Trusted Wireless, em detalhe

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A tecnologia Trusted Wireless™ foi especialmente desenvolvida
para aplicações industriais pela empresa canadiana Omnex Control
Systems. Esta tecnologia, que opera em faixas de frequência sem
licença dos 2.4 GHz, oferece um elevado grau de fiabilidade e robustez.
Outra caraterística relevante passa pelo seu elevado alcance, boas
propriedades na interferência e nas operações em paralelo e ótimas
possibilidades de diagnóstico. Este artigo explica como a tecnologia
Trusted Wireless™ garante estes recursos e quais as suas diferenças
relativamente a outras tecnologias.
Robusto e sem falhas
A tecnologia Trusted Wireless™ baseia-se
em FHSS (Frequency Hopping Spread
Spectrum). O método FHSS foi inventado
e patenteado em 1942 por Hedy Lamarr
e George Antheil. Foi utilizado em aplicações militares, para eliminar interferências no controlo dos torpedos. Também
foi utilizado para impedir que outros acedessem às mensagens militares transmitidas por radiofrequência.
Neste método, as transmissões sem fios
são feitas em vários canais de banda estreita. O transmissor e o recetor alteram
frequentemente a frequência central de
transmissão. As frequências utilizadas e
a ordem nas quais são utilizadas formam
o padrão de saltos das frequências. Este
padrão é pseudo-aleatório e apenas é
conhecido pelo transmissor e recetor, o
que garante que a comunicação entre
dois dispositivos não possa ser monitorizada por terceiros e que a mensagem
não possa ser captada e interpretada.
Além da imunidade, o método também
oferece outras vantagens. Devido às
constantes mudanças na frequência do
rádio, a interferência pode ser tolerada
com muita facilidade.
A Figura 1 mostra que interferências de
banda estreita podem apenas afectar
uma frequência ou poucas frequências
adjacentes, o que pode impedir a transmissão de um período de comunicação.
Mas, no próximo período, outra frequência passa a ser utilizado, evitando o sinal
de interferência (como demonstra a Figura 1). Dependendo do produto, isto
ocorre em apenas milissegundos.
Dependendo da aplicação, a tecnologia
Nível de sinal
robótica
2
DOSSIER . MECATRÓNICA
Trusted Wireless™, em detalhe
Vantagens da tecnologia
Trusted Wireless™
Figura 1. Mudanças na frequência segundo a interferência.
Trusted Wireless™ permite utilizar até 830
frequências individuais, os quais são utilizados de forma aleatória e distribuídos
em toda a banda (como na Figura 2). Isto
assegura um nível elevado de robustez e
uma imunidade a interferências.
Interferência
Todos os sistemas wireless estão sujeitos
a interferências, ou seja, os sinais desejados no recetor são misturados com sinais
interferentes. O sinal recebido pode ser
combinado com um sinal útil, as suas
reflexões, e outros sinais de rádio (ver a
parte das “Coexistência”).
A interferência derivada de reflexões é
um fenómeno físico. Para um recetor
posicionado num local fixo, o sinal útil
é recebido através de uma combinação
do caminho direto e um número infinito de reflexões. Desde que os caminhos
percorridos pelas reflexões variem em
termos de comprimento, as amplitudes
no recetor irão variar (mudança de fase).
A mistura que daqui resulta pode ser positiva, ou seja, as reflexões ampliam o sinal, mas isso também pode ser negativo,
ao atenuar o sinal. Isto pode até mesmo
eliminar por completo o sinal wireless, levando a uma ”sombra”.
Um sistema wireless, que opera numa
frequência fixa, terá sempre este proble-
Além disso, a sequência das frequências
utilizadas é tão variada que o modelo de
distância de frequências de um sistema
Trusted Wireless™ é único. Não existem
dois sistemas Trusted Wireless™ que utilizem o mesmo modelo de distância de
frequências.
A coexistência de vários sistemas Trusted
Wireless™ é ótima, desde que nenhum
dos sistemas utilize todas as frequências
disponíveis, mas cada um utilize apenas
um subconjunto destas frequências.
Recetor
Transmissor
O segundo aspeto relativamente à coexistência diz respeito ao seu comportamento quando existem outras tecnologias wireless na mesma frequência de
banda. A tecnologia Trusted Wireless™
é compatível com outros sistemas wireless, porque utiliza apenas frequências
de transmissão de banda muito estreita, o que permite outros transmissores
(como por exemplo, Bluetooth) a operar
em paralelo sem problemas. Além disso,
a transmissão de frequências ou as gamas de frequências podem ser excluídas
da utilização, o que garante que a tecnologia do Trusted Wireless™ pode ser utilizada juntamente com sistemas WLAN
sem problemas. No caso dos produtos
Trusted Wireless™ que não possam ser
configurados é utilizado normalmente
o canal 5 da WLAN (2422 MHz ou 2442
MHz). Para os produtos que possam ser
configurados, podem ser selecionados
mais de dois canais WLAN.
Figura 3. Sinal ocultado pela interferência.
Recetor
Transmissor
Figura 4. Nível suficiente de sinal segundo a interferência.
Fiabilidade e Diagnóstico
A fiabilidade na tecnologia Trusted Wireless™ é comprovada por mecanismos
específicos de software no protocolo. Os
pacotes de comunicação são fornecidos
com a fonte e o endereço de destino, o
que impede a utilização incorreta dos pacotes recebidos. Além disso, uma verificação de 16-bit CRC é aplicada a todos os
pacotes de dados, assegurando que os
mesmos estão corretos. O Forward Error
Correction (FEC) auxilia na restruturação
DOSSIER . MECATRÓNICA
Coexistência
Há dois aspetos de coexistência a serem
considerados: primeiro, a coexistência de
muitos sistemas Trusted Wireless™ e, em
segundo lugar, a coexistência deste sistema juntamente com outras tecnologias
wireless.
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ma. No entanto, ao alterar a frequência
wireless, o sistema FHSS altera o comprimento de onda e, assim, muda as condições de reflexão numa localização fixa.
Desde que a mudança de frequência ou
o comprimento de onda seja grande o
suficiente, o sinal pode ser parcialmente
ocultado da frequência f1 (como na Figura 3), mas será suficientemente forte
novamente na próxima frequência f2 (Figura 4). Um sistema FHSS move-se, portanto, automaticamente para o exterior
de qualquer sombra.
robótica
Figura 2. Método FHSS (tempo da distância de transmissão Δt = 27 ms).
Isto significa que um grande número de
sistemas pode entrar em funcionamento,
em paralelo, em estreita proximidade,
sem qualquer interferência significativa.
As medições demonstram que a transferência de dados, quando estão muito
próximos 400 sistemas em funcionamento, apenas é reduzida em 50%. A interferência através da utilização de sistemas
que operam em paralelo, evidenciando
interferência mútua, é extremamente
baixa.
da informação que tenha sido danificada
no caminho da transmissão. Para isso, um
bit adicional de informação é adicionado
ao telegrama atual, o que torna possível
reconstruir os dados, utilizando algoritmos matemáticos.
robótica
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DOSSIER . MECATRÓNICA
A tecnologia Trusted Wireless™ oferece uma tecnologia de diagnóstico com
ótimas opções as quais variam, dependendo do produto. O estado de ligação
wireless é diagnosticado através do sinal
“RF-LINK”.
Entretanto, a qualidade do percurso de
rádio pode ser monitorizada exatamente
através de um sinal RSSI (Receiver Signal Strength Indicator). Este sinal pode
ser monitorizado de forma permanente
num sistema ou utilizado apenas durante o início e durante o alinhamento das
antenas.
A taxa de erro e outros parâmetros do
serviço podem ser acedidos diretamente,
dependendo do produto.
Série
A tecnologia Trusted Wireless™ foi otimizada para médias e longas distâncias. Ao
utilizar antenas adequadas e observando
as diretivas legais e o máximo de valor,
podem ser alcançadas distâncias máximas de 3 quilómetros na banda dos 2.4
GHz.
Os parâmetros que afetam a gama de
sistemas wireless representam a energia
por bit, a qual é utilizada para transmitir
alguma informação desejada, e a sensibilidade do recetor.
Energia por bit
Quanto maior a energia por bit, maior
o alcance da transmissão sem fios, Isto
significa que há duas soluções são possíveis em teoria: ou aumentar a energia ou
reduzir a velocidade de transmissão. Em
Portugal, a energia (potência de saída)
é limitada por lei para 20 dBm na banda
dos 2.4 GHz. Ambos os valores são aplicados à potência radiada pela antena, a
EIRP (Effective Isotropic Radiated Power),
ou seja, incluem a energia de transmissão
à saída do emissor, as perdas dos cabos e
juntas e o ganho da antena.
Figura 5. Energia por bit.
Painel HF com um chip
Típico recetor Bluetooth com
sensibilidade:
-80 dB
Painel HF descontinuo
Típico Trusted WirelessTM com
sensibilidade de recetor:
-110 dB to -115 dB
Figura 6. Sensibilidade do recetor.
Uma vez que a energia não pode ser
aumentada de forma livre, a única opção passa por reduzir a velocidade de
transmissão. Dependendo da aplicação,
a Trusted Wireless™ utiliza o mínimo de
transmissão de velocidade necessário,
para que possa ser alcançado o máximo
de energia por bit.
A Figura 5 mostra como a energia por bit
para um sistema de Trusted Wireless™ é
muito mais elevada do que um sistema
WLAN, apesar de uma menor potência
de transmissão.
Sensibilidade no recetor
A sensibilidade no recetor é um parâmetro fundamental para o alcance máximo.
Em geral, o alcance duplica quando a força do sinal ou a sensibilidade é aumentada
por +6 dB ou -6 dB. Isto pode ser alcançado
no transmissor, aumentando a transmissão de potência ou utilizando a antena
com um maior ganho (atenção: a potência radiada EIRP está limitada por lei).
Um método mais eficaz passa por aumentar a sensibilidade do recetor porque
este não é limitado por lei e depende, em
grande medida, do circuito utilizado e da
qualidade e desempenho dos componentes utilizados.
A Figura 6 mostra uma placa Bluetooth
standard com circuito integrado. Derivado dos processos de fabrico extremamente reduzidos destas soluções de
circuito integrado, a sensibilidade do recetor é tipicamente de cerca de -80 dB.
Próximo a esta placa está uma versão discreta mas fiável da placa wireless Trusted
Wireless™. Através da utilização de vários
componentes especiais, a sensibilidade
de um recetor típico de até -110 dB até
-115 dB pode ser alcançado, dependendo do produto. Isto significa uma diferença de 30 dB ou um fator de 1000. A placa
Trusted Wireless™ é, assim, 1000 vezes
mais sensível do que a placa Bluetooth
(como se pode verificar na Figura 6).
Como descrito em cima, uma melhoria
da sensibilidade de -6 dB duplica o alcance. Por isso, com uma diferença de 30 dB,
a gama da solução Trusted Wireless™ tem
um alcance 32 vezes maior do que os da
solução ilustrada de circuito integrado
Bluetooth:
6 dB + 6 dB + 6 dB + 6 dB + 6 dB = 30 dB
2 x 2 x 2 x 2 x 25 = 32 vezes.