Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden

Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden

KHBO, Hobufonds RFSYS Ing. Dieter Degrendele Grad. Jeremy Rayée

HOBU Fonds Project : RFSYS

6/12/02

1. Doelstelling ............................................................................................................................ 2 2. Testopstellingen + resultaten ................................................................................................ 2 2.1. Elektromagnetische simulaties .................................................................................................. 2 2.1.1. Instraling ............................................................................................................................................... 3 2.1.2. Ruis ....................................................................................................................................................... 3 2.1.3. Vonken .................................................................................................................................................. 3 2.1.4. Out of band testen ................................................................................................................................. 7 2.1.5. Besluiten................................................................................................................................................ 7

2.2. Constructieve simulaties............................................................................................................. 9 2.2.1. Reflectie ................................................................................................................................................ 9 2.2.2. Reflectie in combinatie met electromagnetische storingen ................................................................. 10 2.2.3. Snelheid............................................................................................................................................... 12 2.2.4. Communicatie op grotere afstand........................................................................................................ 13 2.2.5. Trillingen............................................................................................................................................. 16 2.2.6. Hoogteverschillen ............................................................................................................................... 16 2.2.7. Duurtesten ........................................................................................................................................... 19

3. Literatuurstudie ................................................................................................................... 20 3.1. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) vs. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) ........................................................................................................................................ 20 3.2. Antennes .................................................................................................................................... 21 3.2.1. Richtingskarakteristiek........................................................................................................................ 21 3.2.2. Mechanische eigenschappen ............................................................................................................... 23 3.2.3. Impedantie en VSWR ......................................................................................................................... 23 3.2.4. Gain..................................................................................................................................................... 23 3.2.5. Polarisatie............................................................................................................................................ 24 3.2.6. Bandbreedte ........................................................................................................................................ 25 3.2.7. Effectieve oppervlakte (Aeff) van een antenne..................................................................................... 25

3.3. Low Power Radio Systems ....................................................................................................... 25 3.4. Bluetooth.................................................................................................................................... 26 3.4.1. Bespreking protocol ............................................................................................................................ 26 3.4.2. Bluetooth in een industriële omgeving................................................................................................ 27

4. Besluiten .............................................................................................................................. 28 5. Literatuur............................................................................................................................. 29

__________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden

1


6/12/02

1. Doelstelling Aan de hand van de geconstrueerde simulaties (elektromagnetische en constructieve simulaties) uit werkpakket WP 2.2 worden enkele RF propagatieparameters onderzocht. Hieruit moeten een aantal besluiten getrokken worden met betrekking tot de mogelijkheden van de aangekochte datacommunicatiessystemen. Hierbij wordt ook geprobeerd om de eigenschappen van de bijhorende technologieën, onder dergelijke industriële omstandigheden, te bepalen. In de literatuur kan hieromtrent veel teruggevonden worden. Deze informatie bepaalt hoofdzakelijk de RF eigenschappen in het verre veld. Het is de bedoeling om aan de hand van deze testen ook de eigenschappen te bepalen in de nabije omgeving. Eveneens worden de mogelijkheden van de verschillende systemen onderling met elkaar vergeleken.

2. Testopstellingen + resultaten In deze paragraaf worden de testresultaten van de verschillende (electromagnetische en constructieve) simulaties weergegeven. De testopstellingen voor de verschillende simulaties worden in werkpakket WP 2.2 weergegeven. Een algemene testopstelling wordt weergegeven in figuur 1. Hierbij wordt de zender (TX) en de ontvanger (RX) op een bepaalde afstand (afhankelijk van de test) geplaatst (antenne tot antenne). Met behulp van de draadloze communicatiesystemen en de seriële interface van 2 PC’s wordt een communicatie opgezet.

PC 1

TX

RX

PC 2

Fig. 1: Algemene testopstelling

2.1. Elektromagnetische simulaties Om deze proeven uit te voeren wordt gebruik gemaakt van een stoorantenne (probe). Uit de testresultaten zal moeten blijken wat de invloed is van de datasnelheid en de positie van de stoorbron. Hierbij zal geprobeerd worden om de RF eigenschappen te omschrijven in het nabije veld. De afstand tot het nabije en het verre veld wordt bepaald met volgende uitdrukking: d = λ/(2π), met λ als golflengte. In het gebied op een afstand groter dan d (het verre veld) is het elektrische veld in fase met het magnetische veld (E en H zijn gekoppeld). Dit betekent ook dat de impedantie, Z = E/H, een constante is in dit gebied (voor lucht is Z = 377Ω). Om het stralingspatroon van een antenne te bepalen dienen de metingen uitgevoerd te worden in het verre veld. Het verre veld waarvan hier sprake is heeft een andere betekenis dan het verre veld hierboven beschreven. Om een optimale ontvangst te verkrijgen moet geprobeerd worden om de antenne zo te plaatsen dat de invallende EM-golven in fase zijn in eender welk element van de antenne. Het in fase zijn van de EM-golven kan verstoord worden door het niet goed plaatsen van de antenne (zie fig. 2). Het afstandsverschil tussen een punt op het uiteinde en het midden van de antenne wordt weergegeven met δ. Dit verschil zorgt voor een faseverschuiving (in de tijd) tussen de EM-golven. Naarmate de antenne dichter bij de stoorbron wordt geplaatst, wordt δ groter. Dit heeft tot gevolg dat de faseverschuiving groter wordt en geen optimale ontvangst verkregen wordt. Hieruit wordt ook duidelijk dat de afstand tot het verre veld, waarvan hier sprake is, afhankelijk is van de afmetingen van de antenne. Bij een kleinere dimensie van de antenne zal een kleinere afstand tot de antenne dezelfde δ opleveren.


2


6/12/02

met y = afmeting van de antenne x = afstand antenne tot stoorbron stoorbron

antenne

Fig. 2: Antenne in het verre veld De afstand tot het verre veld, die in dit werkpakket van toepassing is, wordt bepaald door de eerste beschrijving (d = λ/2π). Uit de formule blijkt dat de afstand tot het verre veld afhankelijk is van de frequentie daar λ omgekeerd evenredig is met de frequentie en wel als volgt: λ= met

c f

[m]

c = snelheid van het licht, 300.000.000 m/s f = frequentie [Hz]

Voor de aangekochte systemen worden de golflengtes en de afstanden tot het verre veld, horende bij de verschillende frequentiebanden, in tabelvorm weergegeven: Frequentie [MHz] 433 900 1900 2400

Golflengte [mm] 693 333 158 125

Halve golflengte [mm] Afst. verre veld [mm] 347 110 167 53 79 25 63 20

De afstand van de stoorantenne tot de antenne van het datacommunicatiesysteem wordt bepaald rekeninghoudende met de afstand tot het verre veld (weergegeven in tabel hierboven).

2.1.1. Instraling De 5 aangekochte systemen worden getest volgens de testgegevens weergegeven in werkpakket WP 2.2 (paragraaf 3.1). De resultaten worden weergegeven in tabel 1.

2.1.2. Ruis De 5 aangekochte systemen worden getest volgens de testgegevens weergegeven in werkpakket WP 2.2 (paragraaf 3.1). De resultaten worden weergegeven in tabel 2.

2.1.3. Vonken De 5 aangekochte systemen worden getest volgens de testgegevens weergegeven in werkpakket WP 2.2 (paragraaf 3.2). De resultaten worden weergegeven in tabel 3.


3


Systeem

6/12/02

Afst. (mm)

Snelheid (Baud)

Stoorniveau (dBm)

Afgeschermd

Afst. (mm)

Snelheid (Baud)

Stoorniveau (dBm)

Afgeschermd

Afst. (mm)

Snelheid (Baud)

Stoorniveau (dBm)

Afgeschermd

Siemens Gigaset

0 0 0

2400 9600 57600

12,5* 12,5* 12,5*

/ * / /

300 300 300

2400 9600 57600

12,5* 12,5* 12,5*

/ / /

600 600 600

2400 9600 57600

12,5* 12,5* 12,5*

/ / /

Silver Data Stream

0 0 0

2400 9600 19200

-2,2 2,8 -0,2

0,8 0,8 -0,2

300 300 300

2400 9600 19200

-8,2 -8,2 -9,2

-9,2 -7,2 -5,2

600 600 600

2400 9600 19200

-7,2 -5,2 -3,2

-8,2 -10,2 -7,2

BiM Evaluation kit

0 0

2400 9600

-2,75 -2,75

/ /

300 300

2400 9600

-0,75 -0,25

/ /

600 600

2400 9600

5,25 5,25

/ /

Bluetooth Tr. & Appl. Kit

0

/

10,8*

/

300

/

10,8*

/

600

/

10,8*

/

MicroHopper 900

0 0 0

2400 9600 19200

/ / /

/ / /

300 300 300

2400 9600 19200

/ / /

/ / /

600 600 600

2400 9600 19200

/ / /

/ / /

Opmerkingen :

1.

(*) : Bij dit stoorniveau zijn geen storingen opgetreden. Dit is het maximale vermogen dat, volgens de gebruikte apparatuur, kon ingesteld worden. (**) : Testen uitgevoerd in frequentiegebied tot 600 MHz. Bij het vermelde stoorniveau is geen informatiestoring opgetreden.

2.

Bij het gebruik van de MicroHopper 900 treden informatiestoringen op zonder een externe stoorbron te plaatsen. Hierdoor kunnen geen representatieve metingen uitgevoerd worden.

3.

Bij de Bluetooth Training & Application Toolkit kan de datasnelheid niet naar keuze ingesteld worden.

Tabel 1: Testresultaten instraling

____________________________________________________________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden

5


Systeem

6/12/02

Afst. (mm)

Snelheid (Baud)

Stoorniveau (dBm)

Afgeschermd

Afst. (mm)

Snelheid (Baud)

Stoorniveau (dBm)

Afgeschermd

Afst. (mm)

Snelheid (Baud)

Stoorniveau (dBm)

Afgeschermd

Siemens Gigaset

0 0 0

2400 9600 57600

12,5* 12,5* 12,5*

/ / /

300 300 300

2400 9600 57600

12,5* 12,5* 12,5*

/ / /

600 600 600

2400 9600 57600

12,5* 12,5* 12,5*

/ / /

Silver Data Stream

0 0 0

2400 9600 19200

-3,2 1,8 -0,2

0,8 -3,2 -0,2

300 300 300

2400 9600 19200

-9,2 -7,2 -10,2

-9,2 -4,2 -4,2

600 600 600

2400 9600 19200

-4,2 -5,2 -4,2

-8,2 -11,2 -6,2

BiM Evaluation kit

0 0

2400 9600

-10,75 -11,75

/ /

300 300

2400 9600

-0.75 -0.75

/ /

600 600

2400 9600

-2.75 -1.75

/ /


0

/

10,8*

/

300

/

10,8*

/

600

/

10,8*

/

MicroHopper 900

0 0 0

2400 9600 19200

/ / /

/ / /

300 300 300

2400 9600 19200

/ / /

/ / /

600 600 600

2400 9600 19200

/ / /

/ / /

Opmerkingen :

1.

(*) : Bij dit stoorniveau zijn geen storingen opgetreden. Dit is het maximale vermogen dat, volgens de gebruikte apparatuur, kon ingesteld worden.

2.

Bij het gebruik van de MicroHopper 900 treden informatiestoringen op zonder een externe stoorbron te plaatsen. Hierdoor kunnen geen representatieve metingen uitgevoerd worden.

3.

Bij de Bluetooth Training & Application Toolkit kan de datasnelheid niet naar keuze ingesteld worden.

Tabel 2: Testresultaten ruis

____________________________________________________________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden

6


6/12/02

Systeem

Afst. (mm)

Lading (kV)

Resultaat

Siemens Gigaset

150

20

niet gestoord

Silver Data Stream

150

20

niet gestoord

BiM Evaluation kit

150

20

niet gestoord


150

20

niet gestoord

MicroHopper 900

150

20

niet gestoord

Tabel 3: Testresultaten vonken

2.1.4. Out of band testen Voorgaande testen worden uitgevoerd in het frequentiegebied overeenkomstig met de frequentieband van het te testen systeem. In vorig werkpakket WP 1.2 worden verschillende industriële omgevingen gedefinieerd (frequentiegebied en vermogen). Tot een frequentie van ongeveer 600 MHz komen nog noemenswaardige stoorsignalen voor. In dit frequentiegebied kunnen frequenties voorkomen die een harmonische vormen van de operationele zendfrequentie van de communicatiesystemen. Deze harmonische frequentie kan eveneens het betreffende systeem storen. Om de invloed van eventuele harmonische frequenties na te gaan, worden de instralingstesten uit 2.1.1. nogmaals herhaald. De testen worden uitgevoerd in het frequentiegebied tot 1000 MHz (in stappen van 20 MHz) en met een stralingsniveau overeenkomstig met de betreffende Europese Normen (EN 61000-4-3 en EN 50082-2) namelijk 10 V/m voor een industriële omgeving. De testen worden uitgevoerd in een kooi van Faraday om alle mogelijke externe stoorsignalen te vermijden. De te testen systemen worden ingesteld met een datasnelheid van 9600 Baud. De resultaten worden hieronder in tabelvorm weergegeven. Systeem

BER (%)

Opmerkingen

Bluetooth Tr. & Appl. Toolkit

0

Siemens Gigaset M101 Data

0

Silver Data Stream

0

Bij 160 MHz stopt de communicatie

BiM Evaluation kit

/

Vanaf 880 MHz treden geen communicatiefouten op

Micro Hopper 900

0

In het frequentiegebied 40 tem. 110 MHz comm.fout In het frequentiegebied 300 tem. 320 MHz comm.fout

Bij de BiM Evaluation kit treden praktisch over het ganse geteste frequentiegebied storingen op. De oorzaak dient waarschijnlijk gezocht te worden bij de interface PCB (RS-232). De PCB werd vervaardigd in het labo maar niet volledig volgens de “regels van de kunst” daar dit te veel tijd in beslag zou nemen. Verder lijkt de Micro Hopper 900 het meest gevoelig voor storingen. Dit betekent echter niet dat de gestoorde systemen niet geschikt zijn onder deze omstandigheden. Storingen kunnen ook veroorzaakt worden door koppeling op kabels. Bij het gebruik van deze systemen zal extra aandacht gevestigd moeten worden aan de opstelling.

2.1.5. Besluiten 1.

Bij het testen van de communicatiesystemen in aanwezigheid van vonken zijn geen informatiestoringen opgetreden. Het spectrum van een lasmachine (zie werkpakket WP 1.3) vertoont noemenswaardige storingen tot een frequentie van ongeveer 50 MHz en met een maximaal niveau van –60 dBm. De simulatie over-

__________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 7


6/12/02

schrijdt zowel het frequentiegebied en het uitgestraald vermogenniveau. Hieruit kan besloten worden dat de communicatiesystemen een goede werking zullen hebben in aanwezigheid van lasmachines. 2.

De resultaten van de instralingstesten en de testen in aanwezigheid van ruis wijzen niet altijd éénduidig in dezelfde richting. Hiermee wordt bedoeld dat de resultaten in functie van de datasnelheid geen onderling verband vertonen. Hieruit wordt besloten dat de invloed van de datasnelheid nihil is.

3.

De elektromagnetische simulaties zijn telkens specifiek uitgevoerd in het frequentiegebied van het communicatiesysteem. In werkpakket WP 1.3 worden een aantal industriële omgevingen gedefinieerd. De noemenswaardige storingen komen vooral voor in het frequentiegebied tot 600 MHz. Om de invloed van de lagere stoorfrequenties na te gaan worden de instralingstesten en de testen in aanwezigheid van ruis gedeeltelijk hernomen (out of band testen). Deze testen vertonen informatiestoringen. De informatiestoringen zijn echter waarschijnlijk te wijten aan storingen op de PCB’s zelf.

4.

De invloed van een stoorsignaal neemt af naarmate de stoorbron zich verder van de ontvanger bevindt. Uit de testresultaten is gebleken dat dit niet altijd kan aangenomen worden. Bij de Silver Data Stream modules en de BiM Evaluation kit blijkt dat op een grotere afstand minder vermogen nodig is om de informatie te storen. Dit wordt verklaard door de koppelingskarakteristieken van de gebruikte antennes. Hierover wordt in paragraaf 3.2.1. verder uitgewijd.

5.

Het communicatiesysteem werkend in de 900 MHz frequentieband (Micro Hopper 900) vertoont reeds slechte informatieoverdracht in afwezigheid van een externe stoorbron. Om dit te verklaren worden een 3-tal spectrummetingen uitgevoerd. Deze worden weergegeven in Fig. 3.

Spectrum zonder Micro Hopper 900

Spectrum met Micro Hopper 900

Fig. 3: Spectrummeting Micro Hopper 900 + GSM

Spectrum zonder Micro Hopper 900 en met GSM Uit deze spectrummetingen kan afgeleid worden in welk frequentiegebied en met welk vermogen de Micro Hopper 900 actief is. Uit de derde meting blijkt dat stoorsignalen (afkomstig van GSM) in dit frequentiegebied aanwezig zijn en met een groter vermogen. Dit heeft tot gevolg dat de stoorsignalen in staat zijn om de over te dragen informatie (mbv. de Micro Hopper 900) te storen. Hieruit wordt duidelijk dat een communica__________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 8


6/12/02

tiesysteem werkend in de 900 MHz frequentieband geen goede resultaten levert. In een omgeving waar geen GSM signalen aanwezig zijn (afgeschermde omgeving) kan deze echter wel een meerefficiënte werking hebben.

2.2. Constructieve simulaties Met behulp van het generieke testen meetsysteem zullen een aantal typische “constructieve” industriële omgevingen gesimuleerd worden. Uit deze resultaten moet blijken welke invloeden deze hebben op de communicatie.

2.2.1.

Reflectie

Om de invloed van reflecties na te gaan wordt de testopstelling uit figuur 4 gebruikt. De testen worden uitgevoerd in de slechtste situatie (worst case). De zender en de ontvanger van elk datacommunicatiesysteem worden op een afstand 2500 mm van elkaar geplaatst en worden beiden afgeschermd door messing platen (als in fig. 4). Indien uit de resultaten blijkt dat deze simulatie invloed heeft op de communicatie zal de hoeveelheid messing platen systematisch verminderd worden. Afscherming in messing

TX

RX

2500 mm

Afscherming in messing

Fig. 4 : Testopstelling reflectie



6/12/02

De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem

Datasnelheid

Testlengte

# testen

BER (%)

Opmerkingen


/

9

20

0

(1)


2400 9600 57600

7 7 7

7 7 7

0 0 0

Silver Data Stream

2400 9600 57600

7 7 7

7 7 7

0 0 0

BiM Evaluation kit

2400 9600

7 7

20 20

0 0

Micro Hopper 900

2400 9600 19200

5 5 5

20 20 20

0 0 0

Opmerkingen :

(1) = Bij het opzetten van de communicatie tussen de 2 Bluetooth modules zijn moeilijkheden opgetreden. Tijdens het opzetten van de communicatie bleek dat de modules elkaar niet "vonden" en bijgevolg geen RF connectie kon gemaakt worden.

Uit de testresultaten blijkt dat de aanwezigheid van reflecties weinig of geen invloed heeft op de informatieoverdracht. Enkel bij het opzetten van de Bluetooth communicatie zijn problemen opgetreden. Bij het opzetten van de communicatie, met de hiervoor beschreven testopstelling, konden de modules elkaar niet “vinden”. Om de communicatie op te zetten worden de deksels (messing) van beide afschermingen (zender en ontvanger) verwijderd. Dit bleek voldoende om de communicatie te voltooien. Bij het vervolgen van de testen, waarbij de messing deksels terug gemonteerd worden, zijn geen informatiestoringen opgetreden. Dit wordt mogelijk gemaakt doordat een groter vermogen uitgezonden wordt nadat beide modules met elkaar geconnecteerd zijn (eigenschap van het Bluetooth protocol). Gedurende de testen worden zender en ontvanger volledig afgeschermd door messing platen. De platen worden op de tafel gemonteerd met boutverbindingen. Deze platen sluiten niet volledig tegen elkaar aan (luchtspleten). Blijkbaar is de aanwezigheid van luchtspleten voldoende om de communicatie tussen zender en ontvanger mogelijk te maken. Indien een volledig dichte omgeving gevormd wordt, omheen zender en ontvanger, kan geen enkele vorm van communicatie mogelijk zijn. Algemeen kan gesteld worden dat luchtspleetlekken ontstaan als de luchtspleetgrootte tenminste een halve golflengte bedraagt. Om luchtspleetlekken te vermijden kunnen meerdere bevestigingsbouten (op een kleinere afstand van elkaar) gebruikt worden of gaskets. Een gasket zorgt voor een goed geleidende verbinding tussen materialen.

2.2.2.

Reflectie in combinatie met electromagnetische storingen

In vorige paragrafen wordt de invloed van electromagnetische straling en de aanwezigheid van metaal onderzocht. In de praktijk komen beide factoren meestal gecombineerd voor. Om de invloed hiervan na te gaan wordt de testopstelling uit figuur 5 gebruikt.



6/12/02

Fig. 5 : Testopstelling reflectie in combinatie met EM straling De communicatiesystemen worden op 2500 mm van elkaar geplaatst. Er worden messing platen over de ganse lengte van de testtafel gemonteerd (links, rechts en bovenaan). De uiteinden van de testtafel worden ook afgesloten met messing platen zodat een volledig gesloten messing box verkregen wordt. Deze platen worden voorzien van connectoren om de voedings- en datakabels naar binnen te voeren. De connectoren worden voorzien van doorvoercapaciteiten om hoogfrequentstoringen via de kabels te vermjden. De informatieoverdracht van de verschillende systemen wordt eerst getest in afwezigheid van EM straling. Deze situatie wordt als referentie gebruikt om de invloed van EM straling in aanwezigheid van metaal na te gaan. Na de referentie opgenomen te hebben wordt ingestraald op de modules volgens de testopstellingen uit paragraaf 2.1.1. De resultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem

Datasnelheid

Stoorniveau

Afstand stoorbron - RX

BER

(Baud)

(dBm)

(mm)

(%)


/

10,8*

300

0


2400 9600 57600

12,5* 12,5* 12,5*

300 300 300

0 0 0

Silver Data Stream

2400 9600 57600

-15,2 -15,2 -16,2

300 300 300

0 0 0

BiM Evaluation kit

2400 9600

-11,75 -10,75

300 300

0 0

Micro Hopper 900

2400 9600 19200

9,2* 9,2* 9,2*

300 300 300

0 0 0

Opmerkingen :

Bij het opzetten van de communicatie tussen de 2 Bluetooth modules zijn moeilijkheden opgetreden. Hierbij beek dat de modules elkaar niet "vonden" en bijgevolg geen RF connectie kon gemaakt worden. Om de RF connectie toch te voltooien dienden de messing deksels verwijderd te worden. De testen worden vervolgd in aanwezigheid van de deksels.

(*) = maximaal in te stellen stoorniveau waarbij geen informatiestoring opgetreden is



6/12/02

Uit de testresultaten blijkt dat het gedrag van de communicatieystemen ongeveer hetzelfde is als bij de vorige storende omgevingen (“electromagnetische” en “constructieve” industriële omgevingen). Hierbij moet wel opgemerkt worden dat het electromagnetisch stoorniveau hoger ligt dan het overeenkomstig stoorniveau uit paragraaf 2.1.1. In deze testomgeving wordt een andere constructieve opstelling gehanteerd. De rechthoekig gesloten box kan gezien worden als een golfpijp waardoor de electromagnetische golven in eenzelfde richting (naar de ontvanger toe) zich voortplanten. In een open ruimte (cfr. paragraaf 2.1.1.) plant slechts een gedeelte van de electromagnetische golven zich voort in de richting van de ontvanger. Het overige gedeelte wordt geabsorbeerd door de semi-anechoïsche ruimte. Hierdoor wordt het storend vermogen gereduceerd. Er is sprake van een golfpijp wanneer de kleinste afmeting van de structuur groter is dan een halve golflengte.

2.2.3.

Snelheid

Een industriële machine wordt vaak opgebouwd uit bewegende delen (roterend of rechtlijnig). In deze paragraaf wordt nagegaan wat de invloed is van bewegende delen op de communicatie. De testomgeving wordt weergegeven in figuur 6. Afscherming in messing

Fig. 6 : Testopstelling snelheid De zendende module wordt op een bewegende tafel geplaatst. De tafel is verbonden met een heen en weer bewegende slede waarvan de snelheid regelbaar is. De ontvangende module wordt aan de andere kant van de tafel geplaatst. Bij deze testopstelling worden ook messing platen gemonteerd over de ganse lengte van de tafel (links, rechts en bovenaan). De uiteinden worden niet afgesloten met messing platen om de heen- en weergaande beweging van de kabels te vereenvoudigen. De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem BiM Evaluation kit

Bluetooth Training & Appl. Kit


MicroHopper 900 Silver Data Stream

Datasnelheid

Snelheid

(Baud)

(m/s)

Resultaat

9600

0,888

9600

0,518

9600

0

OK

/

0

OK

/

0,518

OK

/

0,888

OK

9600

0

OK

9600

0,962

OK

9600

1,11

OK

19200

0

OK

19200

0,937

OK

constant foutmelding constant foutmelding

9600

0

OK

9600

0,937

OK

De testen worden uitgevoerd bij verschillende bewegingssnelheid en datasnelheid. Uit de resultaten blijkt dat RF communicatie op bewegende onderdelen een goed resultaat oplevert. Enkel bij het systeem werkend in de 433 MHz frequentieband zijn problemen opgetreden. Om na te gaan of de informatiestoringen afkomstig zijn van de snelheidsfactor en niet van trillingen, wordt de zendende module op een triltafel geplaatst. Onder deze voorwaarde worden informatiefouten waargenomen. Hieruit kan besloten worden dat de storingen waarschijnlijk afkomstig zijn van trillingen.



2.2.4.

6/12/02

Communicatie op grotere afstand

Alle voorgaande testen worden uitgevoerd waarbij zender en ontvanger op een relatief korte afstand (2500 mm) van elkaar worden geplaatst. Vaak dient datacommunicatie op een grotere afstand plaats te vinden. De signaalsterkte vermindert echter in functie van de te overbruggen afstand. Theoretisch wordt het verlies bepaald door volgende formule: Path Loss (dB) = 20 log 10 (4πr/λ) met

r = te overbruggen afstand (m) λ = golflengte (m)

Uit de formule is af te leiden dat het afstandsverlies afhankelijk is van de frequentie. Hoe groter de operationele frequentie, des te groter het afstandsverlies wordt. In onderstaande grafiek worden de afstandsverliezen weergegeven rekening houdende met de operationele frequenties van de aangekochte systemen en de afstand tijdens de testen.

Path Loss ifv. afstand 120

Path Loss (dB)

100 80 60 40 20 0 1

10

100

1000

10000

Afstand (m) 433 MHz

915 MHz

1890 MHz

2450 MHz

Dit zijn theoretische waarden. In de praktijk dient nog rekening gehouden te worden met externe factoren zoals reflecties of dempende voorwerpen. Verder wordt de operationele afstand nog bepaald door het uitgezonden vermogen en hindernissen in de propagatieweg. Om het gedrag van de communicatiesystemen op grotere afstand na te gaan worden de modules op volgende afstanden geplaatst: 5m, 10m, 20m, 40m en 60m. De testen worden uitgevoerd in een lange gang in een gebouw (zie fig. 7). Hierbij zal eveneens nagegaan worden wat de invloed is van een houten klapdeur in de propagatieweg (zie fig. 7).

TX

Klapdeur 1

gang

Klapdeur 2

RX

Fig. 7 : Testen op grotere afstand



6/12/02

Fig. 7 : Testen op grotere afstand De testen worden enerzijds uitgevoerd met open klapdeuren. Hierdoor kan de invloed van een grotere afstand bepaald worden. Anderzijds worden klapdeur 1 en 2 gesloten om de demping, afkomstig van deze deuren, te bepalen. De testen worden uitgevoerd bij een datasnelheid van 9600 Baud. De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem

Afstand

Hindernis

(m) Bluetooth Training & Application Kit

BiM Evaluation Kit

Micro Hopper 900

Silver Data Stream


Opmerkingen:

BER

Opmerkingen

(%)

5

line of sight

0

60

line of sight

0

5

deur 1

0

40

deur 1

0

(*)

60

deur 1

0

(*)

60

deur 1 & 2

0

(*)

0

5

line of sight

40

line of sight

0

60

line of sight

7,54

10

deur 1

0

20

deur 1

0,94

40

deur 1

1,4

60

deur 1

22,5

5

line of sight

0

60

deur 1 & 2

0

5

line of sight

0

60

deur 1 & 2

0

5

line of sight

0

60

deur 1 & 2

0

(*) Problemen bij het opzetten van de communicatielink

Uit de testresultaten blijkt dat enkel de BiM Evaluation kit fouten vertoond op grotere afstand. De Bluetooth Training and Application Toolkit vertoond soms problemen bij het opzetten van de communicatielink tussen de 2 modules. Eénmaal de communicatielink gemaakt wordt, treden geen communicatiefouten op. Volgens de technische specificaties van de verschillende modules wordt vaak een operationele afstand opgegeven. Uit de testen blijkt dat soms een veel grotere afstand kan overbrugd worden. De opgegeven waarde is een gegarandeerde waarde en geen limiet. Er dient ook altijd rekening gehouden te worden met de omgeving waarin de propagatie plaatsvindt (reflecties). In bepaalde gevallen kan dit de communicatie ten goede komen. De afstandsverliezen kunnen gereduceerd worden door in te spelen op een aantal factoren zoals het zendvermogen verhogen, de gain van het systeem verbeteren, de operationele frequentie verlagen of de gevoeligheid van de __________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 14


6/12/02

ontvanger verhogen. Het aanpassen van deze parameters garandeert een kleiner verlies. Indien het systeem in gebouwen gebruikt wordt, dient verder rekening gehouden te worden met het dempend effect van andere obstakels zoals muren, deuren, reflecterende voorwerpen, … . Deze obstakels hebben echter niet altijd een dempend effect en kunnen de communicatie ten goede komen. Zo kunnen reflecties de signaalsterkte verhogen. Om dit te verduidelijken wordt een tweede reeks testen uitgevoerd. Dezelfde opstelling wordt behouden maar de draadloze communicatiesystemen worden vervangen door 2 logperiodische antennes. De antennes worden op een afstand van 60m geplaatst. Aan de zendantenne wordt een signaal uitgestuurd met een frequentie overeenkomstig met de operationele frequenties van de verschillende systemen. Aan de ontvangstantenne wordt het ontvangen vermogen, met behulp van een spectrumanalyzer, opgemeten. Op deze manier kan het effect van een grotere afstand en een deur gekwantiseerd worden. De metingen worden uitgevoerd in een open ruimte (parking) en in de gang, al of niet met de deuren dicht. Bij deze testen worden de antennes “line of sight” geplaatst. Verder wordt ook een test uitgevoerd waarbij de antennes niet in elkaars zichtveld staan. De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Opstelling 433 MHz

Path Loss (dB) 915 MHz 1,89 GHz 2,45 GHz

1. Antennes op 60m van elkaar

27,73

25,83

29,13

26,05

2. Antennes op 60m van elkaar, deur 1 toe

29,89

29,14

33,46

32,55

3. Antennes op 60m van elkaar, deur 1 en 2 toe

27,89

29,4

35,9

35,02

4. Antennes op 60m van elkaar, deur 1 en 2 toe, om de hoek

52,84

53,97

51,66

52,6

5. Antennes op 60m van elkaar in open ruimte

38,19

38,01

37,17

34,03

Ontvangen vermogen (dBm) 6. Antennes op 60m van elkaar (90°), deur 1 en 2 toe, om de hoek

-42,2

-46,03

-59,63

-57,84

7. Antennes op 60m van elkaar (in lijn), deur 1 en 2 toe, om de hoek

-58,7

-49,32

-62,17

-64,58

8. Antennes op 60m van elkaar(90°), deur 1 en 2 toe, om de hoek, met plaat

-29,15

-30,55

-31,37

-35,52

Uit de testresultaten blijkt dat een groter verlies, ongeveer 10dB, optreedt in een open ruimte (parking) ten opzichte van een gesloten omgeving (gang) (vergelijk test 1 tov. 5). De gang kan immers beschouwd worden als een golfpijp. In een golfpijp wordt het signaal in heel wat richtingen gereflecteerd waardoor een signaalversterking kan optreden. Reflecties kunnen afkomstig zijn van metalen kleerkasten, kabelgoten, muren, … . De deuren zijn vervaardigd uit hout en voorzien van een venster. Beide materialen zijn geen goede geleiders en zullen weinig demping tot gevolg hebben. Dit kan ook besloten worden uit de testen, ongeveer 4dB (vergelijk test 1, 2 en 3). In een derde test wordt de zendantenne uit het zichtveld van de ontvangstantenne gehaald. De zendantenne wordt eveneens op 60m geplaatst maar om de hoek (positie TX in fig. 8). Het niet meer in “line of sight” staan van de antennes levert een verzwakking op van ongeveer 20dB (vergelijk test 3 en 4). Om dit verlies te reduceren kan gebruik gemaakt worden van een reflector. Als reflector wordt gebruik gemaakt van een messing plaat. De plaat wordt onder een hoek van 45° geplaatst in het deurgat (zie fig. 8).

messing plaat

gang RX Klapdeur 1

TX

Klapdeur 2

Werkplaats onderhoud

Figuur 8 : Messing plaat in propagatieweg



6/12/02

Bij het vergelijken van test 6 en 8 wordt duidelijk dat de messing plaat, afhankelijk van de frequentie, een vermogenverhoging oplevert van ongeveer 20dB. Op deze manier wordt nogmaals duidelijk gemaakt dat reflecties niet noodzakelijk een negatieve invloed hebben op het propagatiegebeuren. Bij test 6 en 8 staan de antennes 90° ten opzichte van elkaar verschoven (antennerichting). Aangezien de antennes directioneel zijn, komt dit de vermogenoverdracht niet ten goede. Daarom wordt de test herhaald met de antennes in lijn (test 7). Uit deze test blijkt dat met de antennes in lijn te plaatsen een nog groter verlies optreedt. Dit heeft te maken met de omgevingstoestand van de werkplaats. In de werkplaats bevinden zich heel wat hindernissen (platen, machines, …) die de propagatie bemoeilijken. De theoretische benadering van de path loss komt niet overeen met de opgemeten path loss. Ook hier dient de oorzaak gezocht te worden bij de reflecties. Het zal altijd moeilijk zijn om de path loss in een industriële omgeving theoretisch te benaderen. Indien de path loss toch dient gedefinieerd te worden, zullen metingen (zoals hierboven beschreven) moeten uitgevoerd worden.

2.2.5.

Trillingen

Het gebruik van draadloze communicatiesystemen in industriële omgevingen heeft tot gevolg dat de systemen vaak moeten bestand zijn tegen trillingen. Dit betekent zowel op zuiver mechanisch vlak als op electromagnetisch vlak. De zender wordt op een triltafel gemonteerd en de ontvanger wordt op een statief gemonteerd. De opgewekte trilling wordt gedefinieerd met behulp van een accelerometer en wordt uitgedrukt in g. Zender en ontvanger worden op 2500 mm van elkaar geplaatst (antenne tot antenne). De resultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem

Datasnelheid (Baud)

Trilling (g)

BER (%)


/

4,8

0


9600

3,47

0

Silver Data Stream

9600

3,57

0

BiM Evaluation kit

9600

0,25

/

Micro Hopper 900

9600

2,97

0

Opmerkingen

Constant foutmelding

Uit de testresultaten blijkt dat enkel de BiM Evaluation kit informatiestoringen vertoond onder de hierboven beschreven omstandigheden. Het is moeilijk te achterhalen wat de mogelijke oorzaak is van de storingen. De storingen kunnen veroorzaakt worden door de mechanische belasting of door trillingsinvloeden (bv. bewegen van de antenne) op de electromagnetische eigenschappen van de module. De andere systemen vertonen geen storingen onder de beschreven omstandigheden. De trillingen waaraan de modules werden blootgesteld zijn bewust beperkt gebleven om de modules te sparen op vlak van mechanische belasting. Deze beperking werd ingevoerd na het ontdekken van mechanische schade aangericht aan de Micro Hopper 900 module.

2.2.6.

Hoogteverschillen

In de praktijk komt het vaak voor dat zender en ontvanger niet op dezelfde hoogte kunnen geplaatst worden. Hierbij zal de richtingskarakteristiek (directioneel of omni-directioneel) van de antenne een belangrijke rol spelen.



6/12/02

RX

b

a

θ

Φ1

TX

Φ2

Φ1 = Φ2 θ = Bgtan (a/b)

Figuur 9 : Hoogteverschil TX en RX Om het gedrag van de systemen na te gaan bij hoogteverschillen wordt de testopstelling uit figuur 10 gebruikt. Hierbij wordt de ontvanger op een mast gemonteerd en de zender wordt op de grond geplaatst. De testen worden uitgevoerd met een datasnelheid van 9600 Baud en onder verschillende hoeken (θ). RX

plafond

Fig. 10 : Testopstelling hoogteverschil

TX De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem


BiM Evaluation Kit

Micro Hopper 900

Silver Data Stream

Siemens Gigaset M101

Opmerkingen :

a (m)

b (m)

Hoek (°)

BER (%)

Opmerkingen

0 3 6

6 6 6

90 63,43682 45,00133

0 0 0

Zender en ontvanger gescheiden door plafond. (*)

0 3 6

6 6 6

90 63,43682 45,00133

0 0 0

Zender en ontvanger gescheiden door plafond

0 3 6

6 6 6

90 63,43682 45,00133

0 0,031 0


0 3 6

6 6 6

90 63,43682 45,00133

0 0 0


0 3 6

6 6 6

90 63,43682 45,00133

0 0 0


(*) Bij de Bluetooth modules treden problemen op bij het opzetten van de communicatielink tussen de modules.



6/12/02

Uit de testresultaten blijkt dat datacommunicatie goed mogelijk blijft bij een hoogteverschil tussen zender en ontvanger. Wederom treden moeilijkheden op bij het opzetten van de communicatielink tussen de Bluetooth modules. Ook bij het systeem werkend in de 900 MHz frequentieband treden fouten op. Deze informatiestoring is waarschijnlijk te wijten aan GSM straling aangezien de fout maar sporadisch optreedt. Voorgaande testen worden uitgevoerd bij een klein hoogteverschil (ongeveer 6m). De testen worden nogmaals herhaald bij een groter hoogteverschil. De zender wordt 5 verdiepingen hoger geplaatst ten opzichte van de ontvanger. Zender en ontvanger worden buiten het gebouw geplaatst en in elkaars zichtveld. Na deze testen uitgevoerd te hebben worden de testen herhaald in het gebouw (traphal) (zie fig. 11). De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Bij de testen in het gebouw (traphal) dient opgemerkt te worden dat de modules in de nabije omgeving van de lift geplaatst worden. De lift kan hierbij functioneren als geleider voor de RF propagatie.

Hoogtemeting open ruimte

Hoogtemeting traphal

Fig. 11 : Hoogtemeting in open ruimte en in een gebouw Systeem

Verdiepingen

BER (%)

BiM Evaluation Kit (433 MHz)

0° tot 5° (open ruimte) 1° tot 3° verdiep (traphal) 1° tot 4° verdiep (traphal)

0 0 152,1

Micro Hopper 900 (900 MHz)

0° tot 5° (open ruimte) -1° tot 3° verdiep (open ruimte) -1° tot 4° verdiep (open ruimte)

0 0 comm. verbroken

Siemens Gigaset M101 (1,89 GHz)

0° tot 5° (open ruimte) -1° tot 5° verdiep (open ruimte)

0 0

Silver Data Stream (2,45 GHz)


0 0 comm. verbroken

Bluetooth Tr. & Appl. Kit (2,45 GHz)


0 0 gn connectie mogelijk

In open ruimte leveren de 5 geteste systemen een goede communicatie. In een gesloten ruimte (traphal) is dit echter niet het geval. De prestaties van de verschillende systemen verschillen nogal van elkaar. Een aantal systemen (BiM en Bluetooth) kunnen slechts een verdieping overbruggen. Met de Siemens Gigaset M101 Data kan het ganse gebouw overbrugd worden. Het verschil in prestaties is te wijten aan een aantal factoren: antenne efficiëntie, uitgezonden vermogen, ontvangstgevoeligheid, … .



2.2.7.

6/12/02

Duurtesten

Alle voorgaande testen zijn uitgevoerd in een relatief korte tijdsduur (± 15 min). Om de systemen onderling te vergelijken wordt gebruik gemaakt van testen over een langere tijdsduur (± 8 u). De testopstelling wordt weergegeven in figuur 12. De testopstelling is een combinatie van de voorgaande testen. De factoren snelheid, trillingen, reflecties en stralingen komen in de testopstelling aan bod. De testopstelling moet een reële industriële omgeving simuleren. stoorantenne afscherming in messing RX

TX meettafel

slede

triltafel

a

b

Fig. 12 : Testopstelling combinatie snelheid, reflecties, trillingen en straling De testen worden uitgevoerd op alle systemen met uitzondering van de BiM Evaluation kit. De BiM Evaluation kit wordt niet getest omdat deze bij de minste beweging (triling of snelheid) reeds fouten geeft. De stooromstandigheden worden hieronder weergegeven. - Trilling : 2.28g - Afscherming in messing : 1500 x 510 x 470 mm - Snelheid : 0.88 m/s - Antennetype : Bilog - Positie stoorantenne : a = 800mm / b = 1800mm of 1200mm (afhankelijk van de stand van de slede) - Generatorniveau : 13 dBm - Frequentie sweep : 1 MHz – 2 GHz / step = 1 MHz / dwelltime = 500 ms - Testlengte : 6 - Datasnelheid : 9600 Baud - Aantal testen : 1600 → testtijd ≈ 8u Het EM spectrum gemeten in de kooi bij ingeschakelde slede en triltafel wordt weergegeven in figuur 13. Spectrum 14.Oct 02 17:25 Ref 0 dBm

Att

30 dB

RBW 3 MHz VBW 10 MHz SWT 5 ms

0 A

-10 1 PK MAXH

-20

-30

-40 PRN

Fig. 13 : Spectrum kooi, triltafel en slede in werking

EXREF

-50

EXT

-60

-70

-80

-90 -100

Start 0 Hz

Date:

14.OCT.2002

100 MHz/

17:25:45

Stop 1 GHz



6/12/02

De testresultaten worden hieronder weergegeven. Systeem Bluetooth Training & Appl. Kit Siemens Gigaset M101 Data Silver Data Stream MicroHopper 900

BER (%) 0 0 0 0.72

Opmerkingen Veelvuldig onderbreken van de communicatie

Enkel het 900 MHz systeem heeft informatiestoringen vertoond. Bij het Bluetooth systeem werd meermaals de communicatie onderbroken. Dit heeft met softwareproblemen te maken (in overleg met de leverancier).

3. Literatuurstudie In deze paragraaf worden hoogfrequent technieken besproken die de keuze van een datacommunicatiesysteem kunnen beïnvloeden. Deze beschrijvingen zijn het resultaat van een literatuurstudie.

3.1.Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) vs. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) In deze paragraaf worden een aantal fundamentele verschillen gegeven tussen FHSS en DSSS. Deze verschillen kunnen bepalend zijn voor de keuze van een communicatiesysteem.

FHSS

DSSS

FHSS maakt gebruik van verschillende frequenties in DSSS maakt gebruik van verschillende frequenties in een frequentieband (79 in de 2.45 GHz band). een frequentieband maar in beperkte mate (3 in de 2.45 GHz band). Bij FHSS worden meer kanalen gebruikt dan bij DSSS. Bijgevolg kunnen meer netwerken opgesteld worden bij een FHSS systeem zonder gevaar van interferentie. Dit betekent dat een FHSS systeem geschikt is voor het gebruik in een ruimte met hoge gebruikersdichtheid. Een DSSS systeem is daarentegen meer geschikt voor het gebruik in ruimtes waarvan de gebruikersdichtheid laag is. In FHSS wordt GFSK modulatie toegepast.

In DSSS wordt BPSK toegepast.

Afhankelijk van de modulatie wordt een specifieke versterker vereist (klasse A, B of C). BPSK modulatie bezit fase en amplitude informatie. GFSK bezit enkel frequentie informatie. Bij amplitude modulatie moet een lineaire versterker gebruikt worden om vervorming te voorkomen. Lineaire versterkers (klasse A en B) hebben een relatief laag rendement, veel DC energie wordt omgezet in warmte. Bijgevolg is een DSSS systeem minder rendabel (energie) en moeilijker in te bouwen in een kleine ruimte (warmte). Een FHSS systeem moet de zender en de ontvanger Een DSSS systeem kan de informatie op gelijk welk synchroniseren (hopping frequentie). ogenblik doorsturen (geen synchronisatie van zender en ontvanger vereist). De aanwezigheid van synchronistaie in een FHSS systeem heeft gevolgen op de datasnelheid. De datasnelheid van een FHSS systeem is kleiner dan dat van een DSSS systeem.



6/12/02

Algemeen kan gesteld worden dat DSSS gevoeliger is voor interferentie dan FHSS. Het signaal wordt in het spectrum gestuurd verspreid over een brede frequentieband en met een klein vermogen per bit. Hierdoor kan het verdeelde signaalvermogen gemakkelijk overpowered worden door interfererende signalen. DSSS maakt gebruik van een aantal vaste frequenties in de betreffende frequentieband. Wanneer een interfererend signaal zich op deze frequenties bevindt zal de informatie in grotere mate gestoord worden, daar bij FHSS rond het interfererend signaal wordt gehopt.

3.2. Antennes Een antenne heeft tot doel om een “geleide” electromagnetische golf (via een geleider) te converteren naar een “niet geleide” electromagnetisch golf (free space). Omgekeerd zal een antenne een invallende EM golf omzetten naar een geleide EM golf. Antennes maken deel uit van het communicatiesysteem. Al naargelang het type antenne en de positie kunnen verschillende communicatieresultaten bekomen worden. In deze paragraaf worden een aantal antennebegrippen nader besproken waaruit een aantal invloeden duidelijk worden.

3.2.1. Richtingskarakteristiek Gedurende voorgaande testen (paragraaf 2.1.1. en 2.1.2.) is gebleken dat, in bepaalde omstandigheden, op een grotere afstand van de ontvanger minder vermogen nodig is om het systeem te storen. De oorzaak dient gezocht te worden bij de richtingskarakteristiek van de antenne. De richtingskarakteristiek van een antenne geeft weer in welke mate een antenne uitstraalt of ontvangt in een bepaalde richting. In figuur 14 wordt een voorbeeld van een richtingskarakteristiek weergegeven.

Fig. 14 : Richtingskarakteristiek antenne __________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 21


6/12/02

Het vermogen in een bepaalde richting, met coördinaten (θ,Φ), wordt weergegeven in volgende formule : P (θ,Φ) = Met

Eθ2 (θ , φ ) + Eφ2 (θ , φ ) Z0

r2

P (θ,Φ) = vermogen in de richting met coördinaten (θ,Φ) [W] Eθ (θ,Φ) = θ component van het elektrisch veld [V/m] EΦ (θ,Φ) = Φ component van het elektrisch veld [V/m] Z0 = intrinsieke impedantie van lucht [Ω] r = afstand van antenne tot het beschouwde punt [m]

Elk type antenne heeft zijn specifiek stralingspatroon. In figuur 15 worden de stralingspatronen van een monopool en loop antenne weergegeven. De karakteristieken worden in een 2-dimensionaal vlak weergegeven maar dienen 3-dimensioneel geïnterpreteerd te worden.

p

Monopool antenne

Loop antenne

Fig. 15 : Richtingskarakteristieken monopool en loop Uit figuur 15 blijkt dat in bepaalde omstandigheden (afhankelijk van de positie) het uitgestraalde vermogen aan de antenne zo klein is dat de uitgestraalde EM golven geen invloed hebben op de ontvangstantenne (bv. punt p). Dit is de verklaring waarom op een grotere afstand soms minder vermogen nodig is om een goede koppeling tussen de antennes te verkrijgen. De keuze van het type antenne wordt vaak bepaald door het te dekken gebied of door de operationele afstand. Algemeen kunnen 2 soorten antennes onderscheiden worden : directionele en omni-directionele antennes (figuur 16). Een directionele antenne heeft een dekkingspatroon dat vooral gericht is in één bepaalde richting. Een omnidirectionele antenne dekt daarentegen een gebied van 360°. Met een omni-directionele antenne kan een grotere oppervlakte gedekt worden over een kleinere afstand. Een directionele antenne zal bijgevolg eerder gebruikt worden bij punt-tot-punt communicatie.

antenne

Directionele antenne

richtingskarakteristiek

antenne

richtingskarakteristiek

Omni-directionele antenne

Fig. 16 : 2-dimensionale richtingskarakteristieken directionele en omni-directionele antenne Het gebruik van een directionele of omni-directionele antenne heeft eveneens nog een ander effect, de gevoeligheid voor multipath fading. Het ontvangen signaal is de som van het uitgezonden signaal met andere signalen (gereflecteerde, interfererende, …). Hierdoor kan het ontvangen signaal veranderen in amplitude, in fase en in de tijd. Dit effect wordt gedefinieerd als multipath fading. Het gebruik van een omni-directionele antenne zal bijgevolg gevoeliger zijn voor multipath fading dan een directionele antenne. Een omni-directionele antenne koppelt evenveel in alle richtingen en kan bijgevolg “reducerende” signalen oppikken uit alle richtingen. Een directionele antenne koppelt slechts in één bepaalde richting en is hierdoor minder gevoelig voor multipath fading. Be__________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 22


6/12/02

paalde systemen vereisen omni-directionele antennes waardoor het effect van multipath fading moeilijk te vermijden is. Daarom worden dan andere technieken toegepast zoals spread spectrum. Bij spread spectrum wordt het signaal verspreid over een grotere bandbreedte. Hierdoor zullen andere signalen minder invloed hebben op het uitgezonden signaal en het effect van multipath fading reduceren. Een andere manier om het effect van multipath fading te vermijden is het gebruik van een diversity antenne. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een tweede ontvangstantenne die horizontaal verschoven is ten opzichte van de originele antenne. Door de verschuiving wordt de kans kleiner dat de diversity antenne ook op dezelfde wijze beïnvloed wordt door multipath fading. Verder kan ook de bron van multipath fading aangepast worden zoals het vermijden van reflecterende objecten. De mate waarbij een antenne in een bepaalde richting uitstraalt wordt gekarakteriseerd met de parameter directivity. De directivity van een antenne is de verhouding van het maximaal uitgestraalde vermogen tot het uitgestraalde vermogen van een isotropische bron. Een isotropische bron heeft als stralingspatroon een volkomen sferische vorm en straalt in alle richtingen evenveel uit. Hoe groter de directiviteit, hoe meer de antenne in een bepaalde richting focuseert.

3.2.2. Mechanische eigenschappen In bepaalde gevallen kunnen factoren als afmetingen, kostprijs en vorm bepalend zijn voor de keuze van de antenne. De grootte van de antenne moet in bepaalde gevallen zo klein mogelijk gehouden worden (bv. GSM antenne). Dit wordt vaak bepaald vanuit praktisch standpunt (ruimtebeperkend) maar ook vanuit esthetisch standpunt (uitzicht). Zo worden systemen ontwikkeld waar de antenne op de PCB’s worden geintegreerd (geëtst).

3.2.3. Impedantie en VSWR Bij het gebruik van een antenne in een communicatiesysteem moet de antenne goed afgestemd worden op het syteem om een efficiënte werking van de antenne te verkrijgen. Dit wil zeggen dat de karakteristieke impedantie van de antenne zo goed als mogelijk de karakteristieke impedantie van het systeem (meestal 50Ω) moet benaderen. Is dit niet het geval dan treden reflecties op die een reductie van het uitgestraalde vermogen tot gevolg heeft. Het uitgestraalde vermogen aan de antenne is de som van het ter beschikking zijnde vermogen van het systeem en van het gereflecteerde vermogen (negatief in rekening te brengen). Om een efficiënte werking van de antenne te verkrijgen dient het gereflecteerde vermogen zo laag mogelijk te zijn. De verhouding van het maximale spanningsniveau tot het minimale spanningsniveau dat op een transmissielijn optreedt wordt de Voltage Standing Wave Ratio genoemd (VSWR). Een VSWR waarde van 1,0:1 betekent dat geen reflectie optreedt en dat een optimaal rendement van de antenne bekomen wordt. Geen reflectie betekent ook een goede afstemming van de antenne tov. het systeem (de karakteristieke impedantie van de antenne benadert goed de karakteristieke impedantie van het systeem). Hoe groter deze waarde des te groter de reflectie is. In onderstaande tabel wordt weergegeven wat het verlies bedraagt bij verschillende VSWR waarden. VSWR 1,0 : 1 1,1 : 1 1,2 : 1 1,5 : 1 2,0 : 1 2,5 : 1 3,0 : 1

Percent Reflected Power 0,0 0,23 0,83 4,0 11,11 18,37 25,0

Transmission Loss (dB) 0,0 0,01 0,04 0,18 0,51 0,88 1,25

3.2.4. Gain De gain van een antenne is een maat voor de algemene efficiëntie van de antenne. Naast de hierboven vermelde factoren treden nog allerhande verliezen op. Wanneer een antenne een efficiëntie heeft van 100% dan is de gain van de antenne dezelfde als de directivity. In de praktijk komen efficiëntie niveau’s voor van 90 – 95%. Bij het verwerken van meetresultaten dient met deze factor telkens rekening gehouden te worden. Het uit te stralen vermogen wordt door verliezen gereduceerd tot een bepaald niveau. Om dit niveau te bepalen moeten de resultaten omgerekend worden met de gain factor.



6/12/02

3.2.5. Polarisatie Een elektromagnetisch veld kan grafisch voorgesteld worden door een stel vectoren. Deze vectoren staan, in een orthogonaal vlak, loodrecht op elkaar en de voortplantingsrichting van de EM golf staat loodrecht op dit vlak (zie figuur 17). M E voortplantingsrichting Fig. 17 : Vectorvoorstelling EM golf De polarisatie van een antenne beschrijft de richting en de zin van de elektrische veldvector. De meest voorkomende polarisatietypes zijn de elliptische, circulaire en lineaire (zie figuur 18). Bij lineaire polarisatie blijft de elektrische veldvector in een vaste positie. Dit betekent dat het electromagnetisch veld zich voortplant in één vlak. Bij dit polarisatietype dienen de zendende en de ontvangende antenne in lijn te staan om een optimale vermogenoverdracht te bekomen. Bij circulaire en elliptische polarisatie beschrijft de punt van de elektrische veldvector respectievelijk een cirkel en een ellips. De veldvector draait constant rond, in wijzerzin of tegenwijzerzin. Een circulair gepolariseerde antenne kan gevormd worden door 2 monopolen 90° in de ruimte ten opzichte van elkaar te verschuiven en ze aan te sturen met signalen die 90° in fase verschoven zijn. Het voordeel van een circulair gepolariseerde antenne is dat deze zonder verlies een lineair gepolariseerde EM golf kan ontvangen.

Fig. 18 : Polarisatietypes Om een goede energieoverdracht te bekomen tussen een zendende en een ontvangende antenne is het belangrijk dat de elektrische veldvector, van beide antennes, mooi in lijn staan met elkaar (figuur 19). Hoe kleiner het hoekverschil θ tussen de vectoren, des te kleiner het verlies in energieoverdracht zal zijn. ETX ERX θ

θ (°) 0 15 30 45 60 75 90

Polarisatie verlies (dB) 0 0,3 1,25 3,01 6,02 11,74 ∞

Polarisatie verlies (dB) = 20 log (cos θ) Fig. 19 : Polarisatie verschil Uit de formule blijkt dat, theoretisch, geen koppeling tussen de antennes kan plaatsvinden als de antennes onder een hoek van 90° ten opzichte van elkaar geplaatst worden.



6/12/02

3.2.6. Bandbreedte De bandbreedte is het frequentiegebied waarin de antenne operationeel is. Afhankelijk van de frequentie dienen de afmetingen van de antenne aangepast te worden (halve golflengte). Verder dient in het operationele frequentiegebied ook rekening gehouden te worden met de hierboven vermelde factoren om een efficiënt gedrag van de antenne te bekomen.

3.2.7. Effectieve oppervlakte (Aeff) van een antenne Bij het ontwerp van een antenne zal de dimensie een belangrijke rol spelen. Niet alleen vanuit technisch standpunt maar ook vanuit mechanisch standpunt (beschikbare ruimte). Het al of niet goed ontvangen wordt in grote mate bepaald door de eigenschappen van de ontvangende antenne. Een bepalende factor hierbij is de effectieve oppervlakte van de antenne. De effectieve oppervlakte van een antenne wordt gedefinieerd als de verhouding van het geleverde vermogen (P) [W] tot de vermogendichtheid (S) [W/m2]: Aeff =

P S

[m2]

(1)

Beschouw een punt p op een afstand r van een isotropische bron (evenveel uitstralen in alle richtingen, sferisch stralingspatroon) (zie fig.20). p r

Fig. 20: Isotropische stralingsbron Pt

De vermogendichtheid in het punt p kan als volgt omschreven worden :

Sp =

Pt . Indien een isotropische 4πR 2

antenne in het punt p geplaatst wordt dan zal deze antenne een vermogen ontvangen volgens (1). Met de uitdrukking van de vermogendichtheid en de effectieve oppervlakte (λ2/4π) van een isotropische bron wordt dit dan :

Pt λ2 . Pp = 4πR 2 4π Uit deze formule kan afgeleid worden dat bij het verdubbelen van de frequentie (λ = c/f) de afstand gehalveerd moet worden om hetzelfde vermogen te ontvangen in het punt p. Dit betekent dat met een antenne ontworpen voor een 433MHz en een 900MHz systeem, onder dezelfde ontwerpomstandigheden, het 433MHz systeem ongeveer 2 keer een grotere afstand zal kunnen overbruggen tov. het 900MHz systeem (met hetzelfde vermogen).

3.3. Low Power Radio Systems Low Power Radio Systems (LPRS) (ook Short-Range Devices, SRDs genoemd) worden meestal gebruikt in éénvoudige systemen. Deze systemen zijn éénvoudig in gebruik en de kostprijs is eveneens gunstig (aankoopprijs en installatiekost). De kostprijs wordt echter vaak gereduceerd ten koste van de kwaliteit. De kostprijs wordt onderdrukt door de ontvanger éénvoudiger te ontwerpen. Het éénvoudiger zjn van de ontvanger heeft op zijn beurt effect op de informatieoverdracht. De LPRS werken momenteel hoofdzakelijk op 418 MHz (UK) en op 433,92 MHz. Er worden reeds systemen ontwikkeld werkend in de frequentieband 868 – 870 MHz. Zoals hierboven reeds vermeld heeft het reduceren van de kostprijs gevolgen voor de communicatie. Afhankelijk van het type ontvanger is een systeem gevoeliger voor interferentie van andere systemen (zie fig. 21). __________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 25


6/12/02

Figuur 21 : Bezetting ISM frequentieband 433 MHz De ISM frequentieband 433 MHz wordt gedeeltelijk gebruikt door radioamateurs en TETRA (mobiel radiosysteem voor urgentiediensten). Naarmate de ontvanger selectiever ontvangt zullen minder interfererende signalen invloed hebben op de communicatie. De LPRS hebben meestal een veel kleiner vermogen dan de interfererende systemen (TETRA en radioamateurs). Het al of niet functioneren van LPRS zal afhangen van de frequentie range van de ontvanger. Des te breder deze range wordt hoe gevoeliger de ontvanger is voor interfererende signalen. Voor het ontwerpen van LPRS bestaat reeds een Europese norm EN 300 220. De norm beschrijft de eisen waaraan ontvangers dienen te voldoen, afhankelijk van de klasse (veiligheid) waarin de ontvangers zich situeren. Deze norm is niet verplichtend maar toekomstplannen in de autoindustrie zijn reeds op til. Hoe de ontvanger dient ontworpen te worden zal bepaald worden door een aantal factoren (antenne, selectiviteit, interferentie, …) die op voorhand moeilijk in te schatten zijn. Om de ontvangstgevoeligheid nauwkeurig te bepalen zullen in veel gevallen slechts in-situ metingen uitsluitsel kunnen geven.

3.4. Bluetooth Bluetooth is ontwikkeld om elektronische apparaten draadloos met elkaar te connecteren. Hiermee moet het ganse kabelgedoe vermeden worden. Aanvankelijk werd Bluetooth toegepast in kantoorapparatuur zoals PDA’s, laptops, printers, … . Vanuit de industrie rijst echter ook de vraag wat de toepasbaarheid is van deze standaard in “zwaardere” industriële omstandigheden. Bluetooth biedt industriële toepassingen een aantal voordelen die dit communicatieprotocol zo interessant maakt. Voordelen als beperkt energieverbruik, lage kostprijs en kleine dimensie. In de literatuur is, omtrent het gebruik van Bluetooth in een industriële omgeving, echter nog niet veel terug te vinden. Hierdoor lijkt het aangewezen om de huidige stand van zaken nader toe te lichten.

3.4.1. Bespreking protocol Het Bluetooth protocol maakt gebruik van de 2.45 GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) frequentieband. De frequentieband wordt ter beschikking gesteld van 2.4000 GHz tot 2.4835 GHz in de US en Europa. Uitzonderingen hierop zijn Spanje en Frankrijk die de bruikbare frequentieband reduceren tot respektievelijk : 2.445 GHz tot 2.475 Ghz en 2.4465 Ghz tot 2.4835 GHz. De algemeen bruikbare frequentieband (2.4000 – 2.4835 GHz) wordt onderverdeeld in 79 kanalen met een bandbreedte van 1MHz. Deze frequentieband wordt ook door heel wat andere toepassingen gebruikt daar deze producten licentie-vrij op de markt mogen gebracht worden. Dit voordeel biedt bijgevolg een nadeel, namelijk dat deze frequentieband interferentiegevoelig wordt. Om de interferentiegevoeligheid te reduceren wordt Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) toegepast. Dit wil zeggen dat, op een vastgelegd ritme, versprongen wordt van actieve frequentie over de 79 kanalen. In het Bluetooth protocol wordt gehopped aan een snelheid van 1600 hops/seconde (of om de 625 µsec). Door het constant wis__________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 26


6/12/02

selen van actief radiokanaal wordt de invloed van het interfererende signaal gereduceerd. In een volgende versie van het Bluetooth protocol zal Adaptive FHSS toegepast worden. Bij Adaptive FHSS wordt het radiokanaal waarop een interfererend stoorsignaal zit geëlimineerd. Het interfererende signaal kan op deze manier geen invloed meer hebben op de informatieoverdracht. Tijdens het transporteren van de informatie wordt controle uitgeoefend op verkeerde informatieoverdracht. Een Bluetooth datapacket bestaat uit een Access code (72 bits), Packet Header (54 bits) en een Payload (0-2745 bits). In het Bluetooth protocol worden verschillende datapackets gedefinieerd (DH1, DH3, …), afhankelijk van de samenstelling van de datapackets. Op de verschillende gedeelten van de datapackets worden Forward Error Control (FEC), Cyclic Redundancy Check en Automatic Repeat Request (ARQ) toegepast. Deze toegepaste codering zorgt voor een automatische foutherkenning en hertransmissie. Dit heeft gevolgen op de uiteindelijke informatie datasnelheid. Afhankelijk van de verschillende datapackets (DH1, DH3, …) kunnen andere effectieve datasnelheden bekomen worden. De beschrijving van de verschillende datapackets kan teruggevonden worden in de Bluetooth Specifications. Eén van de doelstellingen bij de ontwikkeling van het Bluetooth protocol was om het energieverbruik beperkt te houden. In het Bluetooth protocol werd een volledig power management ontwikkeld die het stroomverbruik beperkt tot het minimum. De “normale” Bluetooth applicaties zenden uit met een vermogen van 0 dBm (1mW). Dit zijn systemen ontwikkeld om korte afstanden te overbruggen (10m). Deze systemen houden het stroomverbruik en het interfererend vermogen (tov. andere systemen) beperkt. Er bestaat ook een aangepaste versie van het protocol dat een zendvermogen hanteert van 20 dBm (100mW). Deze systemen worden toegepast om grotere afstanden te overbruggen en gebruik in “zwaardere” industiële omgevingen (path loss, hindernissen, electromagnetische storingen, …). Bluetooth wordt niet alleen gebruikt voor point-to-point applicaties uit te voeren. Er kunnen ook netwerken opgesteld worden met meerdere Bluetooth nodes. Zo’n netwerk wordt een piconet genoemd. Een piconet kan maximaal uit 8 Bluetooth apparaten opgebouwd worden (1 master en 7 slaves). De apparaten opgenomen in een piconet worden allen gesynchroniseerd op dezelfde hopping sequentie. Wanneer een ander Bluetooth apparaat in de nabije omgeving komt van het piconet zal deze geen invloed hebben op de andere apparaten omdat deze een andere hopping sequentie hanteert. Verschillende piconets kunnen dus naast elkaar werken zonder invloed te hebben op elkaar. Nu kunnen ook piconets met elkaar samenwerken. Het samenkoppelen van verschillende piconets tot één geheel wordt een scatternet genoemd.

3.4.2. Bluetooth in een industriële omgeving Over het gebruik van Bluetooth in een industriële omgeving is in de literatuur niet veel terug te vinden. Dit heeft waarschijnlijk te maken met het feit dat Bluetooth aanvankelijk werd ontwikkeld voor kantoorapparatuur. Een kantooromgeving is een weinig storende omgeving. Stoorsignalen zullen in veel gevallen afkomstig zijn van andere draadloze systemen. Omtrent de invloed van andere draadloze systemen (IEEE 802.11, HomeRF, IrDA, …) is wel heel wat terug te vinden. Hieronder wordt een overzicht gegeven van reeds geleverd onderzoek.

3.4.2.1. Infrared Data Association (IrDA) IrDA technologie wordt gebruikt om draadloos data te transporteren van punt tot punt. Het toepassingsgebied van IrDA is hetzelfde als dat van Bluetooth. Hierbij bieden beide systemen voor- en nadelen ten opzichte van elkaar. Het grote nadeel van IrDA is dat de communicatie slechts kan plaats vinden wanneer zender en ontvanger in elkaars gezichtsveld staan. In veel gevallen voldoet deze voorwaarde echter niet. Door de beperkte lichtbundelhoek moeten zender en ontvanger al goed naar elkaar gericht staan om communicatie op te zetten. Dit biedt dan op het vlak van datasecurity wel weer voordelen. Een aantal voordelen van IrDA ten opzichte van Bluetooth zijn: geen interferentie mogelijk ten opzichte van andere elektronische apparatuur, hoge datasnelheden (4Mbps tot 16Mbps) en de kostprijs. IrDA en Bluetooth kunnen zonder problemen in dezelfde ruimte gebruikt worden zonder invloed te hebben op de communicatie.

3.4.2.2. IEEE 802.11 De standaard IEEE 802.11 moet nader gedefinieerd worden om te weten welke technische specificaties het betreft. Hieronder wordt een kort overzicht gegeven van de verschillende IEEE 802.11 standaarden.



Standaard 802.11a 802.11b (WiFi) 802.11gOFDM 802.11gPBCC

6/12/02

Frequentieband 5.15-5.35GHz 5.725-5.825GHz 2.4-2.4835GHz 2.4-2.4835GHz

Datasnelheid 54Mbps

Modulatie OFDM

11Mbps 24Mbps 22Mbps

DSSS OFDM DSSS

De 802.11g standaard is compatibel met de 802.11b standaard. Het verschil tussen beide standaarden is de verhoogde datasnelheid. De verschillende IEEE 802.11 standaarden maken gebruik van de 2.45 en 5 GHz ISM frequentiebanden. Dit betekent dat dergelijke systemen het Bluetooth protocol kunnen interfereren. Uit testen is gebleken dat interferentie tussen beide systemen (802.11b tov. Bluetooth en omgekeerd) optreedt wanneer de systemen op een afstand kleiner dan 2m van elkaar worden geplaatst. Voor de systemen werkend in de 5 GHz frequentieband zijn geen interferentieproblemen met Bluetooth. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat het dekkingsvermogen van 5GHz systemen ongeveer de helft bedraagt (zie paragraaf 3.2.7.) tov. 2.45 GHz systemen. Om toch dezelfde afstanden te kunnen overbruggen als een 2.45 GHz systeem zal een groter zendvermogen moeten gehanteerd worden. Dit ten koste van het energieverbruik. Een andere methode om dit probleem te verhelpen is het plaatsen van repeaters. Dit zal de kostprijs verhogen van het systeem maar men verwacht, éénmaal de 5 GHz producten in grotere aantallen worden geproduceerd, dat dit niet zal opwegen tov. de kostprijs van een 2.45 GHz systeem.

3.4.2.3. HomeRF De HomeRF standaard wordt, zoals Bluetooth, gebruikt om apparaten draadloos met elkaar te verbinden. Ook HomeRF maakt gebruik van de 2.45 GHz ISM frequentieband. Hierbij hanteert de standaard ook Adaptive Frequency Hopping Spread Spectrum om de interferentie van andere systemen te vermijden. Deze specificaties van de standaard liggen dicht bij de specificaties van de Bluetooth standaard. De verschillen hebben betrekking tot de datasnelheid, kanaalbreedte, … . Daar de technische specificaties van deze standaarden dicht bij elkaar liggen kunnen beide systemen invloed hebben op elkaar. In de literatuur wordt vermeld dat HomeRF bestendiger zou zijn tegen interferentie dan Bluetooth.

4. Besluiten Aan de hand van de uitgevoerde testen en literatuurstudie moet het mogelijk zijn om een aantal praktische aspecten op gebied van datacommunicatie te voorspellen. De testen werden zowel op mechanisch en electromagnetisch vlak uitgevoerd. In de praktijk zal bij het maken van de keuze van het type draadloos systeem een aantal aspecten in acht genomen moeten worden. Aspecten zoals: - het electromagnetisch spectrum - natuurlijke omgeving - datasnelheid - datasecurity - vereiste overdrachtskwaliteit - operationele afstand - antennegebruik Bij de keuze van de operationele frequentie zal een evenwicht moeten gevonden worden tussen een aantal gegevens. Eerst en vooral is uit werkpakket WP1.3 gebleken dat het industriële storende frequentiegebied zich bevindt tot een frequentie van ongeveer 600 MHz. Vanuit dit standpunt zou kunnen besloten worden dat een 433 MHz systeem geen optimale werking zal hebben. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat de gedefinieerde storende omgeving opgemeten is in de nabije omgeving van de stoorbron. Voor toepassingen op een grotere afstand van de stoorbron kan een 433 MHz systeem wel voordelen bieden ten opzichte van een ander systeem (900 MHz, 1890 MHz en 2.45 GHz). Voordelen als geringere path loss en een groter dekkingsvermogen (bij dezelfde ontwerpomstandigheden). __________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 28


6/12/02

De systemen werkend op de 900 MHz ISM frequentie zullen altijd onderhevig zijn aan de GSM stralen. Hierdoor lijken deze systemen niet aangewezen om te gebruiken in een industriële omgeving tenzij het gebruikte systeem van de buitenwereld volledig wordt afgeschermd. Van de 1890 MHz systemen (DECT) kan hetzelfde gesteld worden. Er zijn heel wat testen uitgevoerd op het aangekochte DECT systeem. Hieruit bleek dat de prestatie van dit systeem heel behoorlijk is niettegenstaande de aanwezigheid van stoorsignalen afkomstig van bv. draadloze telefoons. In de 2.45 Ghz zijn reeds heel wat toepassingen op de markt waardoor deze frequentieband heel interferentiegevoelig is. Toch worden heel wat 2.45 GHz producten naar behoren in de industrie gebruikt. Dit heeft te maken met de gebruikte technologieën en coderingen. Een veel voorkomende technologie is spread spectrum en bij voorkeur FHSS. FHSS is het meest interferentie bestendig en lijkt dus ook het meest aangewezen (vooral Adaptive FHSS). Coderingen zullen dan nog eventueel optredende storingen detecteren. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat coderingen ook nadelige gevolgen kan hebben, gevolgen zoals kostprijs en reductie van de effectieve datasnelheid. Het toepassen van al of niet sterke codering zal afhankelijk zijn van de kwaliteitseis. Moet de over te dragen informatie exact juist worden overgebracht zal een sterke codering moeten toegepast worden. Bij bv. bepaalde temperatuursuitlezing zal een foute informatieoverdracht geen fatale gevolgen hebben. Bij dergelijke toepassingen wordt geen sterke codering vereist. Uit de testresultaten kunnen bovenvermelde regels getoetst worden. Uit de testen blijkt dat het DECT en het Bluetooth systeem geen BER waarden hebben opgeleverd. Dankzij het gehanteerde protocol (communicatietechnologie en codering) treden geen informatiefouten op. Dit wil niet zeggen dat deze systemen geen beperkingen hebben. Het Bluetooth systeem heeft in bepaalde omstandigheden problemen om de communicatie op te zetten en naar behoren te voltooien. Deze systemen bieden wel een goede datakwaliteit. Het DSSS (Silver Data Stream) en FHSS (MicroHopper 900) systeem konden wel electromagnetisch gestoord worden. De oorzaak van de communicatiestoringen heeft hierbij waarschijnlijk te maken met beperkte afscherming. De 2 systemen zijn immers OEM (Original Equipment Manufacturers) modules en zijn bijgevolg niet afgeschermd. Vaak wordt geopteerd voor het draadloos uitvoeren van een communicatiesysteem wanneer een systeem flexibel moet zijn in gebruik of montage. Deze situatie zal vaak ook een beperkende factor zijn. Het effect van muren, obstakels in de propagatieweg, reflecties, … zullen invloed hebben op de communicatie. Uit de testen is gebleken dat in een industriële omgeving deze aspecten moeilijk te toetsen zijn met de theoretische bepalingen. Vaak zijn de praktische resultaten beter dan de theoretische bepalingen doen vermoeden. Zo hebben invloeden als reflecties en multi-path fading eerder een positief effect dan negatief. Uit de testen is gebleken dat reflecties en multi-path fading een versterking van het informatiesignaal opleveren, wat de eigenlijke communicatie ten goede komt. Ook kunnen reflecties gebruikt worden om de propagatieweg van het informatiesignaal te bepalen. De te overbruggen afstand is afhankelijk van een aantal factoren (zendvermogen, ontvangstgevoeligheid, richtingskarakteristiek van de antenne, …). Uit de testresultaten blijkt dat in bepaalde gevallen de vermelde operationele afstanden kunnen verschillen van de praktische operationele afstanden. Reflecties en multi-path fading hebben ook hier hun invloed. Algemeen kan besloten worden dat de keuze van een communicatiesystemen het gevolg zal zijn van een aantal compromissen. Compromissen op gebied van electromagnetisch spectrum, natuurlijke omgeving, operationele afstanden, datasnelheden, … .

5. Literatuur [1] Symbol Technologies Inc. : RF Site Survey and Antenna Selection for Optimum Wireless LAN Performance, January 2000. [2] Frank Leferink, Syllabus : Electromagnetische Compatibiliteit, College 9. University of Twente 2000. [3] Dr. Steven R. Best : Antenna Properties and their Impact on Wireless System Performance. Cushcraft Corporation 1998-2002. [4] Dr. Steven R. Best : Antenna Polarization Considerations in Wireless Communication Systems. Cushcraft Corporation 1999-2002. [5] York EMS Services LtD. : Low Power Radio Devices, A Guide for the Purchaser and Systems Designers. __________________________________________________________________________________________ WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 29


6/12/02

University of York. [6] Kraus / Fleisch : Electromagnetics with applications, McGraw-Hill International editions 1999. Fifth edition. [7] John Griffiths : Radio Wave and Propagation, Prentice-Hall International 1987. [8] Jaap C. Haartsen : The Bluetooth Radio System, February 2000. Ericsson Radio Systems B.V. [9] AU-System : Bluetooth Whitepaper, January 2000. [10] Dave Suvak : IrDA and Bluetooth: A Complementary Comparison, 2000. Extended Systems Inc. [11] Erik Meihofer : Enhancing ISM Band Performance using Adaptive Frequency Hopping, Application Note 2001. Motorola Inc. [12] Mobilian Corporation : 2.4 GHz and 5 GHz WLAN: Competing or Complementary?, January 2001. [13] James C. Chen : Measured Performance of 5-GHz 802.11a Wireless LAN Systems, 2001. Atheros Communications Inc. [14] HomeRF Working Group : Interference Immunity of 2.4 GHz Wireless LANs, 2001.


Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden

Recommend Documents