INTERFERENZ: WIE UNABHÄNGIGE FUNKÜBERTRAGUNGEN SICH GEGENSEITIG BEEINFLUSSEN

Authoren
Xavier Bush
Jesper Lindström
Prof. James Gross

In unserem vorherigen Beitrag erläuterten wir das Konzept der Kollisionen, die Herausforderungen, die sie für drahtlose Netzwerke darstellen, und wie EchoRing eine effektive Lösung bietet.

Dieser Eintrag behandelt ein verwandtes Thema: Interferenz.

Ein Operator (Sender), ein Roboter (Empfänger) und ein Passant auf einem Mobiltelefon (Interferenzquelle)

Interferenz, eine Störung durch äußere elektromagnetische Quellen

Eine Interferenz ist eine elektromagnetische Welle, die von außerhalb eines Netzwerks ausgeht und die Kommunikation auf dem Frequenzband dieses Netzwerks stört. Wir haben früher schon, die Analogie von zwei Personen verwendet, die sich gegenseitig unterbrechen, um Kollisionen zu erklären. In Erweiterung dieser Analogie wären Interferenzen laute Baumaschinen in der Nähe des Ortes, an dem die Diskussion stattfindet. Offensichtlich ist dieser Lärm unerwünscht und erfordert, dass die Teilnehmer lauter sprechen und sich wiederholen.

Wenn sich im Zusammenhang mit drahtloser Kommunikation Interferenzen an der Empfangsantenne eines Netzwerks manifestieren, erzeugen sie, ähnlich wie Kollisionen, ein verworrnes Gemenge sowohl des beabsichtigten als auch des Störsignals.

Der empfangende Knoten empfängt ein kombiniertes Signal
vom sendenden Knoten und vom störenden Knoten. 

Interferenzen können weiter in zwei Kategorien unterteilt werden:

• Im ersten Fall gehört das Störsignal zu einem anderen digitalen Kommunikationssystem (d.h. seine elektromagnetische Welle soll Informationen übertragen), das nichts mit dem betroffenen Netz zu tun hat. Dies wird als netzübergreifende Störung bezeichnet. Ein gutes Beispiel ist, wenn Bluetooth-Headsets Wi-Fi-Übertragungen stören und umgekehrt - sie können aufgrund der Plattforminkompatibilität nicht direkt miteinander kommunizieren (stellen Sie sich zwei Personen vor, die unterschiedliche Sprachen sprechen).
• Die zweite Art von Interferenz ist als technologieübergreifende Interferenz bekannt, bei der eine Nicht-Kommunikationstechnologie ein drahtloses Signal stört. Ein gutes Beispiel ist, wenn die Wellen eines Mikrowellenofens Wi-Fi-Übertragungen im 2,4-GHz-Band stören.

Die Auswirkungen von Interferenzen

Auch die Auswirkungen von Interferenzen auf ein Netzwerk sind meist identisch mit Kollisionen. Daher können Interferenzen als eine andere Art von Rauschen kategorisiert werden, das den Signalempfang beeinträchtigt. Der zweite Beitrag in dieser Reihe stellte fest, dass ein zuverlässiger Netzempfang nur dann gewährleistet ist, wenn ein Signal mindestens 100 Mal stärker ist als sein Umgebungsrauschen. Auch hier gilt, dass Interferenzen, genau wie Kollisionen, umso stärker sind, je näher ihre Quelle am Empfänger liegt. Innerhalb einer bestimmten Entfernung kommt es zu einem starken Abfall der Signalqualität, was zu einem Paketverlust führt.

Die Dauer der Interferenz hängt von ihrer Quelle ab. Netzübergreifende Interferenzen, z. B. wenn ein Wi-Fi-Netz mit einem anderen Netz interferiert, haben eine ähnliche Dauer wie Kollisionen. Die störende Wi-Fi-Station kann nur versuchen, ein sehr kurzes Paket zu übertragen, daher würde die Störung nur einige zehn Mikrosekunden oder sogar kürzer dauern. Die Dauer einer technologieübergreifenden Störung kann jedoch viel länger sein. Ein Mikrowellenherd kann Interferenzbursts im Zehner-Millisekundenbereich auslösen - was im Zusammenhang mit zeitkritischen Anwendungen recht bedeutend ist.

Schließlich ist es wichtig zu beachten, dass Interferenz - genau wie Kollisionen, Abschattungen und Ausbleichen - ein zufälliger Prozess ist. Das bedeutet, dass Vorhersagen eine unzuverlässige Lösung sind.

Interferenzen überwinden

Der Schlüssel zur Überwindung von Interferenzen hängt von ihrer Quelle ab. Zum Beispiel kann ein kurzer elektromagnetischer Blitz von einer Schweißmaschine nur wenige Mikrosekunden dauern, was nur die anfängliche Paketübertragung eines Signals stören würde und nicht die nachfolgenden Weiterübertragungen. Ein konstantes An-Aus-Interferenzmuster, wie es in der Zwischenzeit von einem Mikrowellenherd ausgestrahlt wird, würde eine zuverlässige Übertragung nahezu unmöglich machen. Im letzteren Fall besteht die ideale Lösung darin, das Netzwerk auf diese Interferenzmuster zu überwachen und jedes Mal, wenn sie auftreten, auf einen anderen, nicht betroffenen Kanal zu "springen". Dieses Verfahren ist als Frequenzsprungverfahren bekannt, das seit langem als wirksame Gegenmaßnahme gegen Interferenzen akzeptiert ist.

Bluetooth ist eine drahtlose Technologie, die das Frequenzsprungverfahren nutzt, dessen Wirksamkeit jedoch dadurch begrenzt ist, dass es nicht in der Lage ist, den Status des Nachbarkanals zu analysieren, um ein zuverlässiges Sprungmuster zu erzeugen. In Kombination mit der Tatsache, dass Bluetooth im 2,4-GHz-Band arbeitet - einem derzeit sehr überfüllten Band - ist Bluetooth für industrielle drahtlose Anwendungen unzureichend.

EchoRing: Intelligentes Frequenzsprungverfahren

Zwei Hauptmerkmale von EchoRing bilden eine leistungsstarke Channel-Hopping-Lösung.

Erstens gewährleisten eingebaute Übergabemechanismen zuverlässiges Frequenzsprungverfahren, selbst wenn die Interferenzen stark genug sind, um die gesamte Kommunikation zwischen den Stationen zu unterbrechen.

Zweitens aktualisieren und tauschen die EchoRing-Knoten kontinuierlich Informationen über einen Pool von Channel-Hopping-Kandidaten aus und stellen so sicher, dass immer mindestens ein unbeeinflusster Kanal verfügbar ist. Diese Funktion macht es erforderlich, dass bestimmte EchoRing-Stationen periodisch Informationen über alle verfügbaren Kanäle sammeln. Während dieser Zeit können sie weder das EchoRing-Token (das auch in unserem vorherigen Eintrag erläutert wurde) noch Informationspakete senden oder empfangen.

Die effektivste Methode zur Implementierung eines Kanalabtastprotokolls in einem Token-Netzwerk wie EchoRing besteht darin, eine "Abtastperiode" festzulegen, die sofort beginnt, nachdem das Token alle Abtastknoten des Netzwerks durchlaufen hat. Scan-Perioden können auch dynamisch auf der Grundlage der Systemlaufzeit beginnen, z.B. immer dann, wenn die Netzwerklast gering ist.

EchoRing™ wechselt geschickt den Kanal abhängig von der Störung

Das intelligente Channel-Hopping-Protokoll von EchoRing

Schließlich ist es wichtig zu beachten, dass die Channel-Hopping-Technik von EchoRing zwar eine gewisse zusätzliche Latenzzeit erfordert, aber dennoch eine extrem leistungsfähige Lösung zur Vermeidung von Interferenzen darstellt. Der Zeitaufwand für die Kanalsuche ist weitaus geringer als Verzögerungen, die durch Interferenzquellen in der Umgebung des Netzwerks entstehen.

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