2.4 (GHz) - על מה ולמה?

[HeliDraco]

הי כולם

הפעם - נדבר קצת על החיה ה"חדשה" הזאת בתחום הרדיו - 2.4GHz, וננסה להסביר כמה מה"קללות" הקשורות לזה. כמה הערות להתחלה:

1. אני בהחלט הולך להתייחס למאפייני התקשורת של המערכות המיוצרות ע"י החברות המובילות (Futaba, JR\Spectrum, Airtronics וכו'), אבל אין לי שום כוונה להכנס לדיון איזו מהמערכות יותר טובה. עיון בפורומים השונים מראה, שכל המערכות של החברות המובילות מוכיחות את עצמן בשטחי ההטסה בעולם, בלי קשר לצורת השידור שלהן. חוץ מזה, הרבה מהפרמטרים להשוואה בכלל לא קשורים לשידור, אלה לנושאים איזוטריים כמו נוחות תפעול ותכנות או איך זה יושב ביד בזמן הטסה ;D. שורה תחתונה - אין שום סיבה לראות במאמר הזה המלצה לחברת רדיו זו או אחרת.
2.בתיאור מאפייני השידור של המערכות השונות, אני מסתמך בעיקר על מה שהן עצמן כותבות בפרסומים טכניים שונים. זה אומר שני דברים - (1) התיאור שלי לעולם לא יהיה מלא, כי אף חברה לא תפרסם את פרוטוקול התקשורת שלה בפירוט ו-(2) חלק מהתוכן הוא תוכן שיווקי ואני רק מנסה להוציא ממנו משהו מועיל . מה שבטוח - אני לא יודע איפה נגמרות העובדות ומתחיל ייפוי המציאות, אז קחו את תיאור המערכת שלי בעירבון מוגבל. מה שחשוב זה העיקרון .

אז נתחיל...
כנראה שהמונח "2.4GHz" הפך ל-BuzzWord החם ביותר בתחום הטיסנאות. היום גם ערכות ה- RTF הזולות ביותר מתהדרות בזה שהן "מצויידות במערכת 2.4GHz" ומבטיחות את הפטור הנכסף מתיאום תדרים וחסינות מוחלטת מהפרעות. מה שחשוב להבין כאן, זה שעצם התדר הוא לא מה שמשנה, ולא כל מערכת שמשדרת בתדר של 2.4 ג'יגה, תתן את היתרונות שמנסים לשווק בתחום. ננסה להבין מה כן חדש במערכות מהסוג הזה.

פרק 1 - קצת (אבל באמת קצת...) על רישוי תדרים.
תחום תדר 2.4 ג'יגה הוא תחום שנקרא בשפה המקצועית Unlicensed Band, כלומר תחום ששידור בו לא דורש רשיון. למה הכוונה? בד"כ ארגון שרוצה לשדר בתחום תדרים מסוים, צריך לקבל אישור מהגורם האחראי לחלוקת התדרים (בארץ - זה משרד התקשורת, בארה"ב - ה-FCC המפורסם וכו'). אישור כזה הוא אירוע בירוקרטי לא קטן ובמקרה של ארגון מסחרי - גם עולה לא מעט כסף (שאלו את חברות הסלולר ;D), אבל הוא מאפשר לוודא שחברה שתעבוד בתחום, לא תסבול מהפרעות מגורמים אחרים. אולם כמה תחומים בודדים, ו- 2.4 ג'יגה ביניהם, נשארו כתחומים "פתוחים". כלומר - שדר אם אתה רוצה (במגבלות מסוימות), אבל תתמודד עם ההפרעות לבד. לכן תחום 2.4GHz הוא למעשה תחום די "רווי" בקורנים בלי שום קשר לטיסנים - שם משדרות מערכות Bluetooth, WiFi ועוד כמה מערכות (למעשה, רוב מה שמשדר אצלינו בבית, משדר ב-2.4). מצד שני, כל מי שרוצה להכנס לתחום ה-2.4, יודע מראש לאן הוא נכנס וצריך לבנות את שיטת השידור של המערכת כך שתהיה חסינה להפרעות, כך שהיכולות שנדבר עליהן בפרקים הבאים, קיימות בצורה כזאת או אחרת גם ב- Bluetooth, Wifi וכו'.
עכשיו כשהבנו למה אנחנו צריכים מערכות חסינות ב-2.4, ננסה להבין איך עושים את זה.

פרק 2 - Spead Spectrum ועוד כמה קללות
את המונח הזה כנראה תקראו בכל תיאור של מערכת 2.4 ג'יגה. אבל מה זה אומר? מאד פשוט - זה אומר שאנחנו משדרים את המידע על יותר תדרים ממה שצריך.איך עושים את זה ואיך זה עוזר לנו? מיד נראה.
נניח שאנחנו מתקשרים עם הטיסן שלנו (עוד הערה - מכאן ואילך "טיסן" משמע כל דבר שאפשר להטיס בשליטת רדיו - טיסן ממש, מסוק, דאון או כל דבר אחר. ממש לא בא לי להיות פוליטקורקטי ) בפרוסת תדר בודדת כמו שעשינו את זה ב-72MHz הישן והטוב. אם מישהו יתחיל לשדר עכשיו באותו פס תדר איתנו (או שיקרה עוד משהו, כמו ספייק מקרי באותו תדר ברכיב אלקטרוני כלשהו), הערוץ ייחסם והתקשורת תפסק, עם כל התוצאות העגומות שאנחנו מכירים. איך מתמודדים עם זה? ישנן שתי דרכים:
דרך 1. לדלג לפרוסת תדר אחרת, שלא חסומה. כך ההפרעה תשפיע עלינו רק רגעית (עם זה, אגב, גם יש דרכים להתמודד ועל זה נדבר בהמשך) ונוכל להמשיך להטיס ברוגע. זה מה שנקרא דילוג אדפטיבי - מסתגל לקיום של הפרעה (Adaptive Frequency Shifting\Hopping). אם נרצה משהו יותר חזק - נגרום למשדר (ולמקלט) לדלג מתדר לתדר כל הזמן, בלי קשר לקיום של הפרעה וכך נמנע גם מרצף של הפרעות בתדרים שונים. זהו הדילוג הרציף (Continuous Frequency Shifting\Hopping):



שימו לב - בדילוג תדרים השתמשנו בשני תדרים או יותר כדי להעביר מידע שעד עכשיו העברנו רק בתדר אחד - "מרחנו" את הספקטרום. זה בדיוק מה שהתכוונתי בתחילת הפרק כשאמרתי שנשתמש ביותר תדר ממה שאנחנו צריכים ;D. דילוג תדרים מאפשר לעשות דבר נוסף - אם נגדיר לכל זוג משדר-מקלט סדר אחר של דילוג תדרים (או, במקרה של דילוג אדפטיבי - זוג תדרים אחר לעבוד בו) - נוכל להבדיל בין משדרים שונים בשטח ולחסוך את הצורך בגבישים ותיאום תדרים. למעשה, זה מה שאנחנו עושים ב-Binding של המשדר והמקלט - מגדירים למקלט את סדר הדילוגים (או זוג תדרים) של המשדר. כך המקלט "יודע" איפה להאזין לנו והוא יתייחס רק לשידורים של המשדר שלנו ולא אחרים, גם אם הם משדרים ב-2.4 גם כן. שיטת דילוג התדרים נותנת הגנה טובה נגד הפרעות והיא גם די נפוצה בעולם, באפליקציות שלא קשורות לטיסנאות ול-2.4 (סלולר בתקן GSM ו-WiFi הן רק שתי דוגמאות). מצד שני מעבר מתדר לתדר דורש זמן וזה עלול להשפיע על ההשהיה בערוץ (הזמן משידור הפקודה במשדר ועד ביצועה) ועוד כמה תופעות לא נעימות. מצד שני, הטכנולוגיה היא די נפוצה והנושאים של ההשהיות נפתרו כבר ע"י רוב החברות. ברור שכמות המשדרים שיכולה לעבוד בו זמנית באותו שטח מוגבלת במקרה הזה רק במספר התדרים הזמינים ובמספר סדרות הדילוג שאפשר לייצר מהן. זוהי הדרך הראשונה - מריחת ספקטרום בדילוג תדרים - Frequency Hopping Spread Spectrum, או FHSS.

דרך 2 - לצייד את הסיגנל שלנו ב"מזהה" כל כך ייחודי, שהמקלט שלנו ייזהה את המשדר גם בנוכחות קורנים אחרים, בערך כמו שאנחנו יודעים לזהות קול של אדם מוכר גם בסביבה רועשת. טכנית - עושים את זה ע"י הכפלת הסיגנל בסידרת נתונים מסויימת ( Direct Sequence או DS), ייחודית לכל משדר ומשדר. זה מייצר סיגנל עם מאפיינים שמקלט מקושר (Binded) אלינו ייזהה בקלות (בעצם כאן, תהליך ה-Binding הוא תהליך הגדרת סדרת הפריסה למקלט). מצד שני, מאד לא סביר שהפרעה סתמית תקבל מאפיינים דומים, כך שהמקלט פשוט "יסנן" אותה. הכפלה כזאת גם "מנפחת" את הסיגנל ולכן - גם מגדילה את פרוסת התדר שנדרשת לשידור. ברור שבמצב כזה נוכל להפעיל באותו מקום מספר משדרים כמספר הסדרות הפנויות שיש לנו ולא תהיה שום השפעה על ההשהיה. מצד שני, הפרעה חזקה מספיק עלולה לחסום ערוץ כזה בכל זאת (את זה בד"כ פותרים בדילוג אדפטיבי). זוהי הדרך השנייה - מריחת ספקטרום בסדרות פריסה - Direct Sequence Spread Spectrum או DSSS.

פרק 3 - כמה אנטנות?

הסתכלות קצרה על מכשיר שמשדר ב-2.4 מראה שני סממנים מעניינים. האחד הוא אנטנות קצרות הרבה יותר. השני הוא העובדה שהמקלט מצוייד בשתי אנטנות ולפעמים אפילו בשני מקלטים! הסיבה לזה היא העובדה ש-2.4 הוא תחום תדר גבוה, רגיש הרבה יותר להסתרות. למעשה, אפילו חלק בטיסן העשוי פחמן מספיק כדי להסתיר את המקלט מהמשדר. איך מתמודדים עם זה? שמים מספר אנטנות עם יכולת מיתוג, או אפילו מספר מקלטים. כך אחת האנטנות תציד נמצאת מחוץ להסתרה וקולטת טוב את הפקודות מהקרקע. זה מה שנקרא Antenna Diversity או Dual Link

פרק 4 - אז מי משתמש במה?

ההפרדה בין החברות בהקשר הזה היא מאד ברורה - פרוטוקול ה-DSM2 של Spektrum מבוסס על DSSS, בעוד פרוטוקול FASST של Futaba מבוסס על FHSS (בדילוג תדרים רציף), כמו גם הפרוטוקול של Airtronics. פוטאבה ואיירטרונקס משתמשות בכפל אנטנות, ספקטרום - בכפל מקלטים. יצרנים אחרים משתמשים בעירוב כזה או אחר של השיטות שפרטתי - ברוב המקרים מדובר ב-FHSS.
פוטאבה גם מפרסמת יכולת של קוד תיקון שגיאות שמאפשר גם התמודדות עם מידע שבכ"ז נחסם. לי יש חשד ששאר החברות עושות את זה גם כן...

אז מה הבנו:
1. תחום 2.4 הוא תחום רווי קורנים ולכן עצם המעבר אליו לא עוזר במיוחד.
2. הפתרון להפרעות הוא שימוש במריחת ספקטרום
3. מריחת ספקטרום קיימת משני סוגים - דילוג תדר או סדרת פריסה
4. חברות שונות משתמשות באמצעי מריחת ספקטרום שונים
5. תחום 2.4 רגיש להסתרות ולכן נדרש ריבוי אנטנות או מקלטים.

אז זהו. נקווה שעזרתי.

[guy1a]

תודה על הכתבה הזאת, מאד ברור ובהחלט יעיל.

[dror]

כדאי גם לציין שגם DSSS נפוצה מאד בטלפוניה סלולרית. אבל תאורטית היא רגישה יותר להפרעות מפני שהמקלט פתוח על תחום תדר רחב יותר ולכן נחסם ביתר קלות על ידי משדר חזק בסביבתו. בטלפוניה סלולרית זה פחות בעייתי כי התדרים מוקצים מראש ואף אחד לא אמור להפריע בהם. 2.4GHz פתוח לכל דיכפין...

[Boogle]

קצר וקולע.

[HeliDraco]

כדאי גם לציין שגם DSSS נפוצה מאד בטלפוניה סלולרית. אבל תאורטית היא רגישה יותר להפרעות מפני שהמקלט פתוח על תחום תדר רחב יותר ולכן נחסם ביתר קלות על ידי משדר חזק בסביבתו. בטלפוניה סלולרית זה פחות בעייתי כי התדרים מוקצים מראש ואף אחד לא אמור להפריע בהם. 2.4GHz פתוח לכל דיכפין...

זה נכון, למרות שהיום קצת פחות. רוב החברות הלכו לכיוון של GSM (שמתבסס דווקא על FHSS מעל TDD). פלאפון השתמשה שנים ב-CDMA (שזה בעצם סוג של שם אחר ל-DSSS), אבל גם היא ירדה מזה...

[MDreamer]

אחלה מאמר!

[dror]

זה נכון, למרות שהיום קצת פחות. רוב החברות הלכו לכיוון של GSM (שמתבסס דווקא על FHSS מעל TDD). פלאפון השתמשה שנים ב-CDMA (שזה בעצם סוג של שם אחר ל-DSSS), אבל גם היא ירדה מזה...

אז זהו, שלא. מה שמוכרים לך היום בתור GSM הוא למעשה Wideband CDMA. ללקוח זה לא משנה כי הטלפון תומך גם GSM ויכול לעבור מול רשתות ישנות.

דרור

[HeliDraco]

אז זהו, שלא. מה שמוכרים לך היום בתור GSM הוא למעשה Wideband CDMA. ללקוח זה לא משנה כי הטלפון תומך גם GSM ויכול לעבור מול רשתות ישנות.

דרור

לא אתווכח, כי אני לא מרגיש מספיק בקיא בעולם הסלולרי, מה גם שזה די סוטה מנושא המאמר

ממה שאני מכיר (ולא רק אני ), רוב רשתות הסלולר בארץ היום (מלבד מירס) משתמשות דווקא ב-GSM. אבל לא ישבתי על המכשירים שלי עם צב"ד