Eckdaten

Durch die Änderungen in den normativen Anforderungen ist die Adaptivität zu einem zentralen Punkt bei der Prüfung von Breitband-Datenübertragungssystemen geworden. Entwickler sollten sich bereits eingehend mit diesem Thema beschäftigt und ihre Produkte entsprechend fit gemacht haben.

„Alles ist viel besser mit Bluetooth“ [1] wird schon in der Fernsehserie „The Big Bang Theory“ behauptet. Und zusätzlich zu Bluetooth braucht ein Gerät auch noch eine WLAN-Verbindung. So kommuniziert die Heizung mit dem Handy, wann sie beginnen soll, die Wohnung zu erwärmen oder die Waschmaschine sendet dem Benutzer eine E-Mail, dass die Wäsche fertig ist. Die Anwendungsmöglichkeiten für die Datenübertragung per Funk sind also unbegrenzt, die dafür erforderlichen Frequenzressourcen aber leider nicht. Zur Verfügung stehen das für bereits sehr viele verschiedene Anwendungen verwendete 2,4-GHz-ISM-Band und der noch deutlich weniger genutzte 5-GHz-Bereich für RLAN. Damit Geräte mit unterschiedlichsten Sendepegeln im selben Frequenzband nebeneinander funktionieren können, werden verschiedene Übertragungsverfahren eingesetzt. Bei Bluetooth ist es das FHSS-Verfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum), während für WLAN in der Regel eine Form des DSSS-Verfahrens (Direct Sequence Spread Spectrum) eingesetzt wird. Um eine optimale Nutzung der kostbaren Frequenzressourcen zu ermöglichen, müssen beide Systeme aufeinander hören. Und hier kommt Adaptivität ins Spiel.

Was ist Adaptivität?

Als adaptiv gilt ein Gerät, wenn es in der Lage ist, sich seiner Umgebung anzupassen, indem es andere Sender innerhalb des Frequenzbandes erkennt und entsprechend reagiert. Diese Reaktion ist abhängig von der Art der Modulation. Dabei wird zwischen Geräten, die wie bei Bluetooth nach dem Frequenzsprungverfahren FHSS arbeiten, und allen anderen Modulationsarten unterschieden, zu denen zum Beispiel auch DSSS gehört.

Bild 1: Gleichzeitiges Senden nicht-adaptiver Systeme führt zu Kollisionen.

Bild 1: Gleichzeitiges Senden nicht-adaptiver Systeme führt zu Kollisionen.EMV Testhaus

Stellt ein FHSS-Gerät fest, dass ein oder mehrere Kanäle von einem anderen System belegt werden, entfernt es diese aus seiner Liste der verfügbaren Kanäle und springt sie dann nicht mehr an. Solcher Störer in der Umgebung können zum Beispiel WLAN-Funknetze sein, die auf jeweils einem bestimmten Kanal im 2,4-GHz-ISM-Band senden. Versucht ein nicht-adaptives Bluetooth-Gerät dort ebenfalls Daten zu übertragen, kommt es wie in Bild 1 dargestellt zu Kollisionen.

In Bild 2 verwendet das Bluetooth-Gerät Adaptivität, wodurch es den blockierten Kanälen ausweicht und nur noch die ungestörten Kanäle für seine Übertragung nutzt.

Bild 2: Dargestellt ist ein adaptives Bluetooth-System. Dieses System weicht den blockierten Kanälen aus und nutzt ungestörte Kanäle für seine Übertragung.

Bild 2: Dargestellt ist ein adaptives Bluetooth-System. Dieses System weicht den blockierten Kanälen aus und nutzt ungestörte Kanäle für seine Übertragung.EMV Testhaus

Bei allen von FHSS verschiedenen Modulationsarten ist es erforderlich, das Senden auf einem Kanal innerhalb einer bestimmten Zeit zu beenden, sobald erkannt wird, dass ein anderes System diesen Kanal verwendet. Die Kommunikation wird dann auf einem freien Kanal fortgesetzt. Ein adaptives WLAN-System wechselt also den Kanal, sobald es feststellt, dass ein anderes System diesen beansprucht. Dadurch sollen insbesondere auch nicht-adaptive Systeme mit geringer Sendeleistung genügend Ressourcen zur Datenübertragung erhalten.

Für die Erkennung eines anderen Senders sind verschiedene Verfahren zulässig. So kann zum Beispiel durch Feststellen einer Interferenz bei gleichzeitigem Senden ermittelt werden, dass der Kanal bereits belegt ist. Das bekannteste und am häufigsten genutzte Verfahren ist aber „Listen Before Talk“ (LBT), bei dem der Empfänger prüft, ob der Kanal durch einen anderen Sender belegt ist, bevor er das Senden auf diesem Kanal freigibt (Clear Channel Assessment beziehungsweise CCA).

Was sich normativ geändert hat

Seit dem 1. Januar 2015 ist gemäß dem Amtsblatt der Europäischen Union [7] die Konformitätsvermutung für die Vorgängerversionen der Normen ETSI EN 300 328 V1.8.1 [2] und  ETSI EN 300 893 V1.7.1 [3] abgelaufen. Die Konformität von neu in den Verkehr gebrachten Breitband-Datenübertragungssystemen kann also nur mehr nach diesen Ausgaben der Normen erklärt werden.

Was bisher galt

Gemäß ETSI EN 300 893 V1.6.1 [5] war die Adaptivität nur für Systeme mit einer belegten Bandbreite (Occupied Bandwidth) von mehr als 40 MHz gefordert, weshalb viele Systeme nicht betroffen waren. Die Norm ETSI EN 300 328 V1.7.1 [6] forderte nur ein sogenanntes „Medium Access Protocol“, dessen Funktionsweise der Hersteller definieren konnte und für das in der Norm keine Prüfung vorgesehen war. Dem Hinweis im Amtsblatt der Europäischen Union, dass dessen Wirksamkeit zu überprüfen sei, schenkte man wenig Beachtung.

Was seit dem 01.01.2015 gilt

Laut ETSI EN 300 893 V1.7.1 [3] ist die Adaptivität jetzt für alle Geräte gefordert. In die ETSI EN 300 328 V1.8.1 [2] wurde die Adaptivität neu aufgenommen. Systeme mit einer Sendeleistung von mindestens 10 mW müssen entweder adaptiv sein, oder einen sogenannten „Medium Utilisation (MU)“-Faktor von maximal 10 % einhalten. Dieser MU-Faktor hängt direkt mit dem „Duty Cycle“ zusammen, also dem Verhältnis der Zeit, in der der Sender aktiv ist, zu einer festgelegten Beobachtungszeit. Deshalb ist der MU-Faktor in der Regel nur bei geringen Datenraten eine sinnvolle Option. Daran hat sich auch in der gerade erschienenen Version 1.9.1 nichts geändert. Bis diese aber zusammen mit einer Übergangsfrist für die Vorgängernorm im Amtsblatt der Europäischen Union [7] aufgeführt ist, sollte die Version 1.8.1 verwendet werden.

Messtechnische Überprüfung der Adaptivität

Während die Herausforderung für die Hersteller der Funksysteme in der Implementierung der Adaptivität besteht, ist es für die Prüflabore deren Verifikation. Viele in den Normen beschriebenen Prüfabläufe lassen sich nicht mehr mit einzelnen Prüfgeräten realisieren. Vielmehr wird ein Testsystem aus mehreren Komponenten benötigt, bei dem die Software zur Steuerung dieser Komponenten eine zentrale Rolle einnimmt, um zeitkritische Abläufe zu synchronisieren. Deshalb wird im EMV Testhaus das von Rohde & Schwarz speziell für die beiden ETSI-Normen EN 300 328 und EN 300 893 entwickelte Testsystem TS8997 eingesetzt, das mit einer erweiterten Version der Prüfsoftware EMC32 gesteuert wird.

Bild 3: Dargestellt ist der Aufbau zur Überprüfung der Adaptivität eines Gerätes.

Bild 3: Dargestellt ist der Aufbau zur Überprüfung der Adaptivität eines Gerätes.EMV Testhaus

Bild 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau zur Überprüfung der Adaptivität. Aus Gründen der größeren Dynamik und besseren Reproduzierbarkeit wird bevorzugt leitungsgebunden geprüft. Im Falle eines bidirektionalen Datenaustausches kommuniziert der Prüfling mit einer entsprechenden Gegenstelle (Companion Device). Um die Kommunikation des Prüflings beobachten und messtechnisch erfassen zu können, wird über einen „Splitter“ das Signal zum Eingang eines Spektrumanalysators geleitet, der sich im „Zero Span“-Modus befindet und damit den Zeitverlauf des Sendesignals bei der eingestellten Frequenz wiedergibt. Über einen „Combiner“ und einen Richtkoppler (Direct Coupler) werden mit den entsprechenden Signalgeneratoren das fremde Nutzsignal, auf das der Prüfling reagieren soll (Interferer) und ein Blocking-Signal (Blocker) eingespeist.

Das Blocking-Signal, mit dem überprüft werden soll, ob sich der Empfänger durch ein Störsignal knapp unter beziehungsweise oberhalb der Bandgrenzen so beeinflussen lässt, dass er das Nutzsignal nicht mehr erkennt und den Kanal fälschlicherweise wieder freigibt, ist unmoduliert und lässt sich mit jedem handelsüblichen Signalgenerator erzeugen. Für das Nutzsignal benötigt man dagegen einen vektoriellen Signalgenerator. Um einen fremden Sender simulieren zu können, muss der Generator I/Q-Modulation beherrschen, damit man die gewünschte digitale Modulation einstellen kann. Vor der eigentlichen Prüfung müssen die Dämpfungswerte aller Signalpfade ermittelt und in der Software abgelegt sein, damit sich in diesem Messaufbau korrekte absolute Werte am Prüfling einstellen und am Spektrumanalysator messtechnisch erfassen lassen.

Ablauf eines Tests eines adaptiven FHSS-Geräts

Bidl 4: Zeitlicher Ablauf eines Tests eines adaptiven FHSS-Geräts.

Bidl 4: Zeitlicher Ablauf eines Tests eines adaptiven FHSS-Geräts.EMV Testhaus

Bild 4 zeigt den zeitlichen Ablauf eines Tests eines adaptiven FHSS-Geräts, wie er beispielhaft auch im von der Prüfsoftware erstellten Bericht enthalten ist. In Phase 1 ist der ungestörte Betrieb des Prüflings zu sehen. Sowohl das fremde Nutz-, als auch das Blocking-Signal sind ausgeschaltet. Nach dem Einschalten des fremden Nutzsignals („interferer“), erkennbar durch die Erhöhung des Rauschpegels, muss das adaptive Gerät innerhalb einer „Channel Occupancy Time“ („COT“) das Senden auf diesem Kanal einstellen. „COT“ ist die Zeit, in der ein Gerät auf einem Kanal sendet, ohne dass es erneut überprüft, ob dieser Kanal frei ist. Solange das fremde Nutzsignal anliegt, darf der Kanal vom Prüfling nicht mehr verwendet werden. Um das zu überprüfen wird der Pegel für den Video-Trigger des Spektrumanalysators so eingestellt, dass jedes Senden eine Fortsetzung des Traces auslöst und damit von der Software ausgewertet werden kann.

In Schritt 2 ist ein kurzes Sendesignal zu erkennen, obwohl das fremde Nutzsignal noch anliegt. Wenn dieses kurze Sendesignal eine sogenannte „Short Control Signalling Transmission“ ist (zum Beispiel ein ACK/NACK-Signal) und überschreitet die Häufigkeit dieser Signale einen bestimmten „Duty Cycle“ nicht, so sind diese kurzen Sendesignale zulässig. Durch das Einschalten des Blocking-Signals („blocker“) in Schritt 3 darf der Empfänger nicht so gestört werden, dass er den Kanal wieder freigibt, obwohl das fremde Nutzsignal („interferer“) noch anliegt.

Für die verschiedenen Übertragungs- und Erkennungsverfahren gibt es spezielle Anforderungen und leicht abgewandelte Prüfmethoden, sodass es einer ausgefeilten Software bedarf, um diese verschiedenen Fälle richtig zu bewerten.

Entwickler, die keine Eigenentwicklungen sondern Module von Zulieferern einsetzen wollen, müssen darauf achten, dass diese den harmonisierten ETSI-Normen ETSI EN 300 328 V1.8.1 [2] bzw. EN 300 893 V1.7.1 [3] entsprechen. Ist dies nicht der Fall, so führt kein Weg an einer Prüfung nach diesen Normen vorbei. Und dabei stellt sich nicht selten heraus, dass längst nicht alle Geräte, die als adaptiv deklariert wurden, es auch sind.

Quellenverzeichnis

[1] The Big Bang Theory, Staffel 2

[2] ETSI EN 300 328 V1.8.1 (2012-06): „Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Wideband transmission systems; Data transmission equipment operating in the 2,4 GHz ISM band and using wide band modulation techniques; Harmonized EN covering the essential requirements of article 3.2 of the R&TTE Directive”

[3] ETSI EN 301 893 V1.7.1 (2012-06): “Broadband Radio Access Networks (BRAN); 5 GHz high performance RLAN; Harmonized EN covering the essential requirements of article 3.2 of the R&TTE Directive”

[4] http://www.design-reuse.com/articles/5715/adaptive-frequency-hopping-for-reduced-interference-between-bluetooth-and-wireless-lan.html

[5] ETSI EN 301 893 V1.6.1 (2011-11): “Broadband Radio Access Networks (BRAN); 5 GHz high performance RLAN; Harmonized EN covering the essential requirements of article 3.2 of the R&TTE Directive”

[6] ETSI EN 300 328 V1.7.1 (2006-10): „Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Wideband transmission systems; Data transmission equipment operating in the 2,4 GHz ISM band and using wide band modulation techniques; Harmonized EN covering the essential requirements of article 3.2 of the R&TTE Directive”

[7] Veröffentlichung der Titel und der Bezugsnummern der harmonisierten Normen im Sinne der Harmonisierungsrechtsvorschriften der EU bezogen auf die Richtlinie 1999/5/EG (R&TTE): http://ec.europa.eu/growth/single-market/european-standards/harmonised-standards/rtte/index_en.htm