Multiple Access Verfahren bei R/C-Anlagen
oder:
Wie halte ich zwei Sender auseinander?

Frank Tofahrn

Grundsätzliches

Im praktischen Betrieb von R/C-Anlagen tritt immer wieder (und teilweise sehr kostenträchtig) das Problem auf, dass zwei Sender am gleichen Ort zur gleichen Zeit auf der gleichen Frequenz senden. Unsere Modelle (insbesondere Flieger) reagieren darauf oft mit plötzlichem Ableben und hinterlassen tiefe Löcher in der Wiese. Die Ursache liegt im Normalfall in der mangelnden Disziplin bzw. fehlenden Kommunikation der Piloten bei der Frequenzkoordination, aber auch in den Eigenheiten der Funkausbreitung im verwendeten Frequenzbereich. Im Folgenden soll beleuchtet werden, ob bzw. wie dieser Konflikt (zunächst mal rein theoretisch) geräteseitig vermieden werden könnte. Die Frage ist also, wie mehrere gleichzeitig betriebene Sender auf der Empfängerseite auseinander gehalten werden können. Dazu bedient sich die Nachrichtentechnik verschiedener „Domains“. Auf einige davon möchte ich hier näher eingehen. Ferner soll die Möglichkeit der Nutzung dieser Domains für R/C-Systeme mit erhöhter Sicherheit skizziert werden.

Die Frequency-Domain

Das ist die Technik, die uns nun schon seit etlichen Jahrzehnten in unveränderter Form verkauft wird. Jeder Sender sendet auf einer anderen Frequenz und daher kann der Empfänger, da er auf diese Frequenz eingestellt ist, eindeutig „seinen“ Sender aus allen anderen Sendern „heraushören“. Die Information des „eigenen“ Senders wird von anderen Sendern nicht gestört. Dies ist in der Funktechnik das beliebteste Verfahren und wird daher in unzähligen anderen klassischen Funkdiensten (Rundfunk, Fernsehen, usw.) verwendet. Allerdings ist hier der Senderbetreiber für die geeignete Wahl der Sendefrequenz zuständig und da gibt es (nicht nur bei R/C-Anlagen) ein allgegenwärtiges Koordinationsproblem, das vorzugsweise zwischen den Ohren des Betreibers liegt. Das Verfahren nennt sich im Fachchinesisch FDMA (Frequency Division Multiple Access). Dazu ein Bild:

Es wurde ein Beispiel mit vier Sendern und vier Frequenzen gewählt (wg. der Übersichtlichkeit). Jeder Sender ist auf seiner Frequenz zu 100% in der ihm zur Verfügung stehenden Zeit aktiv.

Die Time-Domain

Hier können nun alle auf der gleichen Frequenz senden, nur eben nicht zur gleichen Zeit. Mehrere Sender teilen sich eine Frequenz (Kanal) zur gemeinsamen Nutzung. Da immer nur einer sendet, gibt es keine gegenseitigen Störungen und jeder Sender ist anhand des Sendezeitpunkts eindeutig identifizierbar. Ein Benutzereingriff ist dabei allerdings wenig sinnvoll. Das müssen die Systeme in Eigenregie unter sich aushandeln. Dieses Verfahren ist ebenfalls extrem beliebt und wird z.B. bei GSM (auf einen Kanal bezogen) angewendet. Damit ist das oben erwähnte Problem zwischen den Ohren schon mal ausgeschlossen, da diese noch so viel wackeln können; sie haben keinen negativen Einfluss mehr. Diese Methode wird als TDMA (Time Division Multiple Access) bezeichnet. Dazu ebenfalls ein Bild.

Wie hier zu sehen ist, senden alle Sender nacheinander. Wenn jeder einmal dran war, geht es wieder von vorne los.

Die Code-Domain

Man kann die zu übertragende Information auch in einen eindeutigen Code packen und damit die Unterscheidung der Sender sicherstellen. Dann können alle zur gleichen Zeit auf der gleichen Frequenz senden und der Empfänger kann trotzdem alles wieder auseinandersortieren. Dieses Verfahren ist allerdings nur noch durch „künstliche Intelligenz“ realisierbar. Die natürliche Dummheit und die wackelnden Ohren (und das Problem dazwischen) sind da ganz außen vor. Diese Technik nennt sich CDMA (Code Division Multiple Access). Ebenfalls ein Bild dazu:



Dabei senden alle Sender zur gleichen Zeit auf der gleichen Frequenz, aber mit unterschiedlichen Codes und bleiben dadurch für den Empfänger unterscheidbar.

Es gibt noch andere „Domains“, die theoretisch zur Identifizierung verschiedener Sender dienen könnten. Ich erspare mir hier allerdings die Beschreibung dieser Verfahren, da diese technisch nicht gut realisierbar und teilweise etwas esoterisch sind.

Was will ich damit sagen?
Es gibt also offenbar bereits einige Methoden, die es ermöglichen, mehrere Sender zur gleichen Zeit am gleichen Ort zu betreiben und die dennoch auf der Empfangsseite auseinander gehalten werden können. Und jetzt kommt das Geile (nein, nicht die Dame in Blau und der Geiz). Man kann diese Verfahren nicht nur kombinieren, sondern ihre Koordination obendrein noch automatisieren.

Es stehen, wie oben dargelegt, drei unabhängige Unterscheidungskriterien (Frequency-, Time- und Codedomain) zur Verfügung, um einzelne Sender auseinander zu halten und ihre Signale voneinander zu trennen. Würde man alle diese Merkmale nutzen, hätte man einen dreidimensionalen Raum zur Verfügung, in dem die Sender verteilt werden könnten. Bei der heute üblichen Technik wird nur eine der drei Dimensionen genutzt (die Frequenz), was den Platz deutlich einschränkt. In einem Zimmer ist nun mal mehr Platz als auf einem Draht (Unterschied zwischen ein- und dreidimensional). Was kann man also tun, um diesen dreidimensionalen Raum verfügbar zu machen? Dazu sollte man erst mal jede Domain separat betrachten.

In der Frequency-Domain wäre es z.B. vorstellbar, dass die einzelnen Systeme selbst nachschauen, welche Frequenz frei ist, sich einen unbenutzten Kanal aussuchen und diesen dann verwenden. Analoge (CT1, CT1+, usw.) und digitale (DECT) Schnurlostelefone verfahren z.B. so.

Ein anderer Ansatz wäre, alle Sender ständig so die Frequenz wechseln zu lassen, dass sie sich nur selten auf der gleichen Frequenz treffen. Es senden zwar alle simultan, aber eben nicht auf der gleichen Frequenz. Bluetooth macht’s so. Das nennt sich dann Frequency-Hopping oder FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum).

In der Time-Domain wäre denkbar, dass jedem Sender ein Zeitabschnitt (Timeslot) zugeteilt wird, in dem er senden darf. Eine passende Koordination des Verfahrens vorausgesetzt, können so alle auf der gleichen Frequenz senden; sie tun es nur nicht zur gleichen Zeit. Beispielsweise DECT und GSM nutzt diese Strategie. (DECT und GSM sind Hybrid-Systeme, die sowohl die Frequency- als auch die Time-Domain nutzen).

In der Code-Domain könnte man jedem Sender einen eigenen Code zuweisen (vorzugsweise automatisch), anhand dessen die Empfänger „ihren“ Sender erkennen können. Dann senden zwar alle zur gleichen Zeit auf der gleichen Frequenz, sind aber trotzdem unterscheidbar. Das wird z.B. vom GPS genutzt (alle GPS-Satelliten, da gibt’s viele, senden auf der gleichen Frequenz). Das Verfahren wird als DSSS (Direct-Sequence-Spread-Spectrum) bezeichnet.

Also, alles nix Neues. Ist alles schon mal da gewesen.

Es existieren mittlerweile R/C-Anlagen, die einen Teil der hier geschilderten Verfahren nutzen. Da sind zunächst die Systeme, die gleichzeitig auf zwei Frequenzen senden und auf der Empfängerseite ein Frequenzdiversity mit zwei Empfängern haben. Diese Technik nutzt die Unterscheidung in der Frequency-Domain und geht prinzipiell in Richtung FHSS (obwohl es kein Frequency-Hopper ist). Ein anderer Ansatz ist das aus den USA stammende SPECTRUM-System, das ein echtes DSSS-System ist. Dieses Verfahren ist allerdings im Bereich der EU nicht einsetzbar, da es den EU-Regeln für Funksysteme nicht entspricht. Kombiniert man nun diese drei Strategien, also FDMA, TDMA und CDMA, hätte man ein System, bei dem der Sender gleichzeitig drei Kriterien erfüllen muss, um empfangen zu werden. Erfüllt ein Sender nur eines dieser Kriterien nicht, wird er nicht empfangen und stört auch nicht wesentlich.

Das hört sich jetzt so an, als ob bereits alle Probleme gelöst wären. Nur hat die ganze Sache einen gewaltigen Pferdefuß. Die Physik spuckt uns da nämlich ordentlich in die Suppe. Das große Problem heißt „Kanalkapazität“. Dazu ein Beispiel: Im traditionellen 10kHz-Raster ist bei einer Datenrate von ca. 3,3kBit/s der Kanal mit einem FM-Signal ausgelastet. Der Kanal wäre durch andere Modulationsarten zwar effektiver zu nutzen, aber 30 Sender passen auch da nicht rein. Um die Datenmenge mittels der traditionellen Systeme zu übertragen, werden 100% der Zeit benötigt. Wollte man auf der Zeitachse mehrere Sender unterbringen, würde die Datenrate für den einzelnen Sender durch die Anzahl der Sender dividiert, und es ist so schon zu langsam. Bei einer Kodierung (CDMA) wird für eine sichere Unterscheidung ein Vielfaches der ursprünglichen Datenmenge und somit eine wesentlich höhere Bandbreite benötigt. Da klappt es dann mit den 10kHz nicht mehr. Hinzu kommt noch, dass in den jetzigen Frequenzbändern für R/C-Anlagen neue Systeme so gestaltet sein müssten, dass die alten Anlagen weiterhin betrieben werden könnten. Außerdem ist dort ein Rückkanal nicht realisierbar. Diese Rahmenbedingungen bremsen praktisch jede technische Innovation aus. Der Einsatz von FHSS- oder DSSS-Verfahren kommt daher dort nicht in Frage, da diese nicht kompatibel zu „alten“ Anlagen sind und diese massiv stören würden.

Man wird sich wohl oder übel an den Gedanken gewöhnen müssen, beim Einsatz neuer Technologien den traditionellen Frequenzbereichen den Rücken zu kehren. Entweder brauchen wir neue Frequenzbereiche, für die dann aber erst das regulatorische Umfeld geschaffen werden muss. Oder man schaut sich um, welche anderen Frequenzbereiche verfügbar und nutzbar sind. Die Hoffnung auf neue Frequenzzuteilungen kann nur sehr langfristig angelegt sein und ist daher für eine kurz- oder mittelfristige Implementation ungeeignet. Bleibt also nur der Blick über den Tellerrand von 35/40MHz. Also wagen wir mal den Blick: Von der funktechnischen Anwendungsklassifizierung her ist eine R/C-Anlage ein sog. SRD (Short Range Device). Für SRDs gibt es zahlreiche Frequenzzuweisungen von Kurzwelle bis in den hohen Mikrowellenbereich, die für R/C-Anlagen nutzbar wären. In einem dieser Frequenzbereiche könnte man sich niederlassen.

Wie würde also ein innovatives, möglichst realisierbares und störungsresistentes R/C-System aussehen? Machen wir doch mal ein Gedankenexperiment.

Stellen wir uns vor, wir hätten ein System, dass die oben beschriebenen drei Domains ausnutzt. Das System würde beim Einschalten alle drei Domains beobachten und eine freie Kombination der Kommunikationskanäle in diesen drei Dimensionen auswählen und dort eine Verbindung herstellen.

Stellen wir uns weiter vor, dass es eine ständige, BEIDSEITIGE (also bidirektionale) Kommunikation zwischen „Sender“ und „Empfänger“ gäbe, so dass nicht nur Steuerkommandos vom Piloten zum Modell, sondern auch Informationen vom Modell zum Piloten übertragen werden könnten. Dadurch wäre z.B. die Möglichkeit eröffnet, eine Störung in der Funkverbindung zu erkennen und Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Ein „Telemetriekanal“ vom Modell zum Piloten steht dabei sozusagen als Abfallprodukt mit zur Verfügung.

Stellen wir uns ferner vor, der gewählte Kommunikationskanal würde gestört. In diesem Fall würde innerhalb kürzester Zeit eine neue, ungestörte Verbindung aufgebaut, völlig ohne Zutun des Piloten, weil der die Störung nämlich nicht mal bemerken würde.

Stellen wir uns schließlich vor, dass alles das ohne Eingriffsmöglichkeit des Benutzers vollautomatisch geschieht, so dass die künstliche Intelligenz über die natürliche Dummheit triumphieren kann.

Wäre doch Klasse, oder?

Und das Geile daran ist (nein, immer noch nicht die Dame in Blau-Metallic), es ist realisierbar!

In dem, was oben beschrieben wurde, ist nichts enthalten, was die Erfindung des Perpetuum Mobiles, die Quadratur des Kreises oder die Zeitreise voraussetzt. Es gibt genügend Systeme, in denen solche Strategien teilweise oder komplett implementiert sind. Es müsste nur mal für den R/C-Bereich adaptiert werden.

Was hätten wir in der Praxis davon?

Nun, wir hätten ein System, das zunächst mal eine wesentlich höhere Datenrate bietet, wenn man den traditionellen 35/40MHz den Rücken kehrt und ein Frequenzband wählt, das mehr Bandbreite zur Verfügung stellt und damit die höheren Datenraten ermöglicht.

Wir hätten ein System, das die Koordination des Übertragungskanals automatisch durchführt und sich im Störungsfall selbst neu organisiert.

Wir hätten einen Rückkanal, der dem Piloten Informationen über die Qualität des Übertragungskanals und nebenbei noch beliebige Telemetriedaten (z.B. Vario, Strom, Temperatur usw.) liefern könnte.

Wir hätten bei geschickter Implementation keine Probleme mehr mit „Funklöchern“, mit „Wildfliegern“ und mit dem Frequenzkoordinationsproblem zwischen den Ohren des Vereinskollegen.

Wir hätten endlich mal etwas substanzielles für die Verbesserung der Sicherheit getan.

Manch einer der wenigen Leser, die bis hierhin durchgehalten haben, werden vielleicht vom Autor denken:
“Was für ein Spinner“.

Dann möchte ich aber mal ganz vorsichtig die Hand heben. Nichts von dem, was hier beschrieben wurde, ist ein Hirngespinst, sondern durchweg schon seit längerer Zeit erfolgreich implementierte und an jeder Straßenecke käufliche Technik. Denkt mal an euer Handy, euer Schnurlostelefon oder euer Navigationssystem!

Für den hier skizzierten Lösungsansatz stehen direkt verwendbare, hochintegrierte Chips zur Verfügung, die wesentliche Funktionen in Silizium gegossen „on Chip“ erledigen. Von daher halten die oben skizzierten Visionen der Konfrontation mit der knallharten Realität durchaus stand und sind mit diesen verfügbaren Chips realisierbar. So ganz spinnert sind die Gedankengänge daher also nicht.

Ich gebe allerdings zu, dass, gemessen am jetzigen Stand der R/C-Funktechnik, die obigen Überlegungen den Touch von Science Fiction haben. Das momentane Verfahren (FM) ist von der Theorie her locker 100 Jahre alt und damals wäre ein GSM-Handy auch SF gewesen.

Die obige Abhandlung beinhaltet keinerlei konkrete technische Einzelheiten, was normalerweise nicht meine Art ist. Nur ist es dummerweise so, dass das oben skizzierte System, wenn man alle technischen Implikationen in Betracht zieht, so komplex ist, das es den Rahmen dieses Beitrags bei Weitem sprengen würde. Die genaue technische Erläuterung wäre das berühmte Fass ohne Boden. Es war auch nicht meine Intention, ein durchentwickeltes System vorzustellen (das es im R/C-Bereich so nicht gibt), sondern mal darzulegen, was möglich wäre wenn..., also Denkanstösse zu geben.

Ich hoffe, dass mir zumindest das jetzt gelungen ist!

Holm und Rippenbruch, Frank

Weiterführend zum Thema: Spread-Spectrum, das unbekannte Wesen

 

Stand: 16.05.2008