Kopioi artikkelin PDF-versio
Hajaspektrimodulaatiossa informaatio hajotetaan käytettävissä olevalle taajuuskaistalle. Tekniikka (Spread Spectrum Technology) on ollut jo kauan käytössä sotilas- ja tiedustelusovelluksissa. Teollinen ja kaupallinen tutkimus ja kehitystyö pääsivät käyntiin, kun lainsäädäntöä muutettiin 1985. Tällöin sallittiin kolmen ISM-taajuusalueen (Industrial, Scientific and Medicine) 902928 MHz, 2,4002,4835 GHz ja 5,7255,850 GHz hajaspektritekniikkaan perustuva lisenssivapaa käyttö. Tutkimuksen ja piiriteknologian kehityksen myötä hajaspektritekniikan kaupallisia sovelluksia on jo saatavilla.
Hajaspektritekniikalla saavutetaan useita etuja. Perinteisessä kapeakaistaisessa tekniikassa keskitaajuudelle sattuva sähkömagneettinen häiriö voi hävittää signaalin kokonaan. Hajaspektritekniikassa vastaava häiriö hävittää vain kyseiselle taajuudelle sattuvan osuuden. Koska informaatio on hajotettu käytettävissä olevalle taajuuskaistalle, valtaosa signaalista jää redundanssin ansiosta jäljelle ja informaatio on helposti ilmaistavissa.
Sotilas- ja tiedustelukäyttöön erityisen soveltuvaksi hajaspektritekniikan tekevät seuraavat ominaisuudet: vaikeasti häirittävissä tahallisesti tai tahattomasti (redundanssi), epäherkkä interferenssihäiriöille (redundanssi), signaali vaikeasti havaittavissa (pieni teho) ja informaatio on helposti salattavissa (digitaalinen koodattu signaali). Nämä edut ovat nyt saatavilla myös teollis-kaupalliseen käyttöön.
Hajaspektrimodeemeissa, kuten perinteisissäkin radiomodeemeissa, on RF-osa (Radio Frequence) ja kantataajuusosa. RF-osan tehtävänä on siirtää signaali paikasta toiseen. Kantataajuusosa tulkitsee lähetteen ja sovittaa modeemin ympäristöönsä. Liitynnät ovat yleensä sarjamuotoisia (asynkroninen tai synkroninen) ja noudattavat yleisiä standardeja (RS232, RS485). Oman lukunsa muodostavat laitteet, joilla voidaan liittyä paikallisiin tietoverkkoihin (LAN) tai kenttäväyliin (Profibus, Interbus, LonWorks).
Radiomodeemin käyttöönotto ei juuri poikkea lankamodeemin käyttöönotosta. Yksinkertaisimmillaan sarjaväylä muutetaan langattomaksi kytkemällä radiomodeemit molempiin päihin. Kehittyneimmät modeemit huolehtivat tiedonsiirron virheettömyydestä ja virheellisen tiedon uudelleen lähettämisestä. Ne ovat "läpinäkyviä" järjestelmän mahdollisesti käyttämille protokollille. Uusimmissa modeemeissa dataliikennettä voidaan hallita ja modeemin asetuksia muuttaa dataliityntään käytettävän sarjaväylän kautta.
Pienikokoisina ja kevyinä radiomodeemit ovat helposti asennettavissa. Ympärisäteilevä antenni kiinnitetään itse modeemiin tai kaapelin avulla ulos. Pitempiä yhteyksiä haluttaessa on syytä käyttää suuntaavia antenneja. Näköyhteys antennien välillä auttaa yhteyden saamisessa. Hajaspektrimodeemit sietävät seinistä ja rakenteista aiheutuvaa monitie-etenemistä kapeakaistaisia järjestelmiä paremmin.
Edellä todettiin, että hajaspektrimodeemeissa lähetysteho tiettyä taajuutta kohti on hyvin pieni. Siitä johtuen ne eivät lähetä ympäristöönsä juuri havaittavia signaaleja. Niinpä ISM-taajuusaluella toimiville hajaspektrimodeemeille ei tarvita käyttölupaa useimmissa maissa. Riittää, että valmistaja on hakenut tuotteelleen tyyppihyväksynnän. Lähettimien maksimilähetysteho on rajoitettu Euroopassa sataan milliwattiin. Yhdysvalloissa sallitaan yhden watin maksimiteho.
Tyypillinen maksimitoimintaetäisyys on muutamia satoja metrejä. Joissakin lähteissä mainitut kymmeniä kilometrejä pitkät kantomatkat edellyttävät päätevahvistimia, jotka eivät enää kuulu lisenssivapauden piiriin.
Yksinkertaisimmillaan sarjaväylä muutetaan langattomasti kytkemällä radiomodeemit molempiin päihin (point to point). Modeemien avulla voidaan toteuttaa verkko, jossa yhteen modeemiin liitetty laite voi toimia masterina, joka kommunikoi vuorotellen muihin modeemeihin liitettyjen yksiköiden kanssa (point to multi point). Useampia hajaspektrimodeemeja voidaan asetella toimimaan erillisinä pareina samalla alueella (parallel communication).
Tyypillisiä hajaspektrimodeemin käyttökohteita ovat liikkuva kalusto, tehdasautomaatio, prosessiteollisuus ja palvelusektori. Langattoman yhteyden edut ovat parhaimmillaan silloin, kun kaapelointi on hankala järjestää tai se on alttiina ulkoisille vaurioille.
Elektrobit Oy:n tutkimus- ja tuotekehitystyön tuloksena on syntynyt hajaspektritekniikkaan perustuva radiomodeemi Sequence DT10. Modeemi liittyy ympäristöönsä asynkronisella sarjaliitynnällä (RS485, muuntimella myös RS232). Sen suurin tiedonsiirtonopeus on 115 kbps. Yksi huomattava sovellus tälle modeemille on pääkaupunkiseudun paikallisliikenteen rahastusjärjestelmä, jossa Buscom Oy on käyttänyt niitä.
Elektrobit Oy:n laajempiin tiedonsiirtosovelluksiin kuuluu miehittämättömään maanalaisten kaivoskoneiden ohjaukseen suunniteltu tiedonsiirtojärjestelmä WUCS (Wireless Underground Commucations System). Projektiin tähtäävä tutkimustyö aloitettiin 1995. Se käsitti radiokanavamallien tutkimista, simulointia, mittauksia todellisissa olosuhteissa sekä runsaasti laitteisto- ja ohjelmistokehitystä.
Liikkuvista maanalaisten koneiden ja maanpäällä olevan valvomon välillä välitetään videokuva ja ääni sekä digitaaliset ohjaussignaalit. Kaivoskoneissa olevassa Mobile Station -yksikössä on liitynnät kahdelle videokameralle, puheradiolle, koneen äänet havaitsevalle mikrofonille sekä dataliikenteelle (RS232,RS485, Profibus). Videokuva pakataan ennen lähettämistä. Tiedonsiirto koneesta kaivostunnelissa olevaan Base Station -yksikköön tapahtuu langattomasti hajaspektrimodeemeilla. Tieto kaivoskuilusta siirtyy maanpäällä olevaan valvomoon ATM-verkkoa käyttäen. Verkon siirtotienä käytetään valokaapelia.
Valvomoon saadaan korkealaatuinen tarkkuudeltaan 352x288 pisteen videokuva ja ääniyhteys maan alle. Kaivoksessa olevien koneiden lastaus ja purku kauko-ohjataan maanpäällä olevasta valvomosta. Miehittämättömät koneet kulkevat automaattisesti purku- ja lastauspaikan välillä.
Järjestelmän avulla lisätään maanalaisen kaivostyön tehokkuutta ja turvallisuutta. Järjestelmän käyttöönotto aloitettiin Kiirunassa viime vuoden loppupuolella. Tällä hetkellä LKAB teleoperoi neljää porauslaitteistoa WUCS-järjestelmän avulla.
Multimediasovellusten myötä on tullut tarve laajakaistaisten tietoverkkojen langattomiin laajennuksiin. GSM-verkkojen siirtonopeus 9600 bps ei ole riittävä videosignaalin siirtoon. AWACS (ATM Wireless Access Communications System) on kansainvälinen tutkimushanke, jossa Elektrobit Oy on mukana. Hankkeen tavoitteena on luoda eurooppalainen standardi (HIPERLINK) langattomaksi liittymäksi ATM-verkkoon 17 GHz:n taajuudella.
Elektrobitissä on tutkittu videosignaalin liittämistä langattomasti ATM LAN-verkkoon. Tutkimusten pohjalta on rakennettu koejärjestelmä, jossa on luotu kaksisuuntainen video- ja ääniyhteys rakennuksen eri osissa toimivien suunnittelu- ja tuotanto-osastojen välille. Suunnittelijan PC:hen on kytketty videokamera, mikrofoni ja kaiuttimet. PC:n näytöllä näkyy kuva tuotanto-osastolta, sekä pienennettynä oman kameran kuva. PC on kytketty valokaapelilla toteutettuun Elektrobitin ATM-verkkoon.
Tuotanto-osastolla samalla tavoin varustettu liikuteltava PC on kytketty projektissa mukana olevan japanilaisen NTT:n kehittämään 19 GHz:n taajuudella toimivaan ATM-yhteensopivaan laajakaistaiseen radiomodeemiin. Samanlainen radiomodeemi on kytketty Elektrobitin ATM-verkkoon.
Toteutetun järjestelmän suorituskyky on todettu hyväksi. Lisäksi kokeilu ja tutkimus ovat tuottaneet runsaasti tietoa, jota käytetään seuraavien sukupolven modeemien arkkitehtuurin suunnittelussa, antenniratkaisuissa ja käyttöskenaarioiden luomisessa.
Elektrobit on viime vuosina kohdistanut tutkimustaan radiokanavatietämyksen kehittämiseen ja suuren bittinopeuden langattomiin järjestelmiin. Yritys on kehittänyt osaamistaan tekemällä kanavamallitutkimusta, kehittämällä radiokanavamittalaitteita ja radiokanavasimulaattoreita. Se on mukana myös kansainvälisessä MEDIAN hankkeessa, jonka tavoitteena on seuraavan sukupolven langaton 155 Mbps:n ATM-liittymä 60 gigahertsin taajuudella.