Phoenix Contact, Themadag draadloze netwerken in de industrie

Themadag Draadloze
netwerken in de industrie
Najaar 2015
In samenwerking met:
Ing. R.A. Hulsebos

Welkom bij PHOENIX CONTACT
Themadag “Draadloze netwerken in de industrie”
Betrouwbaar werken met WiFi, Bluetooth en Trusted Wireless
Harm Geurink
Rob Hulsebos
1/166

Themadag “Draadloze netwerken in de industrie”
Betrouwbaar werken met WiFi, Bluetooth en Trusted Wireless
Programma:
09:00 Welkom en introductie
09:15 Intro draadloze netwerken, het radiodeel, antennes
10:45 Pauze
11:15 Engineering
11:45 Bluetooth
12:15 Lunch
13:00 Trusted Wireless
13:30 WiFi
14:45 Pauze
15:15 Beveiliging van WiFi
15:55 Afsluiting
16:00 Einde
Masterversion 13
PHOENIX CONTACT bedrijfshistorie
1923
1985
1966
1957
vandaag
2/166

Masterversion 13
PHOENIX CONTACT hoofdvestiging
Blomberg
Bad Pyrmont
Masterversion 13
PHOENIX CONTACT Electronics
Bad Pyrmont
Blomberg
3/166

Masterversion 13
Wereldwijd
• 14 productielocaties
• 50 verkooporganisaties
• 30 lokale vertegenwoordigingen
Masterversion 13
Feiten en cijfers
Verkoop in miljoenen € 1,770
Medewerkers wereldwijd 14.000
Verkoopaandeel
Duitsland
30%
Internationaal
70%
€
4/166

Masterversion 13
Structuur
Masterversion 13
Producten
 Schakelkast
Van klem tot en met besturing
 Veldinstallatie
Innovatieve I/O-bedradingssystemen en
industriële connectoren
 Apparaat- en aansluittechniek
Printplaataansluiting of elektronicabehuizing
 Systemen en oplossingen
Onze producten zijn op veel manieren
te combineren  voor elke toepassing
de juiste producten
5/166

1
THEMADAGTHEMADAG
DRAADLOZE NETWERKENDRAADLOZE NETWERKEN
12/2015
6/166

2
EVEN VOORSTELLEN...
• Rob Hulsebos, 1961
• HTS Informatika, 1986
• Werkzaam in embedded sw / realtime / machinebouw
regio Eindhoven (Philips, ASML, Assembléon, Delem)
• Expertisegebied: industriële netwerken
• Freelance auteur over alles rondom
industriële netwerken en cybersecurity
(o.a. vakblad Automatie)
• Freelance docent
– Industriële netwerken, v.a. 1999
– Profibus, v.a. 2000
– Industrieel + Wireless Ethernet, v.a. 2001
• Consultancy, www.enodenetworks.com
7/166

3
PROGRAMMA
• 09:15 Intro draadloze netwerken
Het radiodeel
Antennes
• 10:45 Pauze
• 11:15 Engineering
• 11:45 Bluetooth
• 12:15 Lunch
• 13:00 Trusted Wireless
• 13:30 WiFi
• 14:45 Pauze
• 15:15 Beveiliging van WiFi
• 15:45 Afsluiting
8/166

4
INTRO DRAADLOZEINTRO DRAADLOZE
NETWERKENNETWERKEN
HET RADIODEEL
ANTENNES
ENGINEERING
BLUETOOTH
TRUSTED WIRELESS
WIFI
BEVEILIGING VAN WIFI
AFSLUITING
9/166

5
OUDSTE VORM VAN COMMUNICATIE
Draadloze methodes om data over te dragen zijn echt niet iets van de laatste jaren – visuele methodes zijn al zo oud als de
weg naar Rome. De afbeelding links spreekt voor zich, de afbeelding rechts toont een “Chappe telegraaf”, die eind 18e eeuw
ook in Nederland (de Franse tijd) gefunctioneerd heeft. Op hoge torens wordt met een “semafoor” een letter uit het alfabet
aangegeven; door grote ketens telegraafhuisjes op een rij te bouwen konden boodschappen heel snel (ca. 600…900 km/uur)
door West-Europa worden getransporteerd (uiteraard alleen bij daglicht), hetgeen al heel wat sneller was dan het snelste
vervoermiddel van die tijd – het paard met ca. 10 km/uur.
Om dataverminking tegen te gaan moest elke telegraaf de ontvangen boodschap afspelen – daarmee zelf weer een schakel
vormende in de overdracht naar het volgende telegraafstation.
10/166

6
ALS KABELS NIET KUNNEN...
Situaties waarbij het aanleggen van kabels niet makkelijk is, of erg lastig, of erg kostbaar: als een spoorlijn, weg of waterweg
gepasseerd moet worden, in rotsachtig of afgelegen terrein.
11/166

7
ALS AFSTANDEN GROOT ZIJN...
Redenen om een draadloos netwerk aan te leggen: om te besparen op de aanleg van bekabeling over grotere afstanden, of als
tijdelijk een verbinding gelegd moet worden.
12/166

8
ALS KABELS LASTIG ZIJN...
Draadloze netwerken kunnen een rol spelen in die situaties waar kabels eigenlijk niet goed bruikbaar zijn, zoals in mobiele
toepassingen als AGV (Automated Guided Vehicles) op een fabrieksvloer, of in de gereedschappen die op een robot geplaatst
moeten worden. In dit laatste geval biedt een draadloze koppeling ook meer vrijheid dan het gebruik van een connector, omdat
men dan ook niet gebonden is aan een maximum hoeveelheid I/O.
Verder zijn toepassingen denkbaar bij vervanging van kabelrupsen of sleepcontacten; beiden zijn namelijk erg slijtagegevoelig
en dus ook storingsgevoelig.
Ook EMC-aspecten kunnen een rol spelen: waar geen bekabeling is, kunnen ook geen elektromagnetische storingen
overgezet worden tussen systeemdelen.
Uiterst rechts een robot met draadloze I/O op zijn gereedschap: flexibel te wisselen, geen slijtage van kabels, en de
mogelijkheid om in de toekomst meer (of andersoortige) I/O te gebruiken dan nu voorzien.
13/166

9
ALS KABELS LEGGEN DUUR IS...
Draadloze netwerken kunnen ook een rol spelen als het leggen van kabels duur is, of tijdrovend. Hoeveel uur werk tijdrovend
is, hangt natuurlijk af van het moment. In noodgevallen kan een uur al te lang zijn.
14/166

10
SNELLE EVOLUTIE
Eerste WiFi, 1.2 Mbit/s
IEEE 802.11b, 11 Mbit/sGSM 9,6 Kbit/s
Zelfs PC-technologie
is niet zo snel
gegroeid in die tijd!
3G, 10 Mbit/s
LTE, 50 Mbit/s
IEEE 802.11a/g, 54 Mbit/s
IEEE 802.11n,
600 Mbit/s
2003
2000
2006
2009
2014
IEEE 802.11ac,
1.7 Gbit/s
Draadloze technologie is de afgelopen twee decennia zeer hard gegroeid. Een voorbeeld daarvan zien we in de GSM-
technologie; waar met de eerste toestellen op de (destijds fabeltastische) snelheid van 9.6 Kbit/s een paar regels tekst
opgehaald kunnen worden, wordt vanaf 2013 de 4e generatie GSM alweer uitgerold waarmee snelheden tot 50 Mbit/s beloofd
worden (dat is, onder optimale omstandigheden).
Ook op gebied van draadloos Ethernet zijn de ontwikkelingen snel gegaan. De eerste versie bood een snelheid van 1,2 Mbit/s,
de meest actuele versie (IEEE 802.11ac) gaal al weer tot 1.7 Gbit/s en de opvolger hiervan is ook al weer in de maak!
15/166

11
BELANGRIJKE TECHNOLOGIEEN
• GSM/GPRS
• Wereldwijd bekend / bruikbaar
• Zeer grote afstanden haalbaar
• Abonnement / dataverbruik
• Bluetooth
• Begonnen als „draadloze RS-232 vervanger“
• Lage snelheid, korte afstand
• WLAN 802.11
• Draadloze variant van Ethernet
• Hoge tot zeer hoge snelheid
• Gespecialiseerde systemen
• Voor industriële toepassingen
• Kleine datahoeveelheden
• Stoorgevoeligheid zeer belangrijk
• Voeding via batterij / accu jarenlang
Er zijn tientallen verschillende types draadloze netwerken, teveel om in 1 dag te bespreken. Voor industrieel gebruik zien we
meestal dezelfde technieken terug: GSM, Bluetooth, WiFi, en diverse speciaal voor industriele toepassingen ontwikkelde
systemen. Het zijn geen concurrenten van elkaar, omdat ze elk verschillende toepassingsgebieden afdekken. Bijvoorbeeld,
GSM gaat meer voor geografisch gespreide systemen voor toepassingen als remote diagnose en incidentele remote control,
WiFi gaat meer voor de korte afstanden met zeer hoge snelheden, Trusted Wireless voor lange afstanden, Bluetooth voor
control en remote I/O op korte afstanden, en WirelessHART en ISA-100 voor batterijgevoede sensoren die eens per zoveel
minuten worden uitgelezen. Voor snellere I/O is batterijvoeding veelal niet geschikt, maar als er dan toch een vaste voeding is
dan biedt dat wel mogelijkheden voor extra betrouwbaarheid en beveiliging (snellere CPU mogelijk).
16/166

12
WAT DOEN WE ERMEE
• Draadloos LAN
• Draadloze RS-232/485
• Draadloos Profibus
• Remote I/O
• Kabelvervanger
Wat met een draadloos netwerk gedaan kan worden, is niet op 1 pagina op te sommen. Hierboven enkele voorbeelden die
vandaag nog verder aan de orde komen.
17/166

13
MAG SAFETY MET WIRELESS ?
• Ja en nee!
– Nee: geen vervanging voor
kabels voor safety signalen
– Ja: met speciale safety I/O
modules (bv. ProfiSafe)
• Waarom ?
– Safety I/O modules werken
onafhankelijk van netwerk
– Dit is het zogenaamde “black
channel” principe
– Werking:
• safety I/O signalen worden extra beveiligd
tegen corruptie
• I/O electronica redundant uitgevoerd
• geen communicatie ? systeem in veilige
toestand
• veiligheid is dus gegarandeerd
• het heeft dus wel zin aandacht aan de
engineering te besteden!
(anders staat het systeem steeds in veilige
toestand te niksen)
Is het toegestaan om safety I/O signalen (bv. voor machineveiligheid: een noodstop) via een draadloos netwerk te verzenden?
De eerste gedachte zal zijn: nee, en dat klopt in principe ook. Men zou kunnen denken dat een noodstop eigenlijk niets meer is
dan een schakelaar die aan een digitale ingang kan worden aangesloten, bekabeld of draadloos. Maar als de kabel gebroken
is, of de draadloze link doet het niet, dan kan men op de noodstop drukken tot Sint Juttemis, maar het systeem zal nooit
reageren en stoppen. In zoverre is een draadloze link dus niet beter (of slechter) dan een kabel.
Maar als speciale maatregelen genomen worden, dan mag een draadloze link wel gebruikt worden in eeen safety toepassing.
Dat is eigenlijk hetzelfde als safety I/O in een bekabeld netwerk, dat sinds ca. 15 jaar ook toegestaan is. Maar dan moet wel de
speciale genetwerkte safety I/O gebruikt worden. Bij Profibus / ProfiNet kennen we bv. de ProfiSafe variant, bij AS-Interface
Safety @ Work, en zo hebben de meeste industriele netwerken wel een safety-variant.
Het gebruik van een netwerk (bekabeld of draadloos) in een safety toepassing is toegestaan omdat de hele afhandeling van de
safety I/O onafhankelijk is van de kwaliteit van het onderliggende netwerk, en dus ook hoe dit precies werkt en hoe
storings(on)gevoelig dit is. De keuze is heel makkelijk: als de communicatie niet goed werkt, gaan het systeem in een veilige
toestand. Dus zelfs op een heel ‘brak’ netwerk is de veiligheid gegarandeerd: het systeem zal misschien veel stil staan, maar
het is veilig. Uiteraard is het minder gewenst als dit te vaak gebeurd, dus goede engineering van een netwerklink blijft nodig.
Met het zgn. “black channel” principe zal het veiligheidssysteem natuurlijk ook ervoor zorgen dat niet ten onrechte een veilige
toestand wordt aangenomen, of (erger) dat het systeem niet veilig schakelt als dat wél noodzakelijk is. Er is daarom een
onderliggende protocolschil (wat bv. ProfiSafe dus doet) die extra controles op dataverminking uitvoert, en verminkte data
repareert. Ook de elektronica is speciaal uitgevoerd, bijvoorbeeld dubbele schakelaars in een noodstop (+ detectie van de
correcte werking ervan). Hetzelfde geldt voor de I/O, die ook zichzelf checkt. Processoren kunnen ook dubbel uitgevoerd
worden, en de software dient zelf checks uit te voeren. Dit staat echter allemaal los van wat het netwerk doet, die hoeft niets
speciaals te doen. Daarom kunnen safety toepassingen dus eigenlijk op elk draadloos netwerk uitgevoerd worden, als dit maar
in staat is om 0 en 1 bits te sturen en te ontvangen. Nogmaals, alleen met speciale safety protocollen erbij!
Het helpt wel als in de netwerkcomponenten maatregelen geworden worden om bepaalde protocollen ‘voorrang’ te geven, dat
maakt de doorlooptijdvertraging kleiner zodat het veiligheidssysteem niet per abuis in een veilige toestand gaat mocht het
misschien te druk worden op het netwerk met tijdelijk veel andere netwerkbelasting.
18/166

14
INTRO DRAADLOZE NETWERKEN
HET RADIODEELHET RADIODEEL
ANTENNES
ENGINEERING
BLUETOOTH
TRUSTED WIRELESS
WIFI
AFSLUITING
19/166

15
RADIOFREQUENTIES
• Gebruik van de ether is gereguleerd door de overheid
– Overal ter wereld
– Maar niet overal identiek !
De ‘ether’ mag door niemand zomaar vrij gebruikt worden. In elk land is het gebruik ervan gereguleerd; men kan alleen die
frequentiebanden gebruiken na afgifte van een vergunning. Wereldwijd is er tussen landen ook een coordinatie omdat een
radiosignaal natuurlijk bij de grens niet ophoudt. De meest bekende frequentiebanden zijn oa. die van de radio (“Radio 538” op
538 kHz, FM op 88…104 MHz) en de aloude “27 MHz” bakkies. De afbeelding hierboven geeft de indeling van het
frequentiespectrum weer, beginnend bij 3 kHz linksboven tot 300 GHz rechtsonder.
Draadloze netwerken hebben uiteraard hun eigen frequentieband(en) nodig. Een probleem is dat er bij de indeling van het
frequentiespectrum nooit rekening is gehouden met draadloze netwerken, eenvoudigweg omdat de technologie 15 jaar
geleden nog niet bestond. Reagerend op verzoeken uit de markt hebben de autoriteiten in de VS (de “FCC” – Federal
Communication Commission) o.a. de 2,4 GHz “ISM” (Industrial, Scientific, Medical) band vrijgegeven voor gebruik zonder
vergunning. Uiteraard waren er wel enige voorwaarden m.b.t. zendvermogen, tolerantie, frequentiegebruik etc. Men had nooit
vermoed dat de industrie zo creatief hiermee om kon gaan, hetgeen geleid heeft tot een complete nieuwe industrie met
volkomen nieuwe technologiëen. Dit gaat met zo’n sneltreinvaart dat er steeds meer wensen komen tot vrijgave van andere
frequentiebanden voor draadloze netwerken. Uiteraard gaat dit niet zonder slag of stoot – ook in die andere frequentiebanden
zitten al gebruikers. Het frequentiespectrum is eenvoudigweg geheel gevuld. Inmiddels is het besef doorgedrongen dat voor
draadloze netwerken ook aparte frequentiebanden (los van ISM’s) nodig zijn. Zo is o.a. de frequentieband 61,0 … 61,5 GHz al
voor draadloze netwerken gereserveerd.
---
In Nederland is het “Agentschap Telecom”, onderdeel van het Directoraat-Generaal Telecommunicatie en Post van het
ministerie van Economische zaken verantwoordelijk voor de toewijzing van frequenties. Dit is vastgelegd in het “Nationaal
Frequentieplan 2005” (dat eind 2011 nog steeds geldig was). Dit document is vanaf de rijksoverheid-website of via
www.agentschaptelecom.nl te downloaden. Ook de frequentiekaart (Nederlandse versie van de bovenstaande afbeelding) kan
op deze websites gevonden worden.
---
Indien beschikbaar kan via het Agentschap een ‘eigen’ frequentie in licentie verkregen worden. De kosten hiervan kunnen
oplopen tot enkele miljarden euro’s (bv. voor een landelijk geldende UMTS licentie) tot ca. 200 Euro (per jaar) voor een eigen
“light license” voor een 60 GHz point-to-point link.
20/166

16
BESCHIKBARE BANDEN
• Aantal frequentiebanden voor ‘vrij’ gebruik
– Geen licentie nodig, iedereen mag
– Soms beperkt zendvermogen, beperkt gebruik (% tijd)
– Anderen moet je tolereren
– Geen garanties dus!
Een aantal frequentiebanden zijn beschikbaar voor ieders (dus ook industrieel) gebruik. Oorspronkelijk werd gedacht dat het
gebruik ervan slechts zeer beperkt zou zijn, want wat heb je nu aan een radio met heel weinig vermogen en dus ook een heel
korte afstand? Inmiddels is, dankzij de vooruitgang der techniek, wel gebleken dat er toch nog heel veel kan binnen de
beperkte mogelijkheden. Dat gaat zelfs zo ver dat er steeds meer wensen komen om nog meer frequentiebanden vrij te geven.
Wel moet rekening gehouden worden met verschillende eisen die per werelddeel of land gesteld kunnen worden. Het is dus
niet zomaar mogelijk om dezelfde technologie ongewijzigd overal in te zetten. Een paar voorbeelden van de verschillende
regels per werelddeel:
In de VS mag een zendvermogen van 1W in de ISM-frequentiebanden worden gebruikt, in Europa maar 0.1W (overigens kan
niet alle apparatuur ook 1W leveren).
In de VS en Europa loopt de 2,4 GHz band van 2,400 tot 2,4835 GHz, maar in Japan is de bovengrens weer hoger.
Uitzonderingen in Europa zijn o.a. nog Frankrijk en Spanje. In België moeten draadloze netwerken die een grotere afstand dan
300 meter kunnen overbruggen bij de overheid aangemeld worden; in Italië is geen enkele vergunning nodig zolang het
netwerk de grenzen van het eigen landbezit niet overschrijdt (voor een normale particulier dus niet weggelegd!).
In de VS loopt de 5,8 GHz band van 5,725 tot 5,870 GHz, in Europa van 5,785 tot 5,815 GHz, en in Japan is het gebruik ervan
niet toegestaan, in plaats daarvan is de 4,9 GHz band beschikbaar. Tevens moet in sommige Europese landen nog rekening
gehouden worden met (vliegveld) radarinstallaties die ook kanalen uit de 5,8 GHz band gebruiken; indien een apparaat een
radarsignaal ontvangt op een bepaalde frequentie, dan mag die frequentie niet meer gebruikt worden.
De “SRD” (Short Range Devices”) frequentieband (868,0 … 868,6 MHz) in Europa staat een vermogen van 10 mW toe.
Tevens mag men niet meer dan 1% van de beschikbare tijd (= 0,6s per minuut!) een transmissie actief hebben. Dit laatste
zorgt ervoor dat er veel gebruikers van deze frequentieband kunnen zijn, maar alleen voor heel speciale toepassingen (o.a. het
EnOcean-systeem voor gebouwautomatisering).
Deze verschillen maken het soms vrij moeilijk om voorspellingen te doen over haalbare afstanden (zendvermogen!) en
snelheid (hoe smaller de frequentieband, des te minder kanalen). Wees daarom voorzichtig met literatuur uit andere (niet-
Europese) landen.
---
Andere frequentiebanden waar eventueel draadloos op gecommuniceerd kan worden: ISM 433,0 … 434,7 MHz, GSM
890…960 MHz, 902 … 928 MHz (VS), DECT (draadloze telefoons voor binnenshuis) 1,8 … 1,9 GHz, UMTS 1,97 .. 2,2 GHz.
21/166

17
2,4 GHZ NU EXCLUSIEF VOOR ONS?
• Dat nu ook weer niet
• Andere mogelijke gebruikers:
– Andere draadloze netwerken (Bluetooth, Zigbee, ...)
– Magnetrons
– Draadloze telefoons (DECT, in sommige landen)
– Zendamateurs
– Videolinks
– Speciaal soort lampen (“fusion lighting”)
– RFID
– Babyfoons
– Afstandbedieningen
– ...
• Vooraf dus enige engineering nodig
• De 5 GHz band is dan een mogelijke uitwijk
• Europese regelgeving per 1/1/2015: EN 300328 v1.8.1
De 2,4 GHz frequentieband is niet exclusief gereserveerd voor draadloos Ethernet. Er zijn ook genoeg andere gebruikers, die
zich ook aan de regels moeten houden. Dat kan per gebruikscategorie verschillen, bijvoorbeeld in zendvermogen, duty cycle,
wel of geen vergunning vereist, etc. Zo mogen zendamateurs met grotere vermogens werken, maar deze mogen dan weer
geen gegevens gecodeerd (gecrypt) versturen. Op de volgende pagina zijn (voor NL en B) voorbeelden gegeven van mogelijke
gebruikers.
Mochten er problemen ontstaan met een draadloos Ethernet dat om de een of andere reden niet kan functioneren zoals
gewenst, dan is dat een kwestie van jammer. Juist omdat er licentievrij gewerkt mag worden, is er geen gebruiksrecht. De
overheid kan alleen optreden als de regels overtreden worden (bv. gebruikers die hun netwerkkaart oppeppen om met grotere
vermogens te zenden dan de toegestane 100 mW).
22/166

18
REGULERING
De mogelijke gebruikers van de 2,4 GHz frequentieband worden bepaald door de nationale overheid. Hierboven twee
voorbeelden (NL en B), met gegevens van overheidswebsites. Het maximum van 100 mW is voor WiFi dus een limiet. In
andere landen kunnen de maxima anders liggen, bv. 4W in India of 1W in de VS / Canada.
23/166

19
VOORBEELD WETTELIJKE REGELS
• Legaal 2,4 GHz band
zendvermogen:
– 1W: VS
– 100 mW: Europa
• Dus...
– Import uit VS... ?
– Export ?
• Er zijn nog meer regels
– Frequenties niet
– Binnen/buitengebruik
– Voorrangsgebruikers
Een voorbeeld van (problemen met) wettelijke regels rondom WiFi apparatuur speelde in de zomer van 2010, toen de eerste
Apple iPad’s op de markt kwamen. Deze zijn voorzien van WiFi. Omdat de Israëlische douane dacht dat de iPad’s, als zijnde
Amerikaanse apparatuur met een in de VS toegestaan maximaal zendvermogen van 1W, de eigen lokale wettelijke regels (die
slechts 100 mW zendvermogen toestaan) zou overtreden werden de iPad’s bij de grens in beslag genomen.
Later bleek dat de iPad’s zich automatisch aanpassen, en werd de blokkade opgeheven.
24/166

20
DIT KAN DUS OFFICIEEL NIET
Bovenstaand kwam eind november 2012 in het nieuws. Het Agentschap Telecommunicatie waarschuwt ervoor dat in
Nederland het maximale zendvermogen voor WiFi nog altijd 100 mW is, ondanks het feit dat apparatuur met hogere
zendvermogens wel verkocht wordt in Nederland. De leveranciers ervan claimen dat men dan een vergunning moet aanvragen
bij het Agentschap om die apparaten te mogen gebruiken, doch uit het persbericht blijkt dat zulke vergunningen echter nooit
verstrekt worden. Andere leveranciers claimen dat hogere zendvermogens weliswaar niet toegestaan zijn, maar wel
getolereerd worden (hetgeen ook niet waar is).
Waarom bestaan er zowiezo apparaten met hogere zendvermogens dan 100 mW ? Omdat in andere landen (bv. de VS) dat
wel toegestaan is, daar is het maximum 1000 mW.
25/166

21
INTERNE WERKING
• Om de beschikbaarheid zo goed mogelijk te garanderen,
wordt gebruik gemaakt van “Spread Spectrum”
technologie
• Daarbij worden een bredere frequentie gebruikt dan
feitelijk nodig is, met als voordeel: storingsongevoeliger
• Varianten:
– FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
– DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
– OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
Belangrijk voor industriële toepassingen in combinatie met draadloze netwerken is: het netwerk moet een zo hoog mogelijke
beschikbaarheid hebben. Liefst 100%, maar dat haalt geen enkel netwerk (ook geen bekabeld netwerk). Uiteraard worden
zoveel mogelijk technieken gebruikt om zo dicht mogelijk tegen de 100% aan te komen. Een zeer bekende methode is de zgn.
“Spread Spectrum” technologie.
De basis achter Spread Spectrum is, zoals de naam al zegt, het te gebruiken radiografische spectrum breder te maken dan
feitelijk nodig is. Bijvoorbeeld, voor het sturen van 1 Mbit/s aan data zou kunnen worden volstaan met een benodigde
bandbreedte van 2 MHz. Maar als nu net op die ene frequentie een stoorzender zit, dan wordt de gehele 1 Mbit/s onmogelijk
en is er totale uitval van de communicatie. Met Spread Spectrum kan (bijvoorbeeld) van 20 MHz bandbreedte (of elke andere
waarde, bijvoorbeeld 80 of 300 MHz) gebruik gemaakt worden, zodat een storing op 1 frequentie niet alles wegdrukt.
Uiteraard heeft ook Spread Spectrum zijn prijs: het ‘zomaar’ gebruiken van veel bandbreedte is niet mogelijk. Bijvoorbeeld, op
de 2,4 GHz band staat 85 MHz aan bandbreedte ter beschikking. Als geen gebruik gemaakt wordt van Spread Spectrum en we
hebben 2 MHz bandbreedte nodig per netwerk, dan zouden er dus 42 netwerken parallel in de 85 MHz passen. Maar
gebruiken we wel Spread Spectrum en hebben 20 MHz bandbreedte nodig, dan passen er nog maar 4 netwerken parallel,
maar hebben dan wel een hogere storingsongevoeligheid. Doch dit laatste wordt zo belangrijk geacht dat er toch voor Spread
Spectrum gekozen wordt.
Spread Spectrum bestaat in diverse varianten: FHSS, DSSS en OFDM, welke hierna besproken worden.
26/166

22
FREQUENCY HOPPING
• Ontdekt door actrice Hedy Lamarr
• Doel: remote control van torpedo’s
• Na WOII voornamelijk militaire toepassing
• Voor civiel gebruik pas vanaf ca. 1990
(elektronica werd ook betaalbaar)
Hedy Lamarr Ponsband Torpedobesturing (12) via vliegtuig (18) naar doel (17)
Het algoritme voor frequency-hopping is ontdekt door de Oostenrijkse / Amerikaanse actrice Hedy Lamarr (1913-2000), ooit
beschouwd als ‘s-wereld mooiste actrice (en tevens het model voor Catwoman uit de Batman-strips). Tijdens de tweede
wereldoorlog werd door het bedrijf van haar echtgenoot (een wapenproducent) gezocht naar een methode om torpedo’s op
afstand te kunnen besturen, want een zelfstandige torpedo had maar een heel kleine kans om zijn doel te treffen. Uiteraard
werd daarbij gedacht aan een radiografische besturing, maar dit had het nadeel dat het heel eenvoudig was om het
radiosignaal te storen. De uitvinding (1942) van Hedy Lamarr hield in dat in een hoog tempo steeds een andere frequentieband
gekozen zou gaan worden, waardoor een storing maar korte tijd van invloed zou kunnen zijn.
Met de technologie van destijds was frequency-hopping niet te maken; in eerste instantie werd het algoritme ontwikkeld met
piano’s; dit werd later zichtbaar omdat haar frequency-hopping verdeeld was over 88 frequenties (net zoveel als er toetsen op
een piano zijn). Pas ver na de oorlog zijn de eerste (militaire) producten die gebruik maken van frequency-hopping op de markt
gekomen. Het hoppen werd daarbij gestuurd door een soort eindeloze ponsband, waarin gecodeerd werd welke frequentie op
welk moment gebruikt moest worden. Door twee van deze ponsbanden te gebruiken, een bij de zender en een bij de
ontvanger, werd het onmogelijk om langdurig een transmissie af te luisteren. Deze manier van besturing is identiek als nog
steeds wordt gebruikt in draaiorgels waar op de ponsband de muziek en bewegingen van het orgel zijn gecodeerd.
Vanwege de onafluisterbaarheid van frequency-hoppende radio’s is de technologie lange tijd een militair geheim geweest. Voor
civiel gebruik werd het niet zinvol geacht; een van de weinige toepassingen was het gebruik in een draadloos netwerk voor
rockgitaren (!). Pas met op de opkomst van de mobiele telefonie is frequency-hopping ook doorgedrongen in het civiele
domein, en wel met een ongekend success. Vanwege de enorme importantie van Hedy Lamarr’s uitvinding ontving ze in 1997
diverse belangrijke internationale prijzen. Rijk is ze er niet van geworden; het patent was al afgelopen voordat er gebruik van
kon worden gemaakt.
27/166

23
FREQUENCY HOPPING VOORBEELD
Tijd
2,40 GHz
2,48 GHz
Het frequency-hoppen zelf geschiedt (zoals de naam al zegt) door regelmatig van frequentie te wisselen. In Bluetooth wordt
elke 625 microseconde (1600 keer per seconde) van frequentie gewisseld; andere netwerken hebben een ander tempo. In de
bovenstaande figuur is geschetst hoe gedurende korte tijd gewisseld wordt van frequentie. De beschikbare frequentieband is
83,5 MHz groot (wettelijk bepaald), en Bluetooth kiest hierin 79 kanalen van elk 1 MHz breed (er zijn er minder getekend op de
vertikale as vanwege de overzichtelijkheid).
Het hoppen zal uiteraard volgens een van te voren vastgesteld algoritme gebeuren; de ontvanger moet immers ook “mee”.
Welke frequentieband er gebruikt wordt is met blokjes aangegeven.
28/166

24
STORING…
INVLOED VAN STORINGEN
Tijdelijke uitval
communicatie
STORING…
Tijd
2,40 GHz
2,48 GHz
Het voordeel van frequency hoppen is de bestendigheid tegen storingen. Uiteraard moeten niet alle gebruikte frequenties
gestoord worden, maar dat is slechts zelden het geval. Hierboven is de invloed van een storing geschetst drie gedurende korte
tijd drie kanalen blokkeert. Als men een keer naar een frequentie hopt die gestoord is, dan is dat op zich geen probleem – even
later wordt naar een volgende frequentie overgegaan, en er is dan een redelijke kans dat op die frequentie geen storing
aanwezig is. Bijvoorbeeld, bij Bluetooth zal men hooguit voor 1/1600e seconde getroffen worden, omdat daarna weer van
frequentie gewisseld wordt. Wat Bluetooth nog speciaal doet om de kans dat een opvolgende hop toevallig door dezelfde
storing ook gestoord wordt, is de frequenties van de hops steeds minimaal 6 MHz uit elkaar leggen.
---
Uit de krant:een voorbeeld van een niet-hoppend protocol:
De bewoners uit het Twentse Goor stonden voor een raadsel: al een half jaar lang weigerden de automatische
deurvergrendelingen en startonderbrekers van auto’s dienst te doen. Thales-NL medewerker Frits Buesink en een medewerker
van de Twentsche Courant Tubantia gingen op onderzoek uit. En wel met een zogenaamde spectrum-analyser. Al gauw kwam
Buesink erachter dat op de door auto-electronica gebruikte frequentie Radio 2 te beluisteren viel. Al zoekende en pratende met
belangstellende omstanders kwam het tweetal erachter dat het storende signaal van een bovenwoning afkwam. En jawel, in
het betreffende huis bleek inderdaad Radio 2 op te staan. De oorzaak van de storing in de auto-electronica was afkomstig van
de draadloze koptelefoon van de bewoonster. Zodra zij de koptelefoon afzette, was het signaal op Buesinks analyser weg. En
dat de zender het signaal van Radio 2 overnam was logisch: dit was haar favoriete radio station! "Het apparaat zet die radio
signalen om naar een frequentie van 433 MHz waarop de koptelefoon werkt. Dezelfde frequentie waarop ook de
afstandsbedieningen van de auto's werken. De moderne koptelefoons werken nu op 864 MHz en dan treedt het probleem niet
op. Maar er zijn nog veel oudere toestellen in gebruik," vertelt Buesink.
Bron: Twentsche Courant Tubantia, 28 april 2004.
29/166

25
MET 4 NETWERKEN BIJ ELKAAR
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Piconet A Piconet B Piconet C Piconet D Collision
Total Transmission Slots: 400 Transmission Slots Hit: 20 Transmission Efficiency: ~95%Actieve Piconets: 4
Uiteraard is het ook mogelijk dat in een bepaalde omgeving meerdere Bluetooth’s tegelijk actief zijn. Elk is dan onafhankelijk
van de andere actief, er is dus geen synchronisatie tussen wie wanneer welke frequentie gebruikt. Er is dus een kans dat 2
netwerken tegelijkertijd dezelfde frequentie even gebruiken; men ziet de ander dan als storing. Dit wordt een “collision”
genoemd. Maar dat is geen probleem; het wordt op dezelfde manier afgehandeld als elke andere soort storing: na 1/1600
seconde gaan iedereen weer verder naar een andere frequentie.
De bovenstaande afbeelding geeft een situatie weer waarbij het nog drukker wordt, nl. in een omgeving met 4 netwerken
tegelijk actief. Het plaatje lijkt al heel druk, maar denk er aan dat op elk moment van de 79 kanalen er toch maar 4 in gebruik
zijn, m.a.w. slechts 5%. Er ontstaan dus wat vaker collisions; op elk moment is er 3/79 kans op. Bovenstaande simulatie toont
de hops van 4 netwerken, gedurende 400 maal 1/1600 seconde. Statistisch is er dan kans op 400 * 5% = 20 collisions. Elk
Bluetooth netwerk kan dus op 95% van de normaal haalbare maximum capaciteit werken.
30/166

26
HEEL VEEL NETWERKEN BIJ ELKAAR
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Piconet A Piconet B Piconet C Piconet D Piconet E Piconet F Piconet G Piconet H Piconet I Piconet J
Piconet K Piconet L Piconet M Piconet N Piconet O Piconet P Piconet Q Piconet R Piconet S Piconet T
Total Transmission Slots: 2000Transmission Slots Hit: 420 Transmission Efficiency: ~79%Actieve Piconets: 20
Zelfs met 20 Bluetooth-netwerken tegelijk in de lucht kan er nog steeds gewerkt worden; de efficiency is nog steeds zo’n 79%.
Let er op dat dit een worst-case situatie is; in de praktijk zal misschien nog wel een betere efficiency gehaald worden. Niet elk
apparaat zal immers elk tijdslot iets willen zenden. Daarnaast kan het gebeuren dat twee apparaten wel een collision hebben,
maar als de ene veel dichter bij ‘zijn’ ontvanger zit dan de andere, dan zal die ontvanger het sterkste signaal toch nog goed
kunnen ontvangen. Alleen de deelnemer met het zwakste signaal ‘ziet’ de collision dan.
Tenslotte is het nog mogelijk om in het netwerkprotocol maatregelen te nemen, zoals bv. Bluetooth doet – met “Forward Error
Correction” (FEC) tactieken wordt zoveel extra redundantie in een netwerkbericht ingebouwd, dat de ontvanger een niet al te
complexe fout (ontstaan door de collision) toch kan repareren. De transmissie hoeft dan niet overgedaan te worden.
---
Bron afbeelding: XiLinx.
31/166

27
DIRECT SEQUENCE (WIFI)
• Dit levert een snelheid van 1 Mbit/s op (DBPSK)
• Door 2 bits data per 11 te sturen, stijgt de snelheid naar 2 Mbit/s (DQPSK)
• Door 4 of 8 bits data te sturen, stijgt de snelheid naar 5.5 of 11 Mbit/s (CCK)
0 1
DATA
… is of een 0 of een 1
Elk databit …
1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1
I.p.v. 1, stuur er 11
Zgn. “Barker Sequence” Idem, maar geïnverteerd
De transmissie van data bij Direct Sequence lijkt op een heel vreemde manier te gebeuren, omdat elk bit (0 of 1) niet als
zodanig wordt verstuurd, maar als 11 bits! Dit lijkt volkomen vreemd, waarom 11 bits sturen als we er toch maar 1 willen – deze
factor 11 overhead is toch nergens voor nodig?
Het antwoord hierop is dat het omcoderen van één bit in meer bits zorgt voor een verbreding van de benodigde bandbreedte,
maar als de totaal benodigde hoeveelheid transmissievermogen gelijk blijft, dan is de consequentie dat de amplitude veel lager
wordt.
De beide getoonde bitpatronen zijn een zgn. “Barker Sequence”, naar de uitvinder. Als een ‘0’ bit verstuurd moet worden wordt
de standaard Barker Sequence gebruikt (10110111000), en bij een ‘1’ bit de inverse. De Barker Sequence is niet zomaar een
willekeurige groep bits, maar heeft een nauwkeurig bepaalde wiskundige opbouw. De wiskunde hierachter gaat ver buiten het
doel van deze presentatie. Wel kan genoemd worden dat de gebruikte Barker Sequence relatief tolerant is tegen multi-path
uitdoving.
Elk bits uit de Barker Sequence wordt ook wel een “chip” genoemd, en bij elkaar is het dus een “Chipping Sequence” van 11
bits lang (een andere term hiervoor is ook “Spreading Ratio”). Men gebruikt in de praktijk dus het woord ‘bit’ als het om data
gaat, maar het woord “chip” als het gaat om iets dat verstuurd/ontvangen wordt (technisch gezien is een chip natuurlijk ook een
bit). 802.11b en g gebruiken deze transmissiemethodiek om op 1 Mbit/s te kunnen werken.
Dit is ook wel de zgn. “DBPSK” (Differential Binary Phase Shift Keying) transmissiemethodiek. Bij DQBSK wordt een
gelijksoortige methode gevolgd, maar inplaats van het omzetten van 1 bit in 11 worden er nu 2 bits in 11 omgezet. Hierdoor is
de effectieve netwerksnelheid dus ook verdubbeld (van 1 naar 2 Mbit/s). Bij CCK (Complementary Code Keying) wordt weer
een andere truc uitgehaald waardoor er of 4 of 8 bits data per 11 bits verstuurd gaan worden, zodat de effectieve snelheid stijgt
naar 5.5 of 11 Mbit/s.
32/166

28
AFKAPPING
• Chippen zorgt voor een benodigde bandbreedte van 66 MHz
• Doch de 2,4 GHz band is slechts 85 MHz breed ...
• Er kan dus maar één netwerk tegelijk actief zijn
• Daarom wordt signaal afgekapt (rode lijn), want
99.99% energie in f-11 … f+11 MHz
• Benodigde bandbreedte nu dus: 22 MHz
+11 +22 +33 MHz-11-22-33
1
1/1000
1/100000
Het “chippen” zorgt wel voor een zeer breedbandig signaal, dat al gauw 66 MHz of meer bandbreedte nodig heeft. Dit is een
beetje jammer voor de 2,4 GHz band, want die is zelf maar 85 MHz breed; er zou dus maar 1 802.11b netwerk in kunnen
opereren.
Om dit probleem te voorkomen wordt met speciale filters het gechipte signaal afgetopt op alle frequenties buiten een bereik
van 22 MHz. Hierdoor wordt 99.99% van de verzonden energie in dit bereik gestopt, en de resterende 0.01% telt eigenlijk niet
meer mee. In de praktijk kan daarom gerekend worden met een benodigde bandbreedte van 22 MHz.
Let op! het feit dat volgens de norm een bandbreedte van 22 MHz nodig is, wil niet zeggen dat er helemaal geen signaal meer
zal zijn buiten deze 22 MHz. Alleen is het daarbuiten zo zwak dat het geen rol meer speelt.
33/166

29
CONSEQUENTIE VAN CHIPPEN
• Benodigde bandbreedte wordt groter;
energie per kanaal wordt heel klein
Energie
Freq. Freq.
Energie
Bandbreedte
2 Mhz
Bandbreedte
22 MHz
Zonder DSSS Met DSSS
Wettelijke
limiet
Door de manier waarop DSSS werkt treedt er een bandbreedte-verbreding op. Waar origineel eigenlijk maar 2 MHz nodig was
(voor 1 Mbit/s), is nu dankzij de vermenigvulding met 11 in totaal 22 MHz nodig. De data wordt dus als het ware uitgesmeerd
over een veel groter frequentiebereik. Omdat de totale energie voor de transmissie wordt verdeeld over het gehele
frequentiebereik, is het feitelijke zendvermogen per frequentie weer laag, waardoor weer makkelijk voldaan wordt aan de
wettelijke eisen. Verderop zal te zien zijn dat dit deze manier van werken een hele gunstige invloed heeft op de
storingsgevoeligheid.
In vergelijking met de “frequency hopping” manier van werken heeft DSSS-elektronica wel meer vermogen nodig. Dat is dus
nadelig voor batterijgevoede apparatuur. Wel is het bij DSSS makkelijker om hogere snelheden te realiseren dan bij gebruik
van frequency-hopping.
34/166

30
CONVERTEER WEER TERUG…
0 1
DATA
… is of een 0 of een 1
Elk databit …
1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1
I.p.v. 1, stuur er 11
0 1
DATA
Decodeer terug…
… zodat we weer 0 of 1
bits ontvangen.
De ontvanger moet de tegenovergestelde conversie uitvoeren; dit is op zich niet moeilijk: ontvangt men zes ‘1’ bits dan is de
oorspronkelijke data een 0, en ontvangt men zes ‘0’ bits dan is de oorspronkelijk data een 1.
35/166

31
CONSEQUENTIE VAN STORINGEN
• Storingen zijn meestal smalbandig
• En storen dus niet de hele transmissie
• Na het de-chippen is de storing als het ware
“opgegaan” in het totale signaal
Freq.
Gereconstrueerd
origineel
Direct Sequence
Uiteraard is het mogelijk dat er tijdens de transmissie van een netwerkbericht een storing optreedt. Meestal zijn dit
smalbandige storingen, die dus niet de hele transmissie storen, maar slechts een klein deel ervan (uiteraard bestaan er ook
breedbandige storingen, maar als die optreden dan kan wel gestopt worden met draadloos netwerken).
Op de ontvangstelektronica zal het DSSS signaal weer terug-herleid moeten worden tot het originele bitpatroon dat de zender
heeft willen sturen. De chips moeten er weer uit en de originele bitstroom wordt gereconstrueerd. Dit proces wordt ook wel
“correleren” genoemd. De gehele energie uit de frequentieband wordt als het ware bij elkaar genomen. De energie van de
storing is hier dus ook bij inbegrepen. Maar omdat deze maar heel beperkt optrad, “verdrinkt” deze als het ware in het
gereconstrueerde signaal. Het feitelijke netwerksignaal komt dus veel sterker naar voren, en de storing wordt relatief gezien
dus veel zwakker.
36/166

32
OFDM (WIFI)
• Lijkt op combinatie van FHSS + DSSS
– Breedbandig als DSSS, veel frequenties als FHSS
– Doch i.t.t. FHSS op meerdere frequenties tegelijk
– Hoe meer, des te hoger de bandbreedte
– Storing op deel frequenties dan ook geen probleem
• Meerdere transmissies naar meerdere ontvangers tegelijk mogelijk
• In gebruik bij: recentste WiFi versies, ADSL, powerline, GSM
Freq.
“Carrier”
of
“Tone”
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is de derde vorm van spread spectrum, naast de eerder genoemde
frequency hopping en direct sequence. OFDM is een beetje een tussenvorm van beide: net zoals frequency hopping wordt op
veel verschillende frequenties gewerkt, maar met het grote verschil dat er op meerdere frequenties tegelijk gewerkt wordt. En
net zoals bij direct sequence maakt het brede gebruik van de frequentieband dat een storing op één frequentie niet het hele
signaal wegdrukt. OFDM wordt gebruikt in 802.11a, g, n en ac, en ook buiten WiFi: ADSL, DAB+ (digitale radio en TV),
PowerLine (communicatie over het lichtnet) en 4e generatie GSM.
In de bovenstaande figuur is getekend dat op 10 zgn. “carriers” gewerkt wordt. Het exacte aantal hangt af van de gekozen
technologie, bijvoorbeeld in 802.11a wordt met 52 carriers gewerkt, in 802.11n met 64 of 128, en in 802.11ac tussen de 52 en
468 (afhankelijk van de snelheid).
Een voordeel van het werken met veel carriers is dat per carrier eigenlijk maar op een vrij lage snelheid gewerkt hoeft te
worden. Bijvoorbeeld, bij 802.11a op 54 Mbit/s met 52 carriers, dan hoeft elke carrier maar ca. 1 Mbit/s af te handelen. En dat
is een veel makkelijker snelheid dan 54. Een extra voordeel is dan ook nog: hoe lager de snelheid, des te storingsongevoeliger.
En omdat elk bit meer zendtijd krijgt, is de gevoeligheid voor reflecties en interferentie ook nog eens lager. Nadeel van OFDM
is dat het minder goed werkt bij snel bewegende apparatuur; dit is pas in 2006 opgelost.
---
Elektrisch is de signaalvorm iets complexer dan boven weergegeven, hieronder een voorbeeld:
37/166

33
CONSEQUENTIE VAN STORINGEN
• Slechts enkele carriers worden “getroffen”
• Dezelfde data gaat (redundant) via meerdere carriers,
dus OFDM kan wat verlies hebben:
Freq.
Uiteraard kan ook een OFDM-gebaseerd systeem last hebben van storingen. Dan wordt een deel van de carriers “getroffen”,
maar de rest niet. Omdat de datastroom over meerdere kanalen verdeeld is, zullen er uiteraard wat bits niet aankomen op de
ontvanger. Om dit te compenseren maakt OFDM gebruik van “Forward Error Correction” (FEC), waarbij de zender dezelfde
data via meerdere carriers wegstuurt. Ook al is er dan ergens een probleem met een carrier, dan nog kan de ontvanger altijd
reconstrueren wat de originele data was. Een heel eenvoudig voorbeeld van hoe dat werkt:
Stel je wilt sturen: abcdefg
Dat wordt met redundantie over 7 carriers verzonden: aaaabbbbccccddddeeeeffffgggg
Als er nu een langdurige storing zou zijn op 1 carrier, dan krijgen we: aaaabbbb____ddddeeeeffffgggg
dan is al niet meer te reconstrueren wat er precies gestuurd is.
Daarom wordt de te sturen data met ‘interleaving’ verstuurd: abcdefgabcdefgabcdefgabcdefg
Als nu dezelfde storing optreedt: abcdefga____fgabcdefgabcdefg
Door de data op de ontvanger te ont-interleaven: aaaa_bbb_ccc_ddd_eeeffffgggg
Nu kan per groep van 4 via meerderheidsstemmen bepaald worden wat de originele data was.
Het voordeel van deze manier van werken is dat de ontvanger zelf de reconstructie kan doen. Dit in tegenstelling tot de vaak
gebruikelijke manier van foutdetectie en reparatie, namelijk dat beschadigde data eenvoudig wordt weggegooid. De ontvanger
vraagt dan aan de zender om alles nog een keer opnieuw te sturen. Dit kost uiteraard tijd én extra netwerkcapaciteit. Bij FEC
hoeft dit dus niet, maar heeft het nadeel dat als er geen storingen zijn er toch altijd een klein stukje netwerkcapaciteit gebruikt
wordt om fouten te kunnen corrigeren die er niet zijn.
38/166

34
STERKTES / ZWAKTES
• FHSS (Frequency Hopping)
– goed tolerant tegen storingen
– geleidelijke afname van bandbreedte
– continue activiteit beperkt bandbreedte
– meer spectrum in gebruik, kleinere kans op totale blackout
• DSSS (Direct sequence)
– erg tolerant tegen storingen, werkt veel weg
– teveel storingen leidt tot volledige uitval (geen uitwijk)
– hoge bandbreedte mogelijk
• OFDM
– zeer hoge bandbreedte mogelijk
– electronica complexer
– meerdere antennes eisen veel ruimte
– kleinere kans op “black spots” vanwege meerdere frequenties
Nu we de diverse varianten FHSS / DSSS / OFDM besproken hebben, rijst natuurlijk de vraag: welke is de beste? Dat is echter
niet zo makkelijk te beantwoorden, aangezien het afhankelijk is van wat de eisen zijn die aan een netwerk gesteld worden.
Het is duidelijk dat FHSS zeer goed bestendig is tegen storingen. Niet vreemd, omdat het daar juist voor ontwikkeld is.
Storingen worden getolereerd door data nogmaals te sturen op een andere frequentie. Er is dus wel een (voorspelbare)
afname van de bandbreedte. Wel is het zo dat het continu “moeten” hoppen wel een beperking oplegt aan de maximum data
per netwerkbericht. In vergelijking met de andere technieken is de kans dat een breedbandige storing alle frequenties raakt
kleiner, eenvoudigweg omdat FHSS meer frequentieruimte gebruikt (bv 80 MHz bij Bluetooth, en maar 20 MHz bij DSSS en
OFDM in zijn eenvoudigste variant). De voor de gebruiker beschikbare bandbreedte is derhalve beperkt. De continue activiteit
is ook nadelig indien apparatuur batterijgevoed is, aangezien dit relatief veel vermogen vraagt (voor een batterij dan).
DSSS heeft een andere aanpak om storingen aan te kunnen: simpelweg gezegd “harder schreeuwen”. Dat werkt prima zonder
nadelige invloed op de bandbreedte, maar als er teveel storingen zijn dan is het opeens afgelopen. Omdat zeer grote
netwerkberichten verstuurd kunnen worden, is de voor de gebruiker beschikbare bandbreedte ook hoog. DSSS wordt
inmiddels als verouderd gezien.
OFDM is de opvolger van DSSS. Het is een veel complexere technologie, die veel rekenkracht eist in apparatuur en daarom
pas mogelijk geworden is dankzij technologische vooruitgang in elektronica en software. We krijgen er een zeer hoge
bandbreedte voor terug. Omdat in tegenstelling tot DSSS op heel veel frequenties tegelijk wordt gewerkt, is de kans op black
spots veel kleiner. De kans op een totale blackout is kleiner als OFDM meer bandbreedte vraagt; bij de oudere WiFi-variant
802.11g wordt 22 MHz gebruikt; bij de modernere 802.11n 20 of 40 MHz en zelfs 80 of 160 MHz bij 802.11ac.
In de praktijk zien we daarom eigenlijk voornamelijk FHSS en OFDM terug, waarbij FHSS voor de lage-bandbreedte
toepassingen gebruikt wordt en OFDM voor de hoge-bandbreedte toepassingen.
39/166

35
HET RADIODEEL
ANTENNESANTENNES
ENGINEERING
BLUETOOTH
TRUSTED WIRELESS
WIFI
AFSLUITING
40/166

36
ANTENNES
• Basisfuncties van een antenne:
– Uitstraling van transmissies
– Ontvangst van anderen
• Selectie juiste antenne is essentieel:
– Uitstraling naar waar je het wil, niet waar het geen nut heeft
– Hoog genoeg vermogen om afstand te overbruggen
– Gevoelig genoeg om zwakke signalen op te pikken
• Waar zit de antenne ?
– Vaak intern (op de printplaat, in de behuizing)
– Of extern (via coaxkabel)
Elk draadloos apparaat heeft een antenne. Dit is namelijk essentieel: de netwerkberichten moeten immers wel uitgestraald
kunnen worden, én worden opgevangen. Dit gaat altijd met dezelfde antenne.
Bij de engineering van een toepassing is het belangrijk aandacht te besteden aan de selectie van de antenne. Een verkeerde
antenne kan een desastreus effect hebben: lagere snelheid, kortere afstand, hogere storingsgevoeligheid, geen ontvangst van
zwakke signalen van bepaalde deelnemers, etc. In veel gevallen kan volstaan worden met een standaard rondstralende
antenne (figuur uiterst links). Bij mobiele (consumenten)apparatuur is die vaak onderdeel van de printplaat (figuur uiterst
rechts). Bij professionele producten zit de antenne meestal extern, en wordt via een coaxkabel op de netwerkelektronica
aangesloten. De eigenaar/gebruiker/installateur kan dan een antenne naar wens aansluiten.
41/166

37
NUT VAN RICHTANTENNES
• Een ‘normale’ antenne straalt
energie bolvormig rond
• Vergelijk het met een gewone
gloeilamp, als rondstraler
• Speciaal gebouwde antennes
kunnen energie bundelen
• Vergelijk het met een
kopspiegelgloeilamp
• Resultaat:
– Geen energie waar je het niet wilt
– Méér energie waar het nuttig is
Bij veel draadloze netwerken wordt gewerkt met een antenne die zijn energie bolvormig uitzendt. Dat is nuttig als diegene
waarmee gecommuniceerd wordt zich overal kunnen bevinden (voor, achter, links, rechts, onder en boven). Maar soms is dit
helemaal niet zo nuttig, zeker als energie wordt weggestuurd in een richting waarin niemand is. Die energie is als het ware
verloren, nutteloos, verspild voor communicatie.
Een richtantenne doet dit anders. Door een speciaal ontwerp van de antenne kan afgedwongen worden dat de energie
bepaalde kanten niet op gaat, en juist wél meer naar andere kanten.
Het is qua werking te vergelijken met een gewone gloeilamp en een kopspiegellamp. Waar de gloeilamp al zijn licht in de
rondte uitstraalt, zorgt bij een kopspiegellamp de opgedampte spiegel er voor dat de helft van het licht naar beneden gekaatst
wordt. Zo’n lamp lijkt dus veel helderder, in dit geval naar beneden toe: een factor 2. Er zou dan gezegd kunnen worden dat de
kopspiegellamp een versterkingsfactor 2 heeft. Dat is natuurlijk niet echt zo, er wordt niets versterkt, maar meettechnisch en in
vergelijking met de rondstralende gloeilamp lijkt dit wel zo. Bij antennes wordt ook zo gesproken, een bepaalde richtantenne
kan een “antennewinst” factor x hebben ten opzichte van een rondstralende antenne. De waarde van x kan lopen van ca. 2 tot
meer dan 500.
Uiteraard heeft een richtantenne, net als een kopspiegellamp, net als een richtantenne, wel een nadeel: op sommige plaatsen
komt helemaal (of veel minder) energie. Bij het systeemontwerp van een draadloos netwerk moet hier natuurlijk wel rekening
mee gehouden worden (net zoals bij een belichtingsplan van een pand).
42/166

38
WAAR BLIJFT DE ENERGIE ?
• Stralingsdiagram (komt van leverancier)
• Let op verschil in horizontale en vertikale richting
De opbouw van een antenne bepaalt ook waar de energie naar toe gaat. Dat hoeven we niet zelf uit te zoeken, dat doet de
leverancier altijd; deze heeft in zijn documentatie het stralingsdiagram opgenomen. Dat horen altijd twee diagrammen te zijn,
namelijk één voor de horizontale richting en één voor de verticale richting. Beide zijn namelijk niet aan elkaar gelijk.
Als voorbeeld de diagrammen van de veelvuldig voorkomende rondstralende antenne (afbeelding links). Het horizontale
stralingsdiagram (midden) toont aan dat het inderdaad een rondstraler is. Het plaatje leest een beetje als een kompas (tussen -
180 en +180 graden), de X en Y as geven de versterking/verzwakking aan: in het midden -30 dB verzwakking, en maximaal 10
dB winst. De dikke zwarte lijn zit in de buurt van de 0 dB, aangevende dat er geen versterking of verzwakking is. Ook toont het
plaatje dat er geen richtingsgevoeligheid is (althans, die is zeer klein).
Het vertikale stralingsdiagram toont iets geheel anders: de antenne straalt veel minder uit pal naar boven en pal naar beneden,
hier komt 30 dB minder signaal uit (of anders gezegd: dit is 1000x zwakker). Communicatie met apparatuur hier zal dus veel
minder goed, helemaal niet, of veel langzamer verlopen. Kortom, locaties om te vermijden dus.
---
Het is een beetje moeilijk om precies in 3D te visualiseren hoe het stralingsdiagram er nu ruimtelijk uitziet. We kunnen dit
“visualiseren” door het vertikale diagram in de rondte te draaien (omdat dit diagram links en rechts van het mdiden ongeveer
symmetrisch is). Dat levert iets donut-achtigs op.
43/166

39
WAAR BLIJFT DE ENERGIE (2)
Hier nog twee voorbeelden van de stralingsdiagrammen van twee types antennes. De bovenste heeft een bolvormig patroon
precies voor de antenne (de foto toont het liggend). In vergelijking met de stralingsdiagrammen van een rondstralende antenne
is al te zien dat er veel meer focussering optreedt.
Bij de onderste antenne is dat nog sterker te zien, hier komt echt een strakke bundel uit.
44/166

40
SIGNAALWINST
30x
4x
8x
80x
500x
Enkele voorbeelden van richtantennes met daabij genoemd de versterkingsfactor / antennewinst (voor de 2,4 GHz
frequentieband). De antenne links wordt ook wel “sectorantenne” of “hoekantenne” genoemd, omdat die een kwart-, derde- of
zesde deel van een ruimte bestrijkt. In het openbaar zijn ze ook vaak te zien op GSM-masten, waar veelal met drie antennes
wordt gewerkt (zie foto beneden). Daarnaast staat een staafantenne, dan een “grid pack” antenne, een paraboolantenne, en
nog een staafantenne.
LET OP – bovenstaande getallen zijn voorbeelden. Raadpleeg altijd de documentatie van een product.
45/166

41
WEL AFSTELLING NODIG
• Gegeven het stralingspatroon, moeten antennes dus
wél goed op elkaar ingesteld worden
• Diagnose via LED’s / multimeter / diagnose software
☺
Als met richtantennes gewerkt wordt, hou dan rekening met het feit dat deze dus op elkaar ingesteld moeten worden, zodat ze
elkaar kunnen “horen”. Dat geldt dus zowel voor het horizontale en voor het verticale vlak. Als de afstand niet zo groot is, is dat
visueel nog wel te doen. Soms kan met een multimeter of een display de signaalsterkte lokaal afgelezen worden.
Als de afstand groter wordt, komt het wel voor dat een kleine telescoop of verrekijker gebruikt moet worden, soms kan deze
dan op de af te stellen apparatuur gemonteerd worden. De antenne wordt dan afgesteld, en daarna kan de optica weer
verwijderd worden.
Op grotere afstand is er de kans dat de andere kant niet meer te zien is. Dan moet met kaart en kompas gewerkt worden.
46/166

42
MASTMONTAGE
• Antenne nooit naast de mast, alleen erboven
OK! NIET! NIET!
Rondstralende
antenne gekocht,
doch gedegradeerd
tot half-rond
Rondstralende
antenne gekocht,
doch gedegradeerd
tot zijstraler
3 cm afstand
tot mast
6 cm afstand
tot mast
Indien van een rondstralende antenne gebruik gemaakt wordt, let er dan op dat deze “vrij” staat. Bij montage op een mast
houdt dit in: boven de mast. Dan is de rondstraler ook echt rondstralend.
De andere twee afbeeldingen geven aan wat er gebeurt als de antenne naast de mast is gemonteerd, en op verschillende
afstand van de mast (3 centimeter en 6 centimeter). De rondstraling is verdwenen, en nogal fors. Het heeft eigenlijk helemaal
geen zin om een rondstralende antenne te kopen; achter de mast is een soort “schaduw” waardoor er helemaal geen signaal
meer is.
Voor montage op een muur geldt iets soortgelijks:
47/166

43
ANTENNE DELING
• Met splitter meerdere receivers op dezelfde antenne
(voordeel: spaart antennes uit)
TX
TX
RX
RX
In speciale gevallen is het mogelijk dat meerdere draadloze netwerken samen één antenne delen. Met een splitter kan het
antennesignaal dan doorgegeven worden naar 2 of meer ontvangers. De antenne ontvangt wel alles, en geeft alles door naar
alle ontvangers, maar elke ontvanger haalt hieruit toch enkel zijn ‘eigen’ frequentie (en negeert de andere). Als beide
ontvangers naast elkaar gestaan zouden hebben, en elk een eigen antenne hebben, dan zou exact hetzelfde gebeuren. Het
voordeel dankzij het gebruik van een splitter is dat maar één antenne nodig is (plus eventele bekabeling).
Bovenstaand werkt niet bij het delen van een antenne voor het versturen van data.
---
Bij de kabel-TV thuis wordt eigenlijk dezelfde truc gebruikt: op de kabel staan meerdere frequenties (van alle TV-kanalen), en
de tuner in de TV haalt er alleen maar het gewenste kanaal uit.
48/166

44
DENK OOK AAN...
• Voor systemen buiten:
– Beveiliging tegen vocht
– Overspanningsbeveiliging (bliksem)
– ...
Voor installaties die (deels) buiten opgesteld staan: zorg voor een goede bescherming tegen vocht, en denk ook aan de
overspanningsbeveiliging (bv. vanwege blikseminslag in de buurt).
49/166

45
REFLECTIES
• Ontstaan als een signaal via meerdere paden op de ontvanger aankomt
• Looptijd verschil ontstaat tussen kortste en langste weg
– Elk verzonden signaal wordt dus meerdere malen ontvangen
– Hoe sneller het netwerk, hoe vervelender dit wordt
• Reflecties kunnen ook helpen: “hoekje om”
Elk draadloos netwerk krijgt te maken met reflecties. Net zoals licht weerkaatst op gladde oppervlakken, weerkaatsen
radiogolven op metalen oppervlakken. En die zijn altijd aanwezig: verwarmingen, kasten, bureaus, kabelgoten, machines,
luxaflex, wanden (bijvoorbeeld in schepen), HR++ glas, loodgordijnen, etc.
Via een reflectie kan een signaal dus via-via op de ontvanger aankomen. Het probleem is echter dat er geen sprake zal zijn
van slechts één reflectie, maar van meerdere, die allemaal via hun eigen pad op de ontvanger aankomen. En aangezien elk
pad een andere lengte heeft, komen de signalen dus niet tegelijk maar deels overlappend of soms helemaal na elkaar. De
ontvanger moet hier dus wel goed mee omgaan.
Het effect van reflecties is te vergelijken met wat we vroeger op oude analoge TV’s zagen in bepaalde weersomstandigheden,
zie de afbeelding links.
Reflecties hoeven niet persé slecht te zijn, ze kunnen ook mogelijk maken dat communicatie tussen twee apparaten mogelijk is
die elkaar niet rechtstreeks kunnen ‘zien’ (de zgn. “line of sight”) maar via reflecties juist wél.
50/166

46
UITDOVING
• Reflecties kunnen voor
signaaluitdoving zorgen
• Locatie-afhankelijk
• Indien in “black spot”,
dan zeer zwak signaal
+
A
B
+
A
B
….
Tijd
Afstand
Signaal-
sterkte
TX
A: Kortste weg
B: Langere
w
eg
Zoals in de afbeelding boven getekend, zal een radiosignaal ‘uiteraard’ via de kortste weg als eerste op een ontvanger
aankomen. Hoeveel tijd dit kost is eenvoudig uit te rekenen: de afstand, gedeeld door de voortplantingssnelheid van het
radiosignaal = 300000 km/s.
De ontvanger ‘ziet’ dan het oorspronkelijke signaal voor elke reflectie nogmaals aankomen, alleen zwakker (vanwege de
grotere afstand). Dit fenomeen kan zich natuurlijk nog vaker voordoen, zodat de ontvanger een hele trein van signalen
binnenkrijgt. Nu is dit op zich geen probleem, als men weet dat dit gebeurt kan er rekening mee gehouden worden en het
teveel aan signalen kan uitgefilterd worden.
Lastiger wordt het als de signalen niet na elkaar, maar tijdens elkaar binnenkomen. Dit is geillustreerd op eenvoudige wijze met
de sinussignalen onder. Als B toevallig zo laat binnenkomt dat hij “in fase” is met A, dan versterkt B het signaal van A, en alles
gaat goed. Maar als B net even eerder (of later) binnenkomt, is hij “in tegenfase” en dan is het resultaat: een vlakke lijn. De
ontvanger krijgt dus geen signaal meer binnen. Daarmee is het oorspronkelijke signaal dus uitgedoofd of heel erg sterk
verzwakt, en gaat er een netwerkbericht verloren.
Of dit fenomeen zich voordoet, hangt af van de signaalpaden A en B (en C en D...). Er zullen in de ruimte dus locaties zijn
waarop de ontvanger nauwelijks signaal krijgt. Dit wordt ook wel een “deep fade” of “dead spot” genoemd. Maar de kleinste
verschuiving in positie van de zender, de ontvanger, of het meer of minder worden van reflecties in het tussenliggende
signaalpad kan het probleem al opheffen (of misschien verergeren). Dit is op zich weer gerelateerd aan de golflengte van het
radiosignaal, wat weer af te leiden is van de gebruikte frequentie. Dit alles maakt het plannen van draadloze netwerken soms
erg lastig – als het vandaag goed werkt, is er geen garantie dat het morgen nog wel werkt!
---
Alle draadloze netwerken kunnen er last van hebben.
51/166

47
VOORBEELD
• Berekening WiFi signaalsterkte in vliegtuig
Het is erg moeilijk om uit te rekenen waar precies black spots in een ruimte zitten, in het bijzonder als de indeling van die
ruimte wijzigt. De beste method is vaak: gewoon doen, en meten maar.
Een voorbeeld hiervan is boven getoond: de passagierscabine van de nieuwe Boeing 787, waar de passagiers ook WiFi en
Internet aangeboden krijgen. Met een probe is gemeten wat de signaalsterkte is op schoothoogte (foto links). Zoals te zien is
die op een aantal plaatsen best redelijk (rode kleur), maar er zitten ook een aantal posities met veel lagere signaalsterkte
(donkerblauwe kleur).
52/166

48
ANTENNE DIVERSITEIT
• Meerdere antennes
• Intern gekoppeld: twee voor RX, een voor TX
• Staat er één in een black spot, de ander dan niet
• Wat ook helpt: werken op meerdere frequenties
(frequency hopping)
De truc genaamd “antenne diversiteit” is een oplossing voor black spots. Een apparaat wordt daartoe met meerdere antennes
uitgerust, die een aantal centimeter van elkaar geplaatst zijn. Indien één antenne toevallig in een black spot staat, dan is de
kans klein dat de antenne in een andere black spot staat. Immers, het signaalpad naar de andere antenne is geheel anders.
De ontvangstelectronica telt eenvoudigweg beide antennesignalen bij elkaar op, en gaat daarmee aan de slag.
Let op dat als een apparaat meerdere (2 of 3 bijvoorbeeld) antennes heeft, er vaak één (altijd dezelfde) gebruikt wordt voor
transmissie van data. Het zou ook geen zin hebben beide te gebruiken, want dan zouden beide op halve kracht moeten
werken, om binnen de wettelijke regels te blijven qua maximum zendvermogen.
Een andere methode om minder last te hebben van black spots is het werken op meerdere frequenties. De locatie van black
spots is namelijk frequentie-afhankelijk. Netwerken op basis van frequency hopping doen dit in de basis al, en hebben dus
tevens dit voordeeltje.
53/166

49
LET OP DE POLARISATIE
α
Signaalsterkte
Goed
Metalenoppervlak
Signaalsterkte
veel lager!
Slechter
Door reflectie
wijzigt de
polarisatie !
Vertikaal
gepolariseerde
antenne
Een aspect van antennes dat weinig bekend is, is de zgn. “polarisatie”. Het geeft de hoek aan waaronder de lichtgolven
verzonden wordt. Het is hetzelfde verschijnsel als bij licht, dat dit gedrag ook heeft. Normaliter is licht alle kanten op
gepolariseerd. Maar als het een spiegelend oppervlak raakt, kunnen sommige lichtstralen geabsorbeerd worden, en andere
teruggekaatst. We zien dit bijvoorbeeld bij water: de vertikaal gepolariseerde lichtgolven verdwijnen ‘in’ het water, en de
horizontaal gepolariseerde lichtgolven worden teruggekaatst, en alle andere deels geabsorbeerd / deels teruggekaatst. We
krijgen dan het fenomeen dat water fel schittert. Met een Polaroid zonnebril is dit weer tegen te gaan: hier zit een horizontaal
filter in, dat vertikaal gepolariseerde lichtgolven stopt, maar de rest door laat. Ook LCD schermen zenden gepolariseerd licht
uit, hou er een Polaroid bril voor en draai die dan maar eens rond (soms is het display niet meer te zien).
Afbeelding: de zee zonder, en mét Polaroid zonnebril.
De overeenkomst met elektromagnetische radiogolven is bijna 1:1, ook deze kunnen gepolariseerd zijn (hoe precies, hangt af
van de gebruikte antenne). Maar hier zien we het verschijnsel dat een reflectie (bv op een metalen oppervlak) de polarisatie
laat wisselen, bijvoorbeeld van horizontaal naar vertikaal. Maar uiteindelijk komt het signaal dan weer op een antenne uit, en
de vraag is dan: klopt de polarisatie dan nog steeds? Net zoals een zonnebril weinig doorlaat van verkeer gepolariseerd licht,
zal een antenne weinig effectief signaal ontvangen van een verkeerd gepolariseerde radiogolf. De signaalsterkte is dus véél
lager dan die zou kunnen zijn.
Ook als er geen reflecties zijn, moet de opstelling van de antennes kloppen – in het bovenstaande voorbeeld is het dus niet
verstandig om de ene antenne horizontaal en de ander vertikaal te monteren. Desondanks is het toch nog wel mogelijk dat er
normaal gewerkt kan worden – als de signaalsterkte maar groot genoeg is, blijft er toch nog wel genoeg over. Daarom gaan dit
soort (montage-)fouten vaak onopgemerkt.
54/166

50
CIRCULAIRE POLARISATIE
• Speciaal type antenne dat ongevoelig is voor de
polarisatie van een signaal
– Hogere signaalsterkte
– Ongevoelig voor reflecties
360°
Er bestaan ook antennes die zgn. “circulair gepolariseerd” zijn. Dit heeft het voordeel dat ze elk signaal, onafhankelijk van de
polarisatie, kunnen ontvangen. In vergelijking met de eerder besproken antennes is er geen sprake van een fors sterkteverlies
als een signaal met een verkeerde polarisatie ontvangen wordt, m.a.w. het is ongevoelig voor allerlei ontvangen reflecties.
Dit soort antennes worden ook wel “cloverleaf” of “skew planar” antennes genoemd. Hieronder een variant daarvan. Vanwege
de kwetsbaarheid worden ze vaak in een behuizing ingebouwd, de antenne zelf is dan niet zichtbaar.
55/166

51
LEKKENDE COAX
• Speciaal soort antenne, bedoeld voor
overbruggen lange afstanden zoals in
productielijnen
• Radiale uitstraling signaal
• Constante signaalsterkte langs coax
De “lekkende coax” is een heel speciaal soort antenne. Zoals de naam al aangeeft is het een coax-kabel, net zoals thuis bij de
centrale antenne voor de TV. Een groot verschil echter is dat thuis de coax een afscherming heeft die de instraling van
stoorsignalen moet voorkomen, terwijl bij de lekkende coax de afscherming juist expres open ligt, zodat het netwerksignaal kan
uitstralen. Dit is een uitvinding die op zich al lang bestaat; het idee is eerder gebruikt in autotunnels om in de tunnel overal FM-
radio en/of GSM aan te kunnen bieden. Maar op andere frequenties dan FM / GSM werkt het ook.
Het voordeel van deze manier van werken is dat langs de gehele coax een netwerksignaal aanwezig is, omdat dit radiaal wordt
uitgestraald. Dat is dus anders dan bij een normale antenne, waar het netwerksignaal vanuit één punt wordt uitgestraald. De
lekkende coax biedt dus een constante signaalsterkte langs de gehele kabel. Dat is ideaal voor lange productielijnen met
mobiele stations, Die hebben dus ook overal een constante snelheid, dit in tegenstelling tot de gewone antennes waarbij geldt:
hoe verder weg des te zwakker het signaal des te langzamer de snelheid wordt.
Op de foto’s hieronder een autofabriek waar de auto-in-aanbouw wordt verplaatst via een op afstand bestuurde trolley, die via
een draadloos netwerk zijn commando’s krijgt (en zijn stroom nog via sleepleidingen).
56/166

52
HET RADIODEEL
ANTENNES
ENGINEERINGENGINEERING
BLUETOOTH
TRUSTED WIRELESS
WIFI
AFSLUITING
57/166

53
ENGINEERING IS ANDERS
• In vergelijking met bekabelde netwerken, gaat de
engineering van draadloze netwerken heel anders
– Frequentiespectrum niet exclusief
– Meer omgevingsfactoren relevant
– Wettelijke eisen (soms ook per land anders)
– Technologie is kritischer op sommige punten
– Technologie staat meer onderscheid tussen leveranciers toe
• Daarom:
– Goed kijken naar de omgeving
– Shoppen is mogelijk (bij de een kan meer dan bij de ander)
– Wat rekenwerk nodig
– Als het vandaag werkt, mogelijk morgen anders
Het engineeren van draadloze netwerken gaat heel anders dan bij bekabelde netwerken. Bijvoorbeeld, bij bekabeld Ethernet is
gewoon bekend: de maximale afstand die je per kabel kunt afleggen is 100 meter. Dit is verder onafhankelijk van in welk land
dat netwerk wordt aangelegd, onafhankelijk van de precieze locatie, het zal over 10 jaar nog steeds 100 meter zijn, en bij alle
leveranciers is het 100 meter.
Hoe anders is het bij draadloze variant van Ethernet. De frequentieband waarop gewerkt wordt (2,4 GHz bijvoorbeeld) mag ook
door anderen gebruikt worden. Mochten die er vandaag niet zijn, dan is dat geen garantie dat ze er morgen ook nog niet zijn.
De wettelijke eisen waaraan voldaan moet worden, zijn per land anders – daar moet bij export rekening mee gehouden
worden. De technologie is kritischer dan kabel – er moet rekening gehouden worden met de antennes, bekabeling,
connectoren, etc. Dat laatste is bij bekabeld Ethernet ook wel zo, maar de variatie is veel kleiner.
Bij draadloze Ethernet elektronica is er ook meer variatie tussen leveranciers mogelijk, in het bijzonder de gevoeligheid van de
ontvangerelektronica – het ene merk kan veel zwakkere signalen ontvangen dan het andere. Dit geeft een groter “budget” aan
de gebruiker, die dan een hogere snelheid en/of een langere afstand kan halen. Dit zijn interessante punten om op te
concurreren, en dat gebeurt dat ook. Bij bekabeld Ethernet is er nog nooit iemand gekomen die claimt dat afstanden groter dan
100 meter mogelijk zijn met koperen kabels, hoewel dat technisch best wel zou kunnen.
Daarom is bij de engineering van draadloze netwerken meer selectiewerk nodig, meer rekenwerk, en moet rekening gehouden
met externe omstandigheden, nu en in de toekomst (= er moet genoeg systeemreserve zijn).
---
Het hierboven besproken voorbeeld met WiFi is ook geldig voor andere netwerken, uiteraard zijn dan wel de getallen anders.
58/166

54
REKENEN GAAT IN DECIBELLEN
• We rekenen in deciBellen (zie tabel)
• Logaritmische schaal
– 3 dB erbij ? 2x zoveel
– 3 dB eraf ? 2x zo weinig
– 10 dB ? 10 x
– 20 dB ? 100 x
• Basis: 1 mW = 0 dBm
(dB ten opzicht van milliWatt)
• dB’s maakt het rekenen over het enorme
bereik veel makkelijker (1012 .. 1015)
1000 mW = +30 dBm
100 mW = +20 dBm
10 mW = +10 dBm
1 mW = 0 dBm
0.1 mW = -10 dBm
0.01 mW = -20 dBm
1 µW = -30 dBm
0.1 µW = -40 dBm
0.01 µW = -50 dBm
1 nW = -60 dBm
0.1 nW = -70 dBm
0.01 nW = -80 dBm
1 pW = -90 dBm
Het rekenen in draadloosland gebeurt heel veel in deciBellen (naar Alexander Graham Bell, uitvinder van de telefoon), oftewel
een 1/10 Bel. Het is een logaritmische eenheid, dat maakt het rekenen ermee erg makkelijk want alles gaat met optellen en
aftrekken. De deciBell die we hier gebruiken is de “vermogens” deciBel, dit in tegenstelling tot de “amplitude” deciBel.
De hier gebruikte deciBel is gebaseerd op de 10-logaritme van de verhouding van twee vermogens: 10*10log (p1/p2). De
referentie is een vermogen p2 van 1 milliWatt, welke de waarde 0 deciBell gekregen heeft. Omdat het dus gaat om de
verhouding met een millWat, wordt ook “dBm” geschreven, zodat geen verwarring ontstaat met dB’s die een referentie hebben
ten opzichte van een spanning (dbV) of een andere eenheid.
Een vermogen van 100 mW krijgt dan 20 dBm, want 10*10log(100/1) = 10*2 = 20.
Een paar vuistregels: elke 3 dB is een verdubbeling (+ 3 dB) of een halvering (-3 dB). Elke 10 dB is een factor 10. Bijvoorbeeld,
als een versterker 30 dB versterkt, dan is dat 10 dB * 10 dB * 10 dB = 10 * 10 * 10 = 1000 (gebaseerd op de regel: log(a*b*c) =
log(a)+log(b)+log(c)). Of, andersom: een factor 30 is 10 keer 3 dB, met als resultaat 2 * 2 * ... 2 (10 keer) = 2^10 = 1024. Het
verschil met de zojuist uitgerekende 1000 komt omdat 3 dB eigenlijk net geen factor 2, maar ca. 1.995 is. Maar voor snel-even-
schatten wordt voor 3 dB altijd een factor 2 genomen.
59/166

55
WINST EN VERLIES
• Zendvermogen ...
plus versterkende factoren ....
minus verzwakkende factoren ...
= overblijvend vermogen op ontvanger
• Hou rekening met systeemreserve
(ivm veroudering componenten)
• Is dit genoeg ?
Ja: communicatie is mogelijk
Nee: signaal te zwak dus geen communicatie
mogelijk
• De berekening is een opstapeling
van + en – factoren
(vanwege logaritmische schaal, is optellen / aftrekken mogelijk)
De berekening van de winst/verliesrekening voor een draadloos netwerk is op zich vrij eenvoudig. De “winst’ factoren worden
bij elkaar opgeteld, en daar worden de “verlies” factoren weer vanaf getrokken. De uitkomst van deze som is dan de
signaalsterkte die op de ontvanger aankomt.
De vraag is dan, is de ontvanger hiermee tevreden? Met andere woorden, kan de ontvangerelektronica hiermee overweg?
Bijvoorbeeld, de elektronica kan eisen dat minimaal een signaal van 1 picoWatt nodig is. Als dit niet gehaald wordt, dan kan er
dus niet gecommuniceerd worden. Komt er meer dan dit binnen, dan zal het netwerk wel werken. En dan geldt ook nog vaak:
hoe sterker het binnenkomende signaal, des te hoger zal de bitrate worden en des te sneller kan er dus gecommuniceerd
worden. Een sterker signaal is ook nog eens storingsongevoeliger.
Waarom kan er volstaan worden met optellen en aftrekken? De reden is dat er gewerkt wordt met de logaritmische eenheld
deciBell.
60/166

56
SIGNAALVERLIES EN -WINST
- Connectorverlies
- Lager vermogen dan
wettelijk toegestaan
+Uitgaand
vermogen
- Connector-
verlies
- Kabelverlies [3]
- Kabelverlies [3]
- Connectorverlies
- Connector-
verlies
+Antenneversterking +Antenneversterking
+Binnenkomend
vermogen
- Afstands-
verliezen [2]
Let op!
- Wettelijk beperkt maximumvermogen
verschil hiertussen:
PATH LOSS [1]
+Hoger vermogen dan
wettelijk toegestaan
- Obstructies [4,5]
+Versterker +Versterker
- Systeemreserve
- Polarisatiefout
Hierboven is het hele signaalpad tussen een zender en ontvanger gegegen, en de factoren die van invloed zijn – sommige in
negatieve zin, andere in positieve zin. Van belang is dan dat uiteindelijk op de ontvanger genoeg signaal overblijft om de
gewenste communicatiesnelheid aan te kunnen.
Het traject begint met het bepalen van het zendvermogen. Hieraan is wel een wettelijke limiet (bv. 100 mW op de 2,4 GHz
band in Nederland), maar sommige leveranciers geven hun apparatuur een lager vermogen. Dat is dus meteen al een
aderlating. En soms wordt ook een groter vermogen gebruikt dan legaal toegestaan.
Daarna kan het zijn dat de antenne niet rechtstreeks op de zendelektronica is gekoppeld, maar via een coaxkabel wat verder
weg (meestal wat hoger) staat. De connectoren (2x) en de coaxkabel geven hier een verlies.
Daarna is de antenne van belang. Afhankelijk van het type kan deze een bepaalde versterkingsfactor bieden. Dat is dan ‘winst’
– althans, winst in de richting waar het signaal naar toe gestuurd wordt, ten koste van richtingen waar het signaal niet naar toe
gaat.
LET OP – wat er nu uit de antenne komt, is ook weer gebonden aan een maximum wettelijk toegestaan vermogen. Dat is ook
weer 100 mW.
Dan gaat het signaal naar de andere kant. Puur vanwege afstand zullen ook bepaalde verliezen optreden. Tevens krijgen we
(bij grotere afstanden) te maken met de zgn. Fresnel zone, en die moet in principe voor minstens 60% vrij zijn van obstructies.
Meestal wordt dit opgelost door de antenne op een mast verder omhoog te te plaatsen
Daarna komen we aan op de antenne van de ontvanger, en ook hier kunnen we gebruik maken van een versterkingsfactor.
Tenslotte krijgen we (eventueel) weer een stuk coax, en uiteindelijk komt het signaal aan de elektronica van de ontvanger. De
leverancier zal specificeren hoe sterk dit signaal moet zijn. Ook geldt: hoe sterker, des te sneller de communicatie zal lopen.
De installateur van het geheel moet dus uitrekenen of hij genoeg signaal krijgt om aan de eisen van de gebruiker te voldoen.
En is het signaal veel te zwak, dan kan er helemaal niet gecommuniceerd worden.
---
Aangezien industriële systemen vaak een lange levensduur hebben, is het verstandig rekening te houden met veroudering van
elektronische componenten, hetgeen maakt dat op langere termijn zendvermogens lager worden, versterking zwakker, kabels
meer verlies geven (bv door slijtage, isolatieverlies), etc. Aanbevolen wordt een factor 2 (= 3 dB) aan te houden. Komt het
budget onder de systeemreservegrens, dan zal het nog wel werken, maar meer verzwakking kan er eigenlijk niet bij. In elk
geval wordt men dan op tijd gewaarschuwd.
61/166

57
MAX. ALLOWABLE PATH LOSS [1]
• Op de ontvanger wil je genoeg energie
binnenkrijgen om er een betrouwbare
datastroom uit te halen
• De leverancier geeft dit op (zie
documentatie)
• Zendvermogen wettelijk begrensd, maar
kan soms lager zijn
• Tx Power en
Rx Sensitivity:
– Weergegeven in “dBm”
– Tx Power normbepaald, soms
instelbaar (soms niet!)
– Rx Sensitivity opgegeven door
leverancier
1000 mW = +30 dBm
100 mW = +20 dBm
10 mW = +10 dBm
1 mW = 0 dBm
0.1 mW = -10 dBm
0.01 mW = -20 dBm
1 µW = -30 dBm
0.1 µW = -40 dBm
0.01 µW = -50 dBm
1 nW = -60 dBm
0.1 nW = -70 dBm
0.01 nW = -80 dBm
1 pW = -90 dBm
Voorbeeld van een bepaalde leverancier
Het maximum zendvermogen van een apparaat is meestal bepaald door de leverancier, eenvoudigweg omdat de elektronica
niet meer kan dan waarvoor het gebouwd is. Veelal is dit ook geen vrije keus van die leverancier, omdat wettelijke normen
vastleggen hoeveel vermogen er in een bepaalde frequentieband verstuurd mag worden. Aangezien dit per land kan
verschillen, kiest een leverancier soms wel eens voor het laagste maximum; soms ook kan men het via software instellen.
Indien u systemen maakt die de landsgrens overgaan is het dus belangrijk om hier goed rekening mee te houden!
Het vermogen dat voor een ontvanger nog acceptabel is erg klein. Veelal hebben professionele producten een lagere (betere)
ontvangstgevoeligheid dan consumentenproducten. Men dient informatie over de ontvangstgevoeligheid in de documentatie
van het product terug te kunnen vinden. Een voorbeeld is gegeven in de tabel rechtsonder.
Uiteraard dient men ook nog rekening te houden met andere verliezen, bv. door connectoren, coax kabels, antennes e.d. Soms
kan een antenne ook een vermogenswinst opleveren. Het gaat nu te ver om hier dieper op in te gaan.
---
Het voorbeeld over ontvangergevoeligheid komt uit de documentatie van de Cisco/Linksys E4200 router.
PIFA staat voor “Planar Inverted F Antenna”, een methode om antennes op een printplaat te maken. Dit specificatiepunt zal de
gemiddelde consument echter weinig zeggen. De 802.11n kan met meerdere antennes werken, vandaar 3 PIFA’s.
62/166

58
VOORBEELD
• Een zender heeft een vermogen van 100 mW
– Volgens tabel: 100 mW = + 20 dBm
• Gevoeligheid ontvanger is 0.01 nW
– Volgens tabel: 0.01 nW = - 80 dBm
• Berekening verschil:
– Maximum allowable path loss (MAPL) = 20 – (-80) = 100 dB
– Dit is ons budget waarmee we het moeten doen!
100 mW = +20 dBm
0.01 nW = - 80 dBm
100 dB
budget
Een rekenvoorbeeld: een AP werkt (of wordt ingesteld) op een zendvermogen van 100 mW. Uit de eerder gegeven tabel kan
dan gezien worden: dit komt overeen met +20 dBm.
De gevoeligheid van de ontvanger is (opgave leverancier!) 0.01 nW, dit geeft dan –80 dBm.
Het verschil hiertussen heet “Maximum allowable path loss” (MAPL), en dat is in dit geval dus 100 dB. Uiteraard hadden we dit
ook kunnen uitrekenen door rechtstreeks te rekenen met het zendvermogen en de ontvangstgevoeligheid: 10 log(100 mW /
0.01 nW) =100, maar dit wat lastiger uit het hoofd te doen.
-------------------------
LET OP! Sommige leveranciers “adviseren” dat het verhogen van het zendvermogen tot (ver) boven de wettelijke toegestane
limieten gedoogd wordt, zolang geen storing wordt veroorzaakt met anderen. Ook wordt wel eens beweerd dat bij Agentschap
Telecom een vergunning verkregen kan worden voor het gebruik van hogere zendvermogens. Het Agentschap Telecom stelt
echter dat ze zulke vergunningen nooit geeft.
63/166

59
VERZWAKKING DOOR AFSTAND [2]
• Een eenvoudig rekenmodel toont:
– PL = 40 + 20 log(d) Op 2,4 GHz
– PL = 47 + 20 log(d) Op 5 GHz
1m 2m 10m 20m
2,4 GHz 40 dB
5 GHz 47 dB
46 dB
53 dB
60 dB
67 dB
66 dB
73 dB
Nu de MAPL bekend is, kan uitgerekend worden hoeveel dBm’s we kunnen “kwijtraken”. Een bekende oorzaak voor een
signaalverzwakking is: de afstand tussen zender en ontvanger. Hiervoor zijn verschillende rekenmodellen bedacht, waarvan
we er hier eentje bespreken. Het verlies in signaalkwaliteit wordt ook wel “Path Loss” genoemd (PL), en is afhankelijk van de
frequentie, de afstand (d), en een factor ‘n’. De waarde van n is, als er zichtcontact is tussen een zender en ontvanger, normaal
20. Dit heeft te maken met de verdunning van het zendvermogen: dat neemt af met het kwadraat van de afstand (omdat hier
met logaritmes gewerkt wordt, is kwadrateren hetzelfde als vermenigvuldigen met 2).
---
Een ander rekenmodel komt van de IEEE, en gaat (voor 2.4 GHz) als volgt:
PL = 40.2 + 20 log(d) voor 0.5 <= d <= 8m;
PL = 58.5 + 33 log(d/8) voor d > 8m
Weer een ander rekenmodel poogt niet alle verzwakkende factoren in een formule te stoppen, maar gaat het signaalverlies
door materialen, afstand, en etages uitrekenen door voor alle tussenstappen tussen een zender en ontvanger uit te zoeken wat
er gebeurt en wat dit voor invloed heeft. Dit is met de hand al veel lastiger uit te rekenen, daarom bestaan er ook speciale
softwarepakketten voor.
64/166

60
COAX KABEL VERLIEZEN [3]
• Indien coax kabel nodig is, hou dan goed rekening met de
kwaliteit ervan. Hoe goedkoper, des te slechter meestal!
• Enkele voorbeelden:
– RG 58 1 dB / m
algemene zwarte 50 Ohm kabel, zoals vroeger gebruikt in
10Base2 Ethernet, 'bakkies'. Geen TV-coax!
– RG 213 0.6 dB / m
zwarte dikke kabel, veel vookomend bij zendamateurs
– RG 174 2 dB /m (en meer)
dunne (teflon) coaxkabel, wordt veel in 'pigtail'
verloopkabeltjes toegepast
– Aircom 0.21 dB / m
– Aircell 0.38 dB / m
– LMR-400 0.22 dB / m
– H2000 0.2 dB / m
– IEEE 802.3 0.3 dB / m
dikke gele kabel zoals vroeger gebruikt in 10Base5 Ethernet
• Advies: transceiver zo dicht mogelijk bij antenne
Enkele voorbeelden van de verliezen van een coax-kabel, per meter. Dat tikt soms nogal fors door (let op: elke 3 dB is een
halvering!). Gebruik in elk geval nooit geen “tv coax” van thuis.
De gegeven getallen zijn indicatief, controleer altijd de specifcatie van de leverancier van de kabel!
65/166

61
WAT IS ‘ZICHT’ ?
• Niet-onderbroken rechte lijn A naar B ?
• Zgn. “Fresnel zone” moet ‘leeg’ zijn
• Indien toch obstructies...
– 100% vrij Ideaal
– 80% Nog weinig
te merken
– 60% Ondergrens
– < 60% Onbruikbaar
• Let op: lagere frequentie, grotere zone!
– 900 MHz op 50 km: b=38 m
– 2,4 GHz op 50 km: b=23 m
• Advies: de hoogte in
Als twee antennes elkaar ‘zien’, dan gaat de energie van de radiogolven niet in een rechte lijn, maar in een soort van Zeppelin-
achtige ruimte. De energie wordt verdeeld over deze ruimte. Het is dan van belang dat er tussen de zender en ontvanger
natuurlijk geen obstructies zitten, die de signaaloverdracht hinderen.
De dikte van de zeppelinvorm (halverwege) is afhankelijk van de afstand d en de gebruikte frequentie f. Idealiter is er geen
enkele obstructie, maar enige obstructie is nog wel werkbaar. Als vuistregel wordt aangenomen dat als er niet meer dan 40%
obstructie is (dus 60% vrij) er nog goed gecommuniceerd kan worden.
In het algemeen gaat de Fresnel-zone van belang worden bij grotere afstanden (honderden meters). Bij veel grotere afstanden
(km’s) gaat de kromming van de aarde ook een rol spelen. In het algemeen is dit op te lossen door antennes voldoende hoog
te plaatsen.
De ‘dikte’ van de Fresnel-zeppelin ‘b’ is afhankelijk van de afstand ‘d’ en de gebruikte frequentie. In het algemeen hebben
toepassingen binnenshuis er geen last van. Alleen voor opstellingen buitenshuis, en dan nog over afstanden van meerdere
honderden meters, begint de Fresnel-zone een rol te spelen. We krijgen dan zowiezo te maken met de kromming van de
aarde, en om de Fresnel-zeppelin dan niet door de grond te laten lopen moet de antenne de hoogte in (op een mast). Als de
elektronica onderin een kast zit, moet er een coax-kabel gelegd worden, en deze heeft natuurlijk wel enig verlies (zie
behandeling van maximum allowable path loss). Enig rekenwerk is dus wel op zijn plaats.
66/166

62
DE FRESNEL-ZONE [4]
De formule die bepaalt wat de grootste doorsnede is van de Fresnel zone (halverwege dus), is vrij eenvoudig: r = 0.6 *
SQRT(0.03 * L), waarbij r = straal in meters halverwege, L = afstand in meters. Deze formule is alleen geldig voor de 2,4 GHz
frequentie. Let erop dat r de straal is, en niet de diameter! Hieronder een afbeelding van een website die behulpzaam kan zijn
bij het maken van berekeningen, het voorbeeld toont het signaalpad vanaf de woning van de auteur naar het hoogste punt van
Nederland (Vaalserberg). Te zien is dat dit dus niet goed kan werken.
67/166

63
ANDERE FACTOREN [5]
• Ruwe waardes voor
verzwakking van een signaal
na penetratie van een …
– Héle zware regenbui 150mm/h 0.02 dB / km
– Raam (normaal glas) 3 dB
– Raam (metalen coating) 5-8 dB
– Gipsplaat 5-8 dB
– Houten muur 10 dB
– Stenen muur 15-20 dB
– Betonnen muur 20-25 dB
– Standaard vloer 15-20 dB
– Dikke vloer 20-25 dB
Er zijn wel getallen bekend over hoe sterk een signaal verzwakt nadat het door een bepaald type materiaal gegaan is. In de
bovenstaande lijst is de verzwakking opgegeven voor een aantal materialen. Een vuistregel is dat elke 3 dB een verzwakking
van een factor 2 is (en dus ook: 10 dB is een factor 10). Dus, een eenvoudig raam halveert de signaalsterkte al.
Een dikke gewapend betonnen vloer kan een dB of 25 verzwakken. Dat is dus al gauw een factor 2^(25/3) = ongeveer 250 of
hoger.
---
Ook regen heeft een invloed, maar vrij beperkt. Een regenbui waarbij 150 mm per uur valt geeft een verzwakking van 0.02 dB /
km. Dat is vrij weinig, en dan moet het ook nog érg veel regenen. De kans hierop is echter zeer klein, want in Nederland valt
zelfs in de natste maand (december) in totaal gemiddeld maar zo’n 120 mm (over 31 dagen). Uitzonderingen zijn er natuurlijk;
op zondag 13 oktober 2013 viel in Zuidland in één hele dag 96 mm.
68/166

64
VERKEERDE ENGINEERING
Raam (normaal glas) 3
Raam (metalen coating) 5-8
Gipsplaat 5-8
Houten muur 10
Stenen muur 15-20
Betonnen muur 20-25
Standaard vloer 15-20
Dikke vloer 20-25
Een voorbeeld van verkeerde engineering: eerst aanleggen, dan pas ontdekken dat dikke muren veel signaalverzwakking
geven.
69/166

65
BUDGET CALCULATOR
Totaal = A + B + C + D + E + F – G
waarbij A + B + C <= 20 moet zijn (wettelijke eis)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
Op de website http://huizen.deds.nl/~pa0hoo/helix_wifi/linkbudgetcalc/wlan_budgetcalcnl.html is een WLAN link planner te
vinden die kan helpen met het berekenen van alle factoren in het budget. Hierboven is een schermdump afgedrukt met een
mogelijke berekening. De uiteindelijke uitkomst is dan gewoon een optelling van de 7 ingevoerde getallen.
Let op dat de webpagina ook waarschuwt dat met de gegeven opstelling wettelijk in Nederland een probleem is. Gegeven het
zendvermogen van +18 dB, de antennewinst van 6 dB en de kabelverliezen van 3 dB komt er uit de antenne een effectief
vermogen van 18-3+6 = 21 dB. Dat is boven de toegestane grens van 20. Een van de drie factoren moet dus aangepast
worden (minder zendvermogen, meer kabelverliezen of andere antenne).
70/166

66
SITE SURVEY
Theorie
Praktijk
Bovenstaande afbeeldingen geven aan wat het bereik van een access point zou zijn in een ideale situatie (links), en in de
werkelijkheid (rechts). Idealiter is de signaalsterkte omgekeerd evenredig aan de afstand, dus mooie cirkels om een access
point heen zijn makkelijk te tekenen. In de praktijk moet rekening gehouden worden met het verzwakkende effect van muren en
ook het materiaal waarvan ze gemaakt zijn, en dan komt er een heel andere uitkomst uit de berekeningen. De haalbare afstand
is veel minder dan de helft, en op sommige locaties is er helemaal geen bruikbaar signaal meer.
71/166

67
SITE SURVEY / BEREKENING
Het rondlopen met een signaalsterktemeter is natuurlijk makkelijk, maar kost wel veel tijd en er is altijd de kans dat men een
hoekje vergeten heeft. Makkelijk wat dat betreft zijn softwarepakketten die kunnen helpen, gegeven een plattegrond van het
gebouw, de lokatie van muren en andere obstructies, en de aard van de materialen. Men kan dan een access point ‘plaatsen’,
en de software rekent dan uit welke signaalsterkte waar te meten is.
Een voorbeeld hiervan is hierboven gegeven, in een gebouw waar ook metaal-gecoat glas geplaatst is. Let op de sterke
signaalverzwakking vlak bij deze ramen. Ook opvallend is de signaalsterkte in de gang boven, en de invloed van sommige
muren.
72/166

68
WNP (Wireless Network Planner)
• Windows software pakket
(via www.phoenixcontact.com)
• Teken plattegrond, al dan
niet via Google maps foto
of digitale plattegrond
• Kies en plaats apparatuur
• Kies antennes,
accesoires, etc.
• Bepaald gewenste
bandbreedte
• Software geeft link-
kwaliteit aan
WNP (Wireless Network Planner) is een softwarepakket dat via de website www.phoenixcontact.com te installeren is. Het
pakket maakt het mogelijk om een draadloos netwerk te ontwerpen, bestaande uit verschillende soorten accesspoints,
repeaters en clients, WiFi of Bluetooth, met alle bijbehorende toebehoren zoals richtantennes, bliksembeveiliging, etc.
Dit kan getekend worden op ‘ruitjespapier’ maar ook op basis van een bouwtekening of een foto (zoals hierboven via Google
maps). Dan kan de apparatuur geplaatst worden op de uiteindelijke locatie, de gewenste bandbreedtes kunnen worden
ingesteld, en uiteindelijk geeft het pakket dan aan met een rode, gele of groene lijn wat de kwaliteit van de netwerklink is.
73/166

69
GOEDE ENGINEERING
• Het (WiFi) wereldrecord voor afstand…
… staat op: 304 km (p-to-p)
Oude record: 200 km Nieuw record: 304 km
De opgegeven maximale afstanden in meters zijn sterk afhankelijk van het zendvermogen, het gebruikte type antenne, de
omgeving, de ontvangstantenne, en de gevoeligheid van de ontvanger. Sommigen zien er een sport in om met draadloos
Ethernet een zo groot mogelijke afstand te kunnen overbruggen. Waar in een gebouw afstanden van enkele meters soms al
een probleem kunnen zijn, is een heel ander verhaal te vertellen over netwerken in de open lucht.
Het wereldrecord in 2006 staat op 200 km (124.9 mijl), in 2005 gehaald in de woestijd van Nevada (bij Las Vegas). Het gaat
hier om een onversterkte verbinding die met 300 mW werd aangestuurd (dit zendvermogen is in Europa niet toegestaan).
Uiteraard betreft het hier een point-to-point verbinding. Als zulke grote afstanden overbrugd moeten worden dan moet men wel
meestal de hoogte in, omdat de kromming van de aarde een rol gaat spelen. De gebruikte paraboolantenne heeft een diameter
van 4 meter.
Het (onofficiële) Nederlandse record staat op 8 km, gevestigd in 2005 tijdens het “WOAF” (Wireless Open Air Festival), met
een accesspoint geplaatst op 55 meter hoogte.
In 2007 is het wereldrecord gegaan naar Italië, die een afstand van 304 km haalden, dwars over de Middellandse zee. Hierbij
werd gewerkt op 5,7 GHz, en kon een continue snelheid van 5 Mbit/s gehaald worden. Aan beide kanten werd gebruik
gemaakt van 35 dB versterkende paraboolantennes, en van leverancier UbiQuiti producten met extreem gevoelige ontvangers.
Vanwege de kromming van de aarde over deze lange afstand stond de apparatuur op 1700 meter boven zeeniveau op heuvels
opgesteld.
---
Met andere netwerken dan draadloos Ethernet zijn gelijksoortige systemen mogelijk, ook al wordt dat nauwelijks gedaan. Maar
het kán wel!
74/166

70
HOE STERK ONTVANG JE?
• Meet signaalsterkte op
ontvanger
• Professionele
meetapparatuur, of...
(goedkoop, doch
simpel):
– NetStumbler
– InSSIDer
• Let op dit geeft nog
geen oordeel!
In plaats van een hoop rekenwerk kan men ook een netwerk opzetten, en dan proefondervindelijk vaststellen wat de
mogelijkheden zijn. Bijvoorbeeld, door uit te zoeken hoe sterk het ontvangen signaal is. De eenvoudigste methode is om af te
gaan op informatie van (bv.) Windows. De duurste methode is om uit te gaan van professionele meetapparatuur zoals bv. door
Fluke of Rohde & Schwarz geleverd wordt. De tussenweg, goedkoper maar met beperkte mogelijkheden, zijn twee
softwarepakketjes.
De eerste is het “NetStumbler” softwarepakket (voor Windows, zie afbeelding links). Helaas wordt NetStumbler sinds enkele
jaren door de ontwikkelaar ervan niet meer geactualiseerd, het is inmiddels bekend dat het tool soms problemen geeft op
Windows Vista of later. De ontwikkelaar ervan werkt nu bij Google.
Het Amerikaanse bedrijf Metageek (www.metageek.net, zie afbeelding rechts) heeft een vervangend tool gemaakt genaamd
InSSIDer, dat vanaf hun website gratis op te halen is. Helaas heeft men besloten vanaf 1/1/2014 de actueelste versie alleen
nog tegen betaling te leveren. Mogelijk zijn op andere websites nog de oudere versies te vinden.
75/166

71
RSSI INDICATOR
• “Received Signal Strength Indicator”
• LEDs of voltmeter
(geven tevens waarde-oordeel!)
Professionele apparatuur heeft, in tegenstelling tot consumentenproducten, de mogelijkheid om zelf de signaalsterkte weer te
geven. Hier twee voorbeelden: zowel met behulp van LED’s, als met een voltmeter – dit laatste geeft een iets nauwkeuriger
meetwaarde.
De LED’s geven ook een waarde-oordeel: maximum / zeer goed / goed / laag / niet aangesloten. Ook al is de signaalsterkte
laag, dan kan er nog steeds normaal gecommuniceerd worden. Wel dient men in de gaten te houden dat een verdere
verzwakking tot uitval van de verbinding kan leiden.
76/166

72
MET SPECTRUMANALYZER
Met een spectrumanalyzer is de meest gedetailleerde informatie over een frequentieband te verkrijgen. Het probleem is dat
spectrumanalyzer vaak zeer kostbaar zijn. Getoond is een vrij goedkope, USB-gebaseerde, spectrumanalyzer genaamd WiSpy
van het Amerikaanse “Metageek”. De kostprijs ligt onder de 1000 Euro, maar dan wordt ook enkel de 2,4 of 5 GHz getoond
met een niet al te hoge scansnelheid. Desalniettemin is de ervaring van de auteur dat met deze analyzer al heel wat
raadselachtige problemen makkelijk op te lossen zijn: meten = weten!
De afbeelding toont drie metingen: boven de spectrale view gedurende laatste 5 minuten, zodat zichtbaar is op welke
frequentie iemand actief geweest is. Te zien is een verticale kolom, dat is een WiFi-netwerk. Er is ook een verticale band
zichtbaar, dat is een breedbandige zender, bijvoorbeeld Bluetooth. Deze meting is bruikbaar om (ver) in het verleden te kunnen
kijken en mogelijk te kunnen verklaren waarom er x uur geleden een bepaalde storing is opgetreden, en om te zien hoeveel
andere gebruikers er in de frequentieband actief zijn.
De middelste afbeelding is de topografische view, dat iets zegt over hoe vaak een bepaalde signaalsterkte gemeten is op elke
frequentie. Heel vaag is links een sterk signaal te zien (ca. -40 dB).
De onderste afbeelding laat de actuele signaalsterkte op elke frequentie zien, en de maximale gemeten signaalsterkte als een
lopend gemiddelde.
77/166

73
HET RADIODEEL
ANTENNES
ENGINEERING
BLUETOOTHBLUETOOTH
TRUSTED WIRELESS
WIFI
AFSLUITING
78/166

74
ONTSTAAN
• Ericsson NL (Jaap van Rijen), later consortium van
bedrijven (Ericsson, IBM, Intel, Toshiba, Nokia)
• Nu eigendom van Bluetooth vereniging (www.bluetooth.org)
• Genoemd naar de Deense Viking-koning Harald Blåtand (935 – 986)
• Als “kabelvervanger RS-232”
• Lage snelheid (1 Mbit/s), low-power (1 mW)
Bluetooth is ooit ontstaan bij de firma Ericsson, en nog wel met een Nederlander: Jaap van Rijen, als systeemarchitect. Om de
acceptatie van Bluetooth in de markt te versnellen zijn daar later nog meer bedrijven bij gekomen (zie lijstje). Om de groei nog
verder te versnellen heeft Ericsson op een bepaald moment alle rechten erop overgedragen aan de Bluetooth SIG (Special
Interest Group), die nu verdere ontwikkelingen aan Bluetooth stuurt. Ericsson zelf is inmiddels gestopt met Bluetooth.
Bluetooth is vernoemd naar de Deense koning Harald Blauwtand, die leefde van 935 tot 986 en heerste over Denemarken en
een deel van Noorwegen en Zweden en noord-Duitsland. Waarom hij zo genoemd werd, daarover bestaan verschillende
lezingen: vanwege een rotte (zwarte) tand door een vechtpartij, vanwege zijn voorliefde voor bosbessen, vanwege zijn
gewoonte om blauwe (= dure) kleren te dragen, etc. Waarom Bluetooth naar hem vernoemd werd is ook variabel: de ene lezing
zegt dat het komt omdat Ericsson ook een Zweeds bedrijf is, een andere lezing claimt dat een van de ontwikkelaars van de
eerste Bluetooth implementatie net op dat moment een roman aan het lezen was over Harald Blauwtand.
Het logo voor Bluetooth is de combinatie van de runen-letters H en B over elkaar heen.
Het systeem is ooit bedacht om makkelijker mobiele telefoons aan andere apparaten te kunnen koppelen. Dat ging eerst
voornamelijk via RS-232 verbindingen, maar die zijn beperkt qua snelheid, beperkt qua mogelijkheden, en er kan steeds maar
één apparaat worden aangesloten. Bovendien is het vreemd om een mobiel apparaat aan een kabel te koppelen om te kunnen
communiceren.
79/166

75
VERSIES
• 1.0 / 1.1
– Snelheid 1 Mbit/s
• 1.2
– Eerste serieus bruikbare versie
– “Adaptive Frequency Hopping” er bij
• 2.0 / 2.1
– “Enhanced Data Rate” EDR (3 Mbit/s)
• 3.0 “High Speed” (HS)
– Transport van bulk data via WiFi-achtige techniek á 802.11n
– Snelheid 24 Mbit/s, daarna weer normale snelheid
• 4.0 “Low Energy” (LE, Bluetooth Smart)
– Snelheid terug naar 1 Kbit/s (niet compatibel met andere versies)
– Langere levensduur batterij (2..100x)
Consumententoepassingen
Verouderd
Bluetooth 1.0 (2002) was de allereerste versie. Helaas was het vrij onhandelbaar. Het is al snel opgevolgd door versie 1.1 en
daarna door versie 1.2 (2005). Deze had de uitbreiding “Adaptive Frequency Hopping” erbij, om het leven tegelijk met WiFi
mogelijk te maken. Beide zitten immers op de 2,4 GHz band en elkaar dus ook in de weg zonder verdere maatregelen.
Bluetooth 2.X heeft met “Enhanced Data Rate” de snelheid omhoog zien gaan naar 3 Mbit/s. Dit was noodzakelijk om
audioapparatuur in stereokwaliteit mogelijk te maken (luidsprekers, koptelefoons, carkits, etc.).
Bluetooth 3.0 biedt de mogelijkheid om grote datatransporten via een apart radiokanaal af te handelen, waarbij leentjebuur is
gedaan bij WiFi. De brutosnelheid is 24 Mbit/s.
Bluetooth 4.0, ook wel bekend als “Low Energy” of “Bluetooth Smart”, is bedoeld voor toepassingen die vanuit een knoopcel
gevoed moeten worden. Men richt zich hier op de medische markt (patientenmonitoring: suikergehalte, temperatuur,
zuurstofgehalte, hartslag, etc.), de sport (stappentellers, snelheid, hartslag, etc.), persoonlijke apparatuur (bv. horloge), etc.
waar het lastig of onmogelijk is om elke dag op te laden of een forse accu te hebben. De consequentie is wel dat de maximum
snelheid vrij laag ligt (bruto 1 Mbit/s, netto ca. 250 Kbit/s, dat is 3x zo laag als gebruikelijk), maar de winst is dat de batterij wel
tot 100x langer mee kan gaan. De iPhone4 was de eerste die LE-mogelijkheden bood.
80/166

76
GETALLEN
• Maximum 8 deelnemers per netwerk (“piconet”)
• Bluetooth kan op 3 sterktes zenden:
– “Class 1”: 100 mW (afstand ca. 100m)
– “Class 2”: 2.5 mW (afstand ca. 10m)
– “Class 3”: 1 mW (afstand ca. 1m)
• Effectief haalbare afstand hangt ook af van externe factoren
• Voor industrieel gebruik veelal “class 1”
• Richtantennes uiteraard ook mogelijk
Het maximum aantal deelnemers dat in één Bluetooth netwerk samen actief kan zijn is 8. Dit wordt ook wel een “piconet”
genoemd. Grotere netwerken zijn wel mogelijk, maar de overige deelnemers zijn dan passief. Ook is het mogelijk een
hierarchisch netwerk op te bouwen (alhoewel de auteur dat nog nooit in gebruik heeft gezien).
In het netwerk is altijd een “master” actief, die verantwoordelijk is voor het frequency-hoppen. De andere deelnemers volgen
dit.
Bluetooth staat bekend als ‘low-power’ netwerk, maar dit is maar ten dele waar. Het systeem kent drie vermogens, namelijk 1,
2.5 en 100 mW. De eerste twee komen vooral voor in consumentenelektronica, waar deze vermogens hoog genoeg zijn om
een “personal area network” te vormen, oftewel: in de directe omgeving van de eigenaar / gebruiker van de apparatuur. Het
voordeel is dat dankzij het lage vermogen de accu / batterij lang meegaat,
Voor industrieel gebruik zijn de haalbare afstanden natuurlijk niets, en daarom wordt daar met 100 mW zendvermogen
gewerkt. Dan zijn redelijke afstanden haalbaar, en met richtantennes nog langere afstanden. Wat de maximaal haalbare
afstand is hangt af van allerlei factoren, maar 100 meter is haalbaar.
81/166

Phoenix Contact, Themadag draadloze netwerken in de industrie

Phoenix Contact, Themadag draadloze netwerken in de industrie

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (9)

Similar to Phoenix Contact, Themadag draadloze netwerken in de industrie

Similar to Phoenix Contact, Themadag draadloze netwerken in de industrie (20)

Phoenix Contact, Themadag draadloze netwerken in de industrie