Zařízení v pásmu 2,4 GHz

V současné době je mnoho zařízení, která využívají pásmo 2,4 GHz, patří mezi ně například WiFi, BlueTooth, ZigBee, modelářské vysílače, některé přenosy z videokamer nebo bezdrátových mikrofonů a nelze vynechat zdroj signálu, který všechny ostatní svým výkonem přebije, to jsou mikrovlnné trouby. A to nepočítám průmyslově používaná technologická zařízení. Chcete-li využívat některé z uvedených spojení v pásmu 2,4 GHz, je dobré se mezi těmito zařízeními alespoň trochu orientovat, abychom byli schopni vyhnout se případnému „rušení“.

Pásmo 2,4 GHz je v současnosti velmi hustě využívané a zejména v městských aglomeracích prakticky přeplněné a přetížené, některé služby (třeba WiFi sítě) se sice postupně „stěhují“ výš do pásma 5 GHz, ale další na 2,4 GHz přicházejí, takže se situace víceméně nezlepšuje.

Pásmo 2,4 GHz začíná na frekvenci 2400 MHz, končí na 2500 MHz, a má jednu podstatnou a výjimečnou vlastnost. Přibližně uprostřed něj se nachází kmitočet, který je rezonančním kmitočtem molekul vody. Voda ve všech podobách vlny v tomto pásmu velmi silně pohlcuje a tím se zahřívá.

Vzhledem k tomu, že výkon běžně používaných komunikačních zařízení (WiFi, Bleutooth, modelářské vysílače, …) je jen nepatrný, pravděpodobně nikdy nezaregistrujeme to, že by se v jejich blízkosti voda zahřívala, ale zjistíme výrazný pokles dosahu v přítomnosti vody. Například modelářský vysílač, který má ve vzduchu za suchého dne dosah  2 až 3 km, má mez dosahu přes (kapalnou) vodu něco kolem 5 až 7 cm. To trápí asi jen stavitele modelů ponorek, ale projevuje se to i jinak. Za deště nebo mlhy bude mít stejný vysílač dosah několik desítek, maximálně stovek metrů. Od vodní hladiny se signál neodráží, ale pohlcuje se v ní. Dosah BlueTooth ovládání vyjde jiný, když ho budeme zkoušet jednou v suchém vzduchu, jednou v kuchyni, když se vaří oběd.

Signál v pásmu 2,4 GHz se víceméně šíří jen přímočaře na přímou viditelnost podobně jako světlo. Tu „viditelnost“ ale musíme chápat ve smyslu elektromagnetických vln, ne zcela doslova. Suchý papír, dřevěná nebo plastová deska, látky, keramika, suché zdivo a podobné materiály sice nejsou průhledné, ale z hlediska vln v pásmu 2,4 GHz  jsou bez problémů prostupné. Naopak třeba akvárium plné vody, ač je skrz něj vidět, tvoří dokonalé odstínění. Většinou to ale funguje tak, že když na sebe antény vidí (doslova), spojení má šanci.

Je mnoho materiálů, které mohou svoje prostupné respektive pohltivé vlastnosti měnit podle toho, kolik vody absorbují. Typickým příkladem je rostlinstvo (vegetace). Za sucha (nebo uschlá vegetace, sláma, seno, suché dřevo) snižuje dosah jen málo, pokud je čerstvá, navlhlá nebo dokonce mokrá, signál pohltí a odstíní, a stačí na to křoví nebo několik stromů.

Vlny v pásmu 2,4 GHz se mohou odrážet třeba na hladkých kovových plochách (a tento odraz využívají například směrové parabolické antény WiFi), takže v okolí kovových budov nebo v místnostech s kovovým obložením stěn či podhledy stropů můžeme pozorovat, že spojení „vidí za roh“, ale přírodní překážky jsou většinou neprostupné a ani signál neodrážejí. Velmi různé a těžko předvídatelné je chování panelových a železobetonových zdí, záleží na jejich vlhkosti a množství armovacího železa.

Délka vlny je přibližně 12 cm a to je také vzdálenost, v jaké se mohou příjmové podmínky radikálně změnit. Pokud spojení něco stíní, je možné, že o pár decimetrů dál bude všechno jinak. Signál se neohýbá. Například při zkouškách modelářských RC souprav na mezi dosahu (na vzdálenost přes 1 km) může hrát roli zastínění jediným vlhkým stromem do té míry, že při zastínění není ani náznak příjmu, a o metr vedle, už na přímou viditelnost mimo překážku, je příjem zcela spolehlivý.

---

WiFi

Není jedno jediné WiFi, je hned několik norem, které tuto komunikaci definují, uvedeme si jen nejčastější typické. V pásmu je stanoveno celkem 14 kanálů, z nichž první je na 2412 MHz a další jsou vždy o 5 MHz výš, výjimkou je kanál 14, který je „odsunut“ na frekvenci 2484 MHz. Kanál 14 není povolen v Evropě. Pojem kanál ale neznamená, že by bylo možné současně provozovat 14 spojení WiFi, aniž by se vzájemně nerušily, je to spíš naopak.

WiFi podle normy 802.11b používá šířku kanálu 22 MHz zatímco odstup kanálů je 5 MHz, takže při optimálním využití pásma mohou být současně v provozu nejvýše 3 WiFi zařízení, aniž by se vzájemně rušila, jeden přenos zabere „svůj“ kanál a kromě toho ještě dva nahoře a dva dole. Spektrum má podobu „kopečku“ s malým poklesem na vrcholu. Snímek ukazuje vzdálenější WiFi na kanálu 9, to je nejsilnější signál zvýrazněný světlější rozpoznávací křivkou, vedle něj vpravo je salší slabší (vzdálenější) signál další WiFi 802.11b, který se částečně frekvencemi překrývá. Tyto dva signály, pokud nepřicházejí z opačných směrů, by se vzájemně částečně (mírně) rušily.

WiFi podle normy 502.11g/n má šířku kanálu 20 MHz a na snímku z analyzátoru má vyrovnanou úroveň v šířce pásma a strmé boky, takže tvoří jasně vymezený „obdélník“ o výšce kolem 20 dB (okolí je potlačené z hlediska výkonu asi 100x). Také v tomto případě se současně dají provozovat nejvýše 3 zařízení bez vzájemného rušení. Snímek jednoho signálu je následujícím obrázku.

WiFi podle normy 802.11n má podobný tvar, ale šířka pásma je 40 MHz, do pásma se současně vejdou nejvýš 2 přenosy tohoto druhu. Srovnání všech tří ukazuje nákres převzatý z Wikipedie.

K vysílání signálu nedochází nepřetržitě, jde o pulzy v čase v jednom relativně širokopásmovém, ale stabilním úseku pásma (záměrně se vyhýbám pojmu kanál, protože definovaných kanálů zabírá tento úsek několik). Když spustíme dva přenosy, které se částečně nebo úplně překryjí co do rozsahu frekvencí, ještě to neznamená, že by se oba signály úplně vzájemně zarušily a ani jeden z nich by nefungoval. Reálně bude přenos obou zařízení stále probíhat, částečně se zaruší, ale částečně informace projdou v různé časové okamžiky. Dostupná rychlost přenosu dat se o něco (spíše velmi výrazně) sníží.

Když nastavujete WiFi přenosy, zejména mezi dvěma vlastními zařízeními, mimo jiné zadáváte kanál, na který se má přenos naladit. Je podstatné si zjistit, na jakých kanálech pracují jiné blízké WiFi připojovací body a vyhnout se jim. Dá se to zjistit například pomocí mobilního telefonu a stažené aplikace WiFi Analyzer (podobných je mnoho), která zobrazí obsazené kanály i se znázorněním intenzity signálu přehledně graficky. Ale pozor, tyto WiFi analyzátory v mobilu „nevidí“ obsazení pásma jinými zdroji signálu, než zase jen WiFi, takže to, že na daném kanále není signál, ještě nemusí znamenat, že je ve skutečnosti volný!

BlueTooth

Přenos pomocí BlueTooth zabírá pásmo úplně jiným způsobem, neustále střídá frekvence. Když se na obsazení pásma podíváme s běžným rozlišením, uvidíme jen souvislý blok signálu od 2400 do 2480 MHz. Žádná z frekvencí ale není obsazena trvale a když část pásma zabere jiná služba, informace „protečou“ po okolních volných frekvencích, samozřejmě s určitým (nevelkým) zpomalením přenosu. Není ani problém, aby pracovalo více BlueTooth současně, překrytí v čase na stejné frekvenci je malé. Při navázání  komunikace nezadáváme žádný kanál, střídání frekvencí se řídí automaticky. BlueTooth typicky pracuje s malým výkonem 1 – 10 mW, dosah je kolem 10 m.

Vzhledem k omezenému výkonu hrozí rušení od BlueTooth jen na velmi malou vzdálenost a je nepravděpodobné. Rušení BlueTooth jiným zdrojem signálu je v podstatě možné jedině tak, že cizí signál o několik řádů silnější „uzavře“ vstupní obvody přijímače.

 ZigBee

Komunikace ZigBee se používá zejména v průmyslových podmínkách, kde není vhodné používat BlueTooth a stačí malý průtok dat. Najdeme ji ale také v dálkovém ovládání počítačových periferií, přenosech dat z čidel, ovládání přístrojů, ve zdravotnctví a podobně. Stejně jako BluetTooth jde o přenosy na menší vzdálenosti kolem 10 m.

Fyzicky se mi zařízení ZigBee pro nasnímání charakteristiky spektra nepodařilo sehnat, takže místo snímku z analyzátoru musí postačit nákres z firemní dokumentace. Ten bohužel zkresluje dojem, protože nezahrnuje celou šířku pásma 2,4 GHz, ale jen 10 MHz, takže i když to tak na první pohled nevypadá, zabírá ZigBee mnohem menší úsek pásma než třeba WiFi. V tomto případě se v pásmu nachází celkem 16 kanálů (očíslovaných 11 až 26), které mohou být použity samostatně. Zařízení pracují s malým výkonem (1 mW) a mívají velmi malou spotřebu.

Pravděpodobnost rušení signálem ZigBee je malá jednak kvůli malému výkonu, jednak kvůli velmi úzkému stabilnímu pásmu, jednak kvůli pulznímu (a většinou jen občasnému) provozu. Rušení Zigbee jiným signálem je podstatně pravděpodobnější pokud by šlo o signál, který trvale vysílá.

Videokamery

Jde většinou o jednoduché levnější kamery s menším rozlišením, příkladem mohou být například „couvací“ kamery pro auta s bezdrátovým přenosem signálu na obrazovku GPS navigace. Tyto vysílače pracují s malým výkonem a dosahem, ale vysílají nepřetržitě, ne pulzně (souvisle obsadí úsek pásma v čase) a mají hodně široké pásmo. Bez vzájemného rušení se sotva vejdou dva takové signály.

Vyskytují se ale i vysílače s podstatně vyšším výkonem určené třeba k přenosu obrazu z modelů letadel na monitory nebo do videobrýlí FPV řízení. Naštěstí tyto vysílače postupně přecházejí do pásma 5 GHz. Další jsou různé „špionážní“ kamery, které mají nejrůznější výkon.

Analogový přenos obrazu v pásmu 2,4 GHz velmi snadno a účinně zaruší jiné komunikace, vysílání je trvalé (ne pulzní), širokopásmové, výkon relativně vělký. Obráceně je ale rušení ještě podstatně snazší, protože i nepatrná ztráta dat se silně projeví na kvalitě obrazu a jediné, čím se analogový přenos obrazu „brání“, je vysílací výkon.

RC vysílače

Tady je situace složitější, protože se vyskytují v zásadě dva typy přenosu, a to DSSS (vysílání na jednom (širokopásmovém) stabilním kanále) a FHSS (vysílání střídavě na mnoha úzkopásmových kanálech). Výkon vysílačů je obvykle do 100 mW, tedy v porovnání s ostatními zdroji signálu není zanedbatelný.

Vysílače s DSSS využívají jeden kanál, který je v čase poměrně silně vytížen, na dané frekvenci se vysílá často přes 50% času (nepracuje trvale). Tyto vysílače volí kanál z více možnosti automaticky, rozhodují se po zapnutí podle toho, kde najdou neobsazenou část spektra, ale jednou zvolený kanál už nemění.

Tyto vysílače jsou poměrně snadno zarušitelné, jakmile se na jejich frekvenci objeví jiný dostatečně silný signál, je problém. To se týká hlavně jejich provozu současně s videovysílači nebo WiFi, které mají pevně (přepínačem) nastavenou frekvenci a jsou-li zapnuty později než RC vysílač (nemají možnost se vyhnout), budou se vzájemně silně rušit. K rušení ale dochází i obráceně, RC vysílač po zapnutí nemusí v daném okamžiku zjistit na kanálu přítomnost signálu a vybere si ho, přestože stejný kanál už je používán (pulzně) jiným zařízením.

Vysílače s FHSS využívají pro přenos větší počet (zde 16) zřetelně oddělených úzkopásmových kanálů, které pravidelně podle určitého algoritmu střídají. Kanálů může být podstatně více, třeba systém Futaba FASST jich využívá zhruba 80. Pojem „kanál“ zde má dost volný význam a co výrobce, to jiná definice odstupu kanálů i jejich šířky. Před signály jiných vysílačů „neuhýbají“, pokud projde třeba jen 10% datových paketů, je ovládání bezproblémové, i když s nepatrně delší odezvou, než při volném pásmu. Vytížení konkrétní frekvence je malé, něco kolem 2 % (u některých jsou to desetiny procenta), takže s jinými vysílači FHSS se víceméně „míjí v čase“.

To „míjení v čase“ a vytížení frekvenčního pásma si můžeme představit příměrem z vesmíru, který se někdy používá. Při pohledu nám vzdálená galaxie připadá jako plošný, velký a souvislý útvar plný hmoty. Kdybychom ale přiletěli dovnitř této galaxie, je to jen prázdno, tu a tam hvězda, které vzájemně dělí vzdálenost počítaná ve světelných rocích. Ta hmota tam opravdu je, ale je koncentrovaná do vzájemné vzdálených hvězd, mezi nimiž je spousta prázdnoty.

Byly zkoušeny situace, kdy na jednom místě (v jedné hale) pracovalo současně přes 50 ovládacích vysílačů FHSS a z hlediska funkce se vzájemně nerušily, i když ztráty dat kvůli kolizím musely být velké.

FHSS vysílače je dost těžké zarušit, protože signál většinou projde a mine se s rušením buď frekvencí (videovysílače, WiFi, ..) nebo v čase (jiné FHSS). Naopak to ale neplatí, vysílač FHSS bude rušit třeba analogový videopřenos ať jej nastavíme na kterýkoli kanál v pásmu, protože typicky při (analogovém) videopřenosu už je ztráta 1% dat v obraze velice silně znát a v podstatě ho znehodnotí.

U některých vysílačů a signálů je problém, kam je zařadit. Využívají sice pravidelné přeskakování mezi kanály (jako FHSS), ale těch kanálů je velmi málo, třeba starší vysílače Spektrum používají dva, uvedený vysílač Walkera Devo 10 tři. Tento režim spojuje vlastnosti jak DSSS tak FHSS, ovšem nejde říci, že by si z obou bral to lepší. V konkrétní situaci na obrázku je signál poměrně dobře zarušitelný signálem WiFi na kanálu 1 nebo jedním videovysílačem ve spodní třetině pásma.

Mikrovlnné trouby

Mikrovlnné trouby jsou frekvencí posazeny do pásma 2,4 GHz a pracují se značným rozptylem frekvencí, takže pokrývají téměř celé pásmo. Jejich signál je slabší na okrajích pásma, takže při kolizi s podobným zdrojem rušení má smysl zkusit třeba pro WiFi nastavit kanál 1 nebo 13, ale u silnějších rušivých signálů to nepomůže.

Mikrovlnka vysílá téměř nepřetržitě, míjení signálů v čase je v podstatě vyloučené. Ale to hlavní je výkon. Zatímco třeba komunikace ZigBee pracuje s výkony 0,001 W, WiFi a modelářské vysílače do 0,1 W, typická trouba s výkonem až 1000 W. Pokud by tento výkon byl vyzářen celý do vnějšícho prostoru (to už by bylo pro blízké osoby velmi nebezpečné), zlikvidoval by prakticky celou komunikaci v pásmu 2,4 GHz v širokém okolí a blízká zařízení by dokonce zničil. To se naštěstí nestává, ale i únik 0,1% energie nedovírajícími dvířky nebo poškozeným stíněním v jejich okně má pořád 10x až 1000x vyšší výkon, než výkony, které používáme ke komunikaci, spolehlivě ruší.

Pokud přestane komunikace v pásmu 2,4 GHz fungovat v blízkosti spuštěné mikrovlnné trouby, nemělo by to být nic překvapivého. Regulace výkonu u trouby je dělaná tak, že se generování vln magnetronem spíná s určitou střídou. Je to vlastně PWM regulace, ale velmi pomalá, perioda je v jednotkách či spíše desítkách sekund. Když se tedy objevují pravidelné výpadky, bude to kolize se signálem z mikrovlnky skoro jistě. V některých případech přitom může být mikrovlnka třeba i za panelovou stěnou (u sousedů), nemusí být v bezprostědní blízkosti.

---

Znát vlastnosti přenosu v pásmu 2,4 GHz se vyplatí a dovolí to především předcházet problémům, jejichž konkrétní příčina se následně v praxi docela těžko hledá bez specializovaných přístrojů.