabler (lys/ikke-lys) FSK og PSK anvendes hyppigt i praksis, da transmitterede symboler med disse keyingformer, som overlejres amplitudemæssigt med støj under transmissionen, alligevel kan nå frem i pæn tilstand. Modtageren afskærer den støjfyldte amplitude, men ser kun på frekvensen/fasen, som indeholder selve symbolinformationen (og dermed bit-informationen) (Se figur 14). Simuleringer og afprøvning i praksis viser at ASK har en stor BER, FSK har en lavere BER end ASK, og PSK har den mindste BER. Figur 19. BER som funktion af E B /N 0 for hhv. BPSK, DPSK, BFSK og ASK (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Det ses på figuren at BER er lavest ved BPSK, højere ved DPSK og højest ved ASK/BFSK. Dvs. i et industrielt, trådløst kommunikationssystem er der på forhånd elimineret mange bittransmissionsfejl ved at vælge BPSK, evt. DPSK som keying-metode. Dette giver en robust kommunikation, men en lav transmissionshastighed. Hvis kommunikationen skal foregå i et støjmæssigt mere roligt miljø, kan QPSK eller evt. QFSK anvendes. Dette giver måske stadig en robust kommunikation, og transmissionshastigheden fordobles. Er det industrielle miljø støjmæssigt meget roligt kan keying-metoden være 16-QAM eller endda 64-QAM, hvorved transmissionshastigheden mangedobles. Nogle trådløse kommunikationsteknologier fastholder en velvalgt, robust keying-form, f.eks. BPSK og holder transmissionshastigheden konstant lav (f. eks. IEEE802.15.4 i 868 Mhz-udgaven). Andre trådløse kommunikationsteknologier undersøger løbende støjniveauet og forsøger kontinuerligt at speede transmissionshastigheden op til den højest mulige værdi. Øges støjmængden i transmissionsmiljøet konstaterer udstyret at der bliver behov for mange retransmissioner. Derfor 23

vælges automatisk en mere solid keying-form, hvorved transmissionshastigheden nedsættes. Dette princip gælder f. eks. for IEEE802.11.b, IEEE802.11.g og IEEE802.11a. 6.4. Spread Spectrum og OFDM Det er tidligere beskrevet at en bærebølge f 0, der ikke er udsat for keying af digital information eller udsat for analog modulation med et LF-signal, kun fylder 1 frekvens i frekvens-spekteret: f 0. Når der indlejres information i bærebølgen vha. keying eller modulation lægger transmissionen beslag på en båndbredde (bandwith, BW), der er bestemt som BW = f upper f lower. Spektret, som fylder BW er normalt centreret omkring f 0. Al information, der skal transmitteres, ligger i dette spektrum. Hvis hele spektret ødelægges af støj, vil al information mistes (alle symboler, alle bit). Hvis en del af spektret ødelægges af støj, vil der mistes noget information (nogle symboler, nogle bit). Hvis spektret, som indeholder hele informationen kan spredes ud, så det beslaglægger en større båndbredde, vil sårbarheden overfor de generende støjspektra, der blev beskrevet ovenfor, blive mindre, dvs. det vil resultere i at kommunikationssystemet bliver mere robust overfor støj. Udspredningen af spektret foregår oftest efter et af disse principper: - Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) 6.4.1. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Princippet i Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) er at den BW, der bærer den transmitterede information, hopper rundt på bestemte pladser i frekvensspektret. Disse pladser kendes på forhånd af sender og modtager. Hop-sekvensen og hop-rytmen kendes også på forhånd af sender og modtager. På denne måde ligger informationen, der transmitteres fordelt over et stort spektrum, som er et multiplum af det oprindelige spektrum. Fordelingen sker over et vist tidsrum. 24

Figur 20. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Dvs. hvis en støjpuls slår ned i en del af det spredte spektrum, er det kun en mindre del af den samlede information der ødelægges. Når senderen transmitterer et physical-layer-frame til modtageren indledes dette frame altid med et pre-ample, som synkroniserer modtagerens clock. Umiddelbart herefter kan senderen transmittere information om den hop-sekvens, der skal anvendes under transmissionen. Trådløse kommunikationsteknologier som f.eks. IEEE802.15.1 (Bluetooth) anvender FHSS. 6.4.2. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Princippet i Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) er at hver enkelt bit i den binære information, der skal transmitteres, opløses i en række del-bit. Herved bliver bit-frekvensen tvunget til at have en højere værdi end oprindeligt. Som følge af dette øges båndbredden, dvs. transmissionspektret bliver derfor spredt mere ud i frekvensspektret. Herved opnås igen en øget immunitet over for en støj, der har en båndbredde, som normalt (uden anvendelse af DSSS) ville have helt eller delvist ødelagt det oprindelige signal. Den høje bit-rate, som opløser den oprindelige bit-rate til en højere værdi, realiseres vha. en Exclusive-Or-funktion (XOR) mellem bittene. Den bit-sekvens, der har den høje bit-rate, kaldes en chipping-code. Denne chipping-code kendes af både sender og modtager. Synkroniseringen af modtagerens chipping-code sker fra senderens side i et physical-layer-frame, umiddelbart efter et preample, der synkroniserer modtagerens clock-frekvens. På modtagersiden XOR es den modtagne bitsekvens med den anvendte chipping-code, som er synkroniseret i physical layer umiddelbart efter pre-ample. På denne måde genereres det oprindelige signal. 25

Figur 21. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Trådløse kommunikationsteknologier som IEEE802.11b (WiFi) og IEEE802.15.4 anvender DSSS. 6.4.3. Valg mellem FHSS og DSSS Ved anvendelse af FHSS flytter informationen sig rundt i det spredte spektrum som funktion af tiden. Ved anvendelse af DSSS er informationen hele tiden spredt over det spredte spektrum. Simuleringer og afprøvninger i praksis [7] viser at FHSS sikrer den mest robuste trådløse transmission ved lave transmissionshastigheder (< 2 Mbit/sec.). DSSS er den mest robuste af de to teknikker ved højere transmissionshastigheder ( > 2 Mbit/sec.). 6.4.4. Chirp Spread Spectrum (CSS) en spread spectrum variant Digital transmission kan realiseres ved at et symbol som repræsenterer en digital tilstand, f.eks. et 0 transmitteres som et frekvens-sweep i opadgående retning, gående fra f a til fb, hvor centerfrekvensen f 0 ligger mellem f a og f b. Frekvenssweepet udføres over tiden t s. Figur 22. Chirp (Kilde: http://www.nanotron.com) 26

Den modsatte digitale tilstand vil da være 1, som transmitteres som et frekvens-sweep i nedadgående retning, gående fra f b til f a. Frekvens-sweepet udføres også her over tiden t s. Denne spead spectrum variant kalde Chirp Spread Spectrum (CSS). Den anvendes f.eks. af kommunikationsteknologien nanonet som er udviklet af firmaet Nanotron. Teknologien har vist sig at være meget robust over for støj. 6.4.5. OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Den samlede bitstream, som skal transmitteres med høj bithastighed, kan på sendersiden deles op i en række del-informationer, f.eks. 8 del-informationer. Hver af disse 8 del-informationer kan transmitteres over hver sin bærebølge, f 1..f 8. Bærebølgerne er anbragt i frekvensspekteret så der er frekvensmæssigt lige stor afstand mellem dem. På modtagersiden lyttes samtidigt på alle 8 frekvenser. Informationen fra hver af de 8 bærebølger samles til en bitstream, som har samme indhold og samme høje hastighed, som blev afsendt fra senderen. Figur 23. IEEE802.11a Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) Hver af de 8 kanaler, overfører data med en begrænset, realistisk hastighed men den samlede transmissionshastighed kan gøres meget høj, afhængig af hvor mange kanaler der kan tildeles i frekvensspekteret. Trådløse kommunikationsteknologier som IEEE802.11a, IEEE802.11g og IEEE802.11n opnår høje transmissionshastigheder ved anvendelse af OFDM. 27

6.5. Fejldetektering og Fejlkorrektion 6.5.1. Fejldetektering, checksum og retransmission (automatic repeat request) På sendersiden kan der genereres en checksum, som er et fingeraftryk af de data der skal afsendes. Den genererede checksum kan transmitteres sammen med data. Data + checksum kan f.eks. sendes som en datalink-aktivitet i form af en frame-transmission mellem to enheder eller f.eks. som en transportlags-aktivitet i form af en transmission af et TCP-segment mellem to enheder placeret i et network-edge. Figur 24. Fejdetektering (Kilde: William Stallings Wireless Communications & Networks, 2. edition) På modtagersiden beregnes checksummen igen på grundlag af de modtagne data. Checksummen på modtagersiden beregnes på grundlag af den samme algoritme som blev anvendt på sendersiden. Den på modtagersiden beregnede checksum sammenlignes med den checksum, som blev beregnet på sendersiden - og som blev transmitteret sammen med data. Hvis den modtager-beregnede checksum er lig med den sender-beregnede checksum er transmissionen fejlfri. Modtageren kan sendes en positiv acknowledge (ACK) tilbage til senderen, så senderen kan gøre sig parat til at transmittere den næste frame. Er der forskel mellem de to beregnede checksummer, kan modtageren sende en negativ acknowledge (NACK), og senderen kan udføre en retransmission. Algoritmen til beregningen af checksummen kan udføres på mange måder, f.eks. som en aritmetisk sum mellem alle data, eller f.eks. som en exclusive-or mellem alle data. Checksums-beregningen foregår ofte på applikations-laget og kræver derfor lidt CPU-tid. Sandsynligheden for at et frame kan accepteres til trods for at det er fejlbehæftet er til stede. Denne risiko for fejlfortolkning er afhængig af antallet af bytes som checksummen fylder og afhængig af den valgte algoritme til kalkulation af checksummen. 6.5.2. Fejldetektering, CRC og retransmission (automatic repeat request) Hvis der på sendersiden udføres en polynomiedivision mellem data og et standardiseret polynomium kan resten efter denne polynomiedivision transmitteres sammen med data. På 28

modtagersiden udføres polynomiedivision mellem: de overførte data + rest og det polynomium, som blev anvendt på sendersiden. Hvis resten efter divisionen bliver 0 er det transmitterede frame fejlfrit, og der kan returneres en ACK til senderen. Bliver resten efter divisionen forskellig fra 0 kan der returneres en NACK til senderen, som kan retransmittere den fejlramte frame. Resten efter polynomiedivisionen benævnes Cyclic Reduncial Check (CRC) og beregnes efter Modulo-2 aritmetik. Til disse beregninger anvendes eksklusive or-gates og skifteregistre, som kan realiseres i den hardware der udgør det fysiske lag. Dvs. det er ikke nødvendigt at anvende CPU-tid til beregning af CRC. Derfor forsinker CRC-beregningen ikke transmissionen. Sandsynligheden for at et frame kan accepteres til trods for at det er fejlbehæftet er til stede. Denne risiko for fejlfortolkning er igen afhængig af antallet af bytes som checksummen fylder og afhængig af det valgte polynomium som anvendes til kalkulation af checksummen. En standardiseret CRC, hvor resten efter divisionen fylder r bit kan detektere alle burst fejl som fylder r bit eller mindre end r bit. Burst-fejl som fylder mere end r bit detekteres med sandsynligheden 1-0,5 r. Endeligt detekteres alle bitfejl hvis de forekommer i et ulige antal. Data + CRC sendes typisk som en datalink aktivitet i form af en frame-transmission mellem to kommunikerende enheder. En trailer med CRC-16 eller CRC-32 fylder hhv. 2 bytes eller 4 bytes, som kan betragtes som redundans. CRC kan betragtes som en specialiseret og optimeret checksums-algoritme. Anvendelse af CRC er meget udbredt. 6.5.3. Fejlkorrektion (generelt) Fremsendelse af Checksum eller CRC medfører at båndbredden nedsættes en smule pga. de 2-4 bytes som skal transmitteres ud over de egentlige data. Redundansen udgør i praksis ca. 1%. Dette betyder ikke meget for transmissionstiden for de egentlige data, der skal overføres, så der er ikke tale om en væsentlig ulempe. Der er til gengæld en klar fordel ved at anvende CRC eller checksum, idet der introduceres en høj grad af pålidelighed. Hvis der afsløres en transmissionsfejl skal der bruges tid på mindst én retransmission, men ofte mange retransmissioner. Tiden som anvendes til disse retransmissioner er en ulempe i et industrielt system, idet det bliver uforudsigeligt hvornår data transmitteres fejlfrit til modtageren. Hermed forsvinder realtidsperspektivet. Når modtageren afslører en fejl i en modtaget frame vha. anvendelse af checksum eller CRC kan modtageren forsøge at reparere bitfejlene i det modtagne frame. Hvis det er muligt at reparere disse fejl bliver retransmissionen unødvendig, der spares tid og realtidsperspektiverne bliver igen mere synlige. Muligheden for reparation af bitfejl (fejlkorrektion) er ikke omkostningsfri, idet der skal transmitteres redundans sammen med data, som modtageren skal anvende til at reparere bitfejlen. 29