Tech – INTERFERENZ

ANDERE DRATLOSE ÜBERTRAGUNGEN BEEINFLUSSEN MEINE

07.02.2019

Authoren
Xavier Bush

Jesper Lindström
Prof. James Gross

Im letzten BLOG POST von 2018 erläuterten wir das Konzept der Kollision, die Herausforderungen, denen sich drahtlose Netzwerke bei Kollisionen stellen müssen, und wie EchoRing effizient mit ihnen umgeht. Es ist sehr wichtig, sich daran zu erinnern, dass eine Kollision immer dann auftritt, wenn zwei Geräte desselben Netzwerks zur gleichen Zeit senden und dadurch einen Empfangsausfall am Empfänger verursachen. In diesem Blog-Beitrag beschäftigen wir uns mit einem neuen Thema: Interferenzen. Interferenz ist nichts anderes als eine Störung am Empfänger, die durch eine elektromagnetische Aussendung verursacht wird, die von einer Quelle ausgeht, die nicht zum betrachteten Netzwerk gehört. Genau wie in den vorhergehenden Blogbeiträgen erläutern wir die Auswirkungen, die Interferenzen haben, sowie die verschiedenen möglichen Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderung.

Der Ingenieur (Sender), der Roboter (Empfänger) und der Geschäftsmann (interferierende Station)

INTERFERENZ, EINE STÖRUNG DURCH ANDERE ELEKTROMAGNETISCHE QUELLEN

Ein Störsignal ist nichts anderes als eine unerwünschte elektromagnetische Welle, die im gleichen Frequenzband wie das betrachtete Funknetz arbeitet bzw. auftritt und bei der die entsprechende Quelle der elektromagnetischen Welle nicht zum betreffenden Netzwerk gehört. Im VORHERIGEN BLOG-POST verwendeten wir die Analogie zweier Personen, die sich gegenseitig unterbrechen, um das Konzept einer Kollision zu erklären. Wenn wir diese Analogie noch einmal aufgreifen, könnte Interferenz als das Geräusch verstanden werden, das von lauten Baumaschinen ausgeht, die in der Nähe des Ortes arbeiten, an dem das Gespräch stattfindet. Natürlich ist diese Lärmquelle unerwünscht und erschwert das Gespräch. Um auf die drahtlose Kommunikation zurückzukommen: Wenn sich Interferenzen an der Empfangsantenne manifestieren, verzerren sie das gewünschte Signal, mehr oder weniger in der gleichen Weise wie im Falle einer Kollision. Das resultierende Empfangssignal ist eine Kombination aus dem gewünschten Signal und dem Störsignal.

Wir unterscheiden zwei Arten von Interferenzen. Im ersten Fall gehört das Störsignal zu einer anderen Art von (digitalem) Funksystem, d.h. die elektromagnetische Welle wird mit der Absicht erzeugt, Informationen zu übertragen. Diese Art von Interferenz ist als technologieübergreifende Interferenz bekannt, aber der Einfachheit halber werden wir sie in diesem Blogbeitrag nur als Interferenz bezeichnen. Ein hervorragendes Beispiel für diese Art von Interferenz ist die Situation, in der Bluetooth-Headsets Wi-Fi-Übertragungen stören und umgekehrt. Beide Systeme sind digitale Funkübertragungssysteme, aber andererseits können sie aufgrund einer Technologielücke nicht direkt miteinander kommunizieren (man könnte es mit zwei Personen vergleichen, die verschiedene Sprachen sprechen). Ein zweite Art für Interferenzen ist die elektromagnetische Emission einer Mikrowelle: Es ist bekannt, dass der Betrieb einer Mikrowelle die Wi-Fi-Übertragungen im 2,4-GHz-Band stören kann, wo das Interferenzmuster des Ofens ein sehr ausgeprägtes Muster aufweist. Das Hauptproblem ist jedoch, dass diese Emission nicht dazu bestimmt ist, Informationen zu übermitteln. Sie ist vielmehr nur ein Nebenprodukt des Erwärmungsprozesses.

Der Empfänger empfängt ein kombiniertes Signal vom Sender und dem störenden Knoten

AUSWIRKUNGEN VON INTERFERENZEN

Die Auswirkungen der Interferenz sind bis zu einem gewissen Grad die gleichen wie bei Kollisionen, die wir bereits im VORHERIGEN BLOG-POST ausführlich erläutert haben. So können wir die Interferenz letztlich nur als eine weitere Rauschquelle betrachten, die den korrekten Empfang des gewünschten Signals erschwert. Erinnern wir uns an die früheren Blog-Posts, dass typischerweise ein zuverlässiger Empfang nur dann möglich ist, wenn das gewünschte Signal viel stärker ist als das der kombinierten Rauschquellen, zum Beispiel 100 Mal stärker. Wie im Falle von Kollisionen gilt auch hier: je näher die Störquelle an der Empfangsstation liegt, desto stärker ist die Auswirkung der Störung. Wenn diese Quelle in der Nähe ist und zufällig während eines laufenden Empfangs eines interessierenden Signals zu senden beginnt, hat dies zur Folge, dass die Qualität des Signals plötzlich abnimmt und es zu einem Paketverlust kommen kann.

Um die Dauer der Störung zu analysieren, müssen wir zwischen den beiden im vorigen Abschnitt genannten Quellen unterscheiden. Im Falle von Interferenzen, die von einer anderen Art von System kommen, sagen wir, ein Wi-Fi-System interferiert mit einem anderen Wi-Fi-System, wäre die Dauer ähnlich wie bei einer Kollision: die interferierende Wi-Fi-Station könnte tatsächlich nur versuchen, ein sehr kurzes Paket zu übertragen, so dass sich die unglückliche Übertragungssituation schnell mit einigen zehn Mikrosekunden oder sogar noch schneller ändert. In einer technologieübergreifenden Interferenzsituation hingegen kann die Zeitspanne der Störung viel grösser sein. Beispielsweise kann ein Mikrowellenherd Störungen in Impulsen von mehreren 10s Millisekunden aussenden.

Wie bei Kollisionen, Abschattungen und Verblassen können wir uns auch hier nicht auf Vorhersagen verlassen, um die Interferenz zu überwinden, da die Interferenz ein zufälliger Prozess ist.

LÖSUNGEN ZUR ÜBERWINDUNG DER INTERFERENZ

Um Interferenzen zu überwinden, bezieht sich die Schlüsselfrage auf die Art der Störquelle. Beispielsweise kann ein kurzer hochfrequenter Störimpuls von einer Schweißmaschine nur wenige Mikrosekunden lang vorhanden sein. Dies kann sicherlich eine einzelne Paketübertragung stören, aber eine nachfolgende Übertragung wird nicht beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu macht ein permanentes On-Off-Interferenzmuster, wie es von einem Mikrowellenherd ausgesendet wird, eine zuverlässige Kommunikation nahezu unmöglich. In diesem Fall besteht die beste Lösung darin, ein solches Interferenzmuster zu erkennen und in einen anderen Kanal zu wechseln, der vorerst nicht durch Störungen beeinträchtigt wird. Ein solches Schema ist als Frequenzsprungverfahren bekannt und wird als wirksames Mittel zur Minderung von Interferenzen gesehen. Zum Beispiel wechselt Bluetooth den Arbeitskanal auf eine wiederkehrende und extrem schnelle Art und Weise. Gleichzeitig aber können Systeme, die nicht zum Bluetooth-Netzwerk gehören, das Sprungmuster nicht bestimmen. Aufgrund der fehlenden Informationen über den aktuellen Status der Kanäle und der Tatsache, dass Bluetooth im 2,4 GHz-Band arbeitet, das heutzutage ein sehr überfülltes Band ist, ist diese Lösung nicht die geeignetste, um eine ausreichend zuverlässige Verbindung für zeitkritische industrielle Automatisierungsprozesse zu gewährleisten.

ECHORING, INTELLIGENTES FREQUENZ-HOPPING

Zwei Kerneigenschaften von EchoRing ergeben zusammen eine leistungsstarke Technik zur Interferenzminderung. Erstens wird bei EchoRing ein Kanal nur dann geändert, wenn er erheblichen Interferenzen ausgesetzt ist. Hierbei führen spezielle zuverlässige Mechanismen auch dann zu einem Kanalwechsel, wenn die Interferenz so stark ist, dass überhaupt keine Kommunikation zwischen den EchoRing-Knoten möglich ist. Zweitens tauschen die EchoRing-Knoten kontinuierlich Informationen über einen Pool von Kanälen aus, die Kandidaten für die Nutzung sind. In einem solchen Fall kann im Falle eines Kanalwechsels sichergestellt werden, dass eine zuverlässige Kommunikation auf dem neuen Kanal möglich ist. Dazu ist es erforderlich, dass einige der Stationen von Zeit zu Zeit den Pool der verfügbaren Kanäle überprüfen, in denen sie keine Nutzlastinformationen empfangen können. Im Falle eines Token-Passing-Protokolls wie EchoRing besteht die effizienteste Art und Weise, ein solches Abtastschema auf verschiedenen Kanälen zu implementieren, darin, eine bestimmte „Abtastzeit“ hinzuzufügen, wenn der Token alle Stationen durchlaufen hat, die zur Analyse verwendet werden, um den zuvor angegebenen Pool von Kanälen abzutasten. Dies kann auch dynamisch zur Laufzeit des Systems eingeführt werden, z.B. wenn die Belastung des Netzwerks gering ist.

EchoRing wechselt geschickt den Kanal in Abhängigkeit von der Interferenz

Technisch gesehen führt dieser Ansatz offensichtlich zu einer gewissen Latenz bei der Kommunikation, ist jedoch extrem leistungsfähig, um der Herausforderung der Interferenz zu begegnen. Letztendlich zahlt sich die Zeit, die in das Scannen der Kanäle investiert wird, solange es potenzielle Störquellen in der Umgebung gibt, auf.

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