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Kollisionswahrscheinlichkeit bei 2,4 GHz R/C-Systemen

Frank Tofahrn

Teil 1: Spezialfall Hesselberg

2,4 GHz R/C-Systeme arbeiten in einem Frequenzband, in dem man schon mal dann und wann mit anderen Systemen konfrontiert werden kann. In diesem Frequenzband ist man jetzt nicht gerade allein auf weiter Flur. Auf dem Modellfluggelände sind auch andere 2,4 GHz R/C-Anlagen in Betrieb. Die bisherige Erfahrung zeigt jedoch, dass ein Mischbetrieb von Anlagen unterschiedlicher Hersteller recht problemlos funktioniert.
Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit auch recht hoch, mit Systemen konfrontiert zu werden, die aus anderen Anwendungsbereichen stammen. Die möglichen Konkurrenzsysteme sind zahlreich, grenzen sich aber in der Realität auf einige wenige Anwendungen ein.
Abgesehen von anderen R/C-Systemen, was der häufigste Fall sein dürfte und Gegenstand einer separaten Betrachtung sein wird, gibt es da die Menschen mit dem Knopf im Ohr. Gemeint sind Bluetooth-Headsets. Ob man jetzt unbedingt während des Flugbetriebs telefonieren muss oder über das Handy Radio hören will, sei mal dahingestellt. Die aktuellen Bluetooth-Systeme kollidieren mit R/C-Anlagen allerdings nur in geringem Umfang. Die Betriebsparameter der R/C-Anlagen und der Bluetooth-Systeme stellen das sicher.
Ein weiterer Konkurrent sind WLAN-Systeme., die sich aber gegenüber R/C-Anlagen kooperativ verhalten und daher wenig Probleme bereiten. Diese Anwendungen sind, genauso wie R/C-Anlagen, auf 100 mW EIRP (Strahlungsleistung) beschränkt. Ein hypothetisches Störpotential ist nur dann gegeben, wenn der Störer näher am Modell ist als der eigene Sender und selbst dann ist die Störwahrscheinlichkeit sehr, sehr gering.
Anders sieht das bei Aussendungen von anderen Funkdiensten in diesem Frequenzbereich aus, die deutliche höhere Strahlungsleistungen nutzen dürfen. In letzter Zeit wird das Thema Amateurfunk, insbesondere die Situation des Fluggebiets Hesselberg, heiß diskutiert. Die Situation dort soll hier näher beleuchtet werden.

Am Hesselberg befindet sich ein Modellfluggebiet und ein Amateurfunkrelais, das auf mehreren Frequenzen sendet, in enger Nachbarschaft. Dies ist die Folge der von beiden Nutzern bevorzugten Lage oben auf dem Berg, da sowohl die Funkamateure als auch die Hangflieger eine Vorliebe für größere Höhen haben. Leider führt das zu der ungewöhnlichen Situation, dass eine der Ausgaben des Hesselberg-Relais sich in der Frequenz mit dem Frequenzbereich des 2,4 GHz-Modellfunks überschneidet. Der Bereich, der durch R/C-Anlagen genutzt werden kann, geht von 2400 – 2483.5 MHz. Im gleichen Frequenzbereich ist ein Amateurfunkband von 2320 – 2450 MHz angesiedelt.

Angesichts dieser Konstellation machen wir als Modellflieger zunächst mal ein dummes Gesicht. So ein Elend. Da funken doch tatsächlich noch andere Gestalten ’rum und die dürfen sogar richtig Power machen. Die regulative Lage ist die, dass ein Amateurfunkrelais als automatisch betriebene Funkstelle 15 W ERP (Equivalent Radiated Power) machen darf. Das entspricht einer EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) von ca. 24 W. Das hört sich, legt man die Maßstäbe des Modellfunks mit ihrem Limit von 100 mW EIRP zunächst mal an, als ob es gigantisch viel Leistung wäre, mit der da gearbeitet würde. Bei Licht betrachtet ist das aber nicht der Fall. Es ist eher so, dass 24 W EIRP ziemlich wenig und 100 mW ganz wenig Leistung sind. Der Unterschied in den Leistungen ergibt sich aus den Anforderungen an die Reichweite, bei der man im Modellfunk mit 1 – 2 km gut bedient ist. Im Amateurfunk sind dagegen Reichweiten im Bereich >100 km gefragt (bei entsprechenden Standorten).

Die Frage ist jetzt: “Beeinträchtigt uns das als Modellflieger eigentlich?“
Dazu muss zunächst untersucht werden, ob ein solches Amateurfunksystem den Betrieb von 2,4 GHz-Anlagen stören und damit dem Flieger schaden kann. Um die Antwort vorweg zu nehmen: Sie lautet JEIN!
Um dieser Problematik näher zu kommen, habe ich einige Simulationen der Konkurrenzsituation Relaisausgabe vs. Modellfernsteuerung durchgeführt.

Zunächst die Randbedingungen für die Simulation:

Seitens des Amateurfunkrelais:

Belegte Bandbreite: 16 MHz
Modulationsart: OFDM
Spectrumshape: Sog. Brickstone-Spectrum, d. h. die spektrale Leistungsdichte in den belegten 16 MHz ist überall weitgehend gleich. Damit ergibt sich eine spektrale Leistungsdichte von 1,5 W EIRP/MHz.
Betriebszeit: Relais kann jederzeit auf Sendung gehen, ohne vorher zu prüfen, ob der Frequenzbereich frei ist. Diese Möglichkeit ist weder für das Relais selbst noch für den Nutzer des Relais gegeben. Das kann auch nach dem Verbindungsaufbau der R/C-Anlage geschehen, also im Flug.
Sendedauer: Dauersender mit 100 % Duty-Cycle während des Sendebetriebs. Wenn der Sender aktiv ist, wird zumindest für mehrere Minuten ununterbrochen gesendet.
Diese Betriebsparameter sind für Relaisfunkstellen (nicht nur im Amateurfunk) typisch und üblich.

Seitens der Modellfernsteuerungen:

Fall 1:
„Echte“ Frequencyhopper, die das gesamte Band mit ausreichend vielen Frequenzen (hier 15 oder mehr) nutzen. Dazu wird hier exemplarisch das FASST-System betrachtet.

Fall 2:
Systeme, die abwechselnd zwei Frequenzen nutzen.
Dazu wird hier beispielhaft das Spektrum DSM2-System betrachtet.

In beiden Fällen werden eventuelle Vorteile durch die Anwendung von DSSS- oder FEC-Verfahren nicht in Betracht gezogen. Die Systemgewinne bei R/C-Anlagen sind für beide Verfahren relativ gering und werden daher nicht mit einbezogen. Da R/C-Sender und Relais im speziellen Fall Hesselberg üblicherweise ähnliche Abstände zum Modell haben, wird das von der Strahlungsleistung her deutlich stärkere Relais im Normalfall immer „gewinnen“. Die realisierbaren Systemgewinne werden kaum ausreichen, um den Unterschied in der Strahlungsleistung sicher zu kompensieren. Wäre das Relais ein paar Kilometer weit weg, sähe die Situation schon ganz anders aus.

Die R/C-Systeme spielen in dieser Betrachtung die Rolle des Victims (Opfers) und das Amateurfunkrelais die Rolle des Interferers (Störers). Man kann die Betrachtung natürlich mit vertauschten Rollen anstellen. Das gäbe allerdings nicht den Standpunkt der Modellflieger wieder.
Ferner wird davon ausgegangen, dass der Interferer erst dann aktiv wird, wenn das Modell bereits fliegt. Die Suche nach freien Frequenzen beim Einschalten der Fernsteuerung wird somit also nicht mit in Betracht gezogen. In diesem speziellen Fall ist die Situation, dass das Relais erst auf Sendung geht, wenn der Flieger in der Luft ist, sehr real und wird daher genauso betrachtet.
Die Untersuchung geht weiterhin davon aus, dass die Aussendung des Relais aufgrund der im Vergleich zur R/C-Anlage wesentliche höheren Strahlungsleistung in jedem Fall eine erfolgreiche Übertragung der Daten vom R/C-Sender zum Modell vollständig stört. Das muss in der Realität nicht so sein, wird hier aber als Worst-Case-Szenario angenommen. Wir wollen ja schließlich wissen, was schlimmstenfalls passieren kann und nicht, was eventuell so gerade eben noch gut geht.
Die Simulation wird in einem Frequenzraster von 1 MHz (ich weiß, für FASST passt das nicht ganz, es hat aber auf das Ergebnis kaum Einfluss) und einem Zeitraster von 100µs durchgeführt. Die Simulationszeit beträgt fünf Sekunden. Länger ging’s nicht. Die 2 GByte RAM des Rechners reichen nicht für längere Zeiten.

Die Simulation zeigt die Kollisionsmöglichkeiten zwischen den verschiedenen Systemen. Dort KÖNNTE eine Kollision stattfinden, die eine Datenübertragung des Victim-Systems unterbindet, sie muss aber nicht stattfinden.
Ich betone nochmals: Das ist eine Worst-Case–Betrachtung, d. h. viel schlimmer kann es nicht kommen.

Fall1:
Victim: FASST
Interferer: Amateurfunkrelais:
Dazu kann man ein nettes Bild produzieren:

Was will uns diese geile Grafik sagen?

Das Bild stellt einerseits die Sendungen von einem System dar, das weitgehend FASST entspricht und das andererseits das Relais mit seiner Sendung über Zeit und Frequenz darstellt. Die Achse „Channel“ bezeichnet den „Kanal“ der Aussendung. Die tatsächliche Frequenz ergibt sich durch die Addition des Wertes „2400“. Das ist die Frequenz in MHz. Die Achse „Timeslot“ ist einfach die Zeit in 100 µs-Schritten. Das gilt auch für die folgenden Plots.
Der große weiße „Klotz“, ungefähr in der Mitte des Diagramms, stellt die Aussendung des Relais dar. Die vielen Peaks sind die Aussendungen von FASST.
Die Peaks in der 2. Etage des Plots über dem „Klotz“ der Relaisaussendung sind potentielle Kollisionen. In Zahlen ausgedrückt sind das ungefähr 20% der gesendeten Datenpakete, die potentiell gestört sind.
Die große Frage ist nun, in wieweit beeinträchtigt das den geneigten FHSS-User?
Die überraschende Antwort ist einfach: Überhaupt nicht!
Eine Verlustrate von 20% macht bei einem FHSS-System praktisch nichts aus. Da hier als exemplarisches System FASST benutzt wurde, ist noch anzumerken, das FASST aller Wahrscheinlichkeit nach redundante Infos sendet. Vermutlich zwei Datenpakete pro PPM-Frame, so dass sich die Verlustrate im statistischen Mittel auf 10 % reduziert. Und das dürfte selbst dem superschnellsten Knüppelrührer kaum auffallen. Den Interfererblock kann man übrigens in der Frequenz beliebig hin und herschieben; es ändert nichts am Ergebnis.
Das Fazit ist, dass es wohl kaum zu Störungen kommen dürfte. Es könnte zu einer Erhöhung der Latenzzeit der Steuerung kommen. Ob diese aber auffällt, ist allerdings fraglich.

In dieser Simulation wurde FASST als Beispiel benutzt. Die Betrachtung gilt prinzipiell aber genauso für alle anderen „echten“ Frequencyhopper (ACT, IFS3, Jamara Jump , Multiplex, Weatronic usw.). Um jedoch nicht den Rahmen des Beitrags zu sprengen, wurde die Betrachtung auf ein marktübliches System beschränkt.

Fall2:
Victim: Spektrum DSM2
Interferer: Amateurfunkrelais:
Dazu gibt es mehrere Bilder, da hier verschiedene Fälle betrachtet werden müssen

Subfall1:


Die durch DSM2 gewählten Frequenzen fallen nicht in den durch das Relais belegten Frequenzbereich. Kein Problem. Relais und DSM2 begegnen sich nicht auf der gleichen Frequenz. Es gibt keine Kollisionen und alle sind glücklich. Der große Block in der Mitte ist wieder das Relais, die beiden schmalen Balken die Aussendung von DSM2

Subfall 2:


Eine der durch DSM2 gewählten Frequenzen fällt in den durch das Relais belegten Frequenzbereich. Daraus ergibt sich dennoch kein Problem, da ja eine Frequenz immer noch ungestört ist. Allerdings sollte auf der 2. Frequenz kein anderer Störer sein.
Hier liegt eine der Frequenzen von DSM2 auf der Aussendung des Relais und kann somit als vollständig gestört betrachtet werden. Die zweite Frequenz ist davon aber nicht betroffen.

Subfall 3:


Die beiden von DSM2 gewählten Frequenzen fallen in den durch das Relais belegten Frequenzbereich und sind somit vollständig gestört. Dann ist leider Schluss mit lustig. In diesem Fall ist der Totalausfall der Steuerung unvermeidlich und der blaue Sack für die kläglichen Überreste des Fliegers sollte bereit stehen. Ungesteuerte Landungen im Hold oder Failsafe gehen nun mal selten ohne Flurschaden über die Bühne. Da stehen leider fast immer sehr stabile Hindernisse wie Rennzäune oder Springbäume im Weg.
Auch hier wurde DSM2 als Fallbeispiel gewählt. Es gibt zahlreiche andere Systeme, die ähnliche Verfahren benutzen. Auf diese sind die Ergebnisse von DSM2 uneingeschränkt übertragbar.

Allen Verfahren ist allerdings eines gemeinsam: Es ist keine gute Idee, die Antenne des Relais als Wendemarke zu benutzen. In unmittelbarer Nähe einer Sendeantenne, die ja immerhin 24 W EIRP abstrahlen könnte, wird JEDER Empfänger, unabhängig vom Hersteller, Beifall klatschen und nicht mehr so richtig funktionieren. Der Effekt nennt sich „Blocking“ und ist beim Design von Empfängern ein Quell’ ständigen Ärgers. Richtig blockingresistente Empfänger sind für den Modellflug kaum realisierbar, da die Dinger nicht nur groß und schwer sind, sondern sich obendrein noch beliebig viel Strom gönnen.
Man sollte also etwas Abstand halten. 100 m sind da sehr hilfreich und soviel Platz ist ja wohl immer vorhanden. Man muss ja nicht unbedingt direkt um eine Antenne herumkurven, deren Aussendung den Flieger vom Himmel holen könnte. Da darf man, ohne Gesichtsverlust befürchten zu müssen, ruhig mal ein paar Meter mehr Abstand halten.

Als Fazit kann gesagt werden, dass „echte“ Frequencyhopper, die viele Frequenzen nutzen, den Störer zwar zuverlässig finden und immer durch ihn beeinflusst werden, was im Betrieb aber zunächst nicht weiter auffällt. Diese „echten“ Hopper finden allerdings auch immer die letzte freie Frequenz , auf der sie noch Daten übertragen können. Das sind eben die beiden Seiten der Medaille.

Bei Systemen mit z. B. nur zwei benutzen Frequenzen liegen die Möglichkeiten „macht garnix aus!“ und „das war es dann mit dem Flieger!“ sehr nahe beieinander. Das Manko dieser Systeme ist, dass sie das theoretisch mögliche Maximum des zur Verfügung stehenden Spektrums nicht nutzen können. Es ist das konzeptionelle Problem dieser Systeme, die einem nachträglich auftauchenden Störer aufgrund ihrer fixen Frequenzwahl nicht ausweichen können. Ein passender Störer kann diese Systeme leider vollständig außer Gefecht setzen, obwohl der Rest des Bandes frei ist. Allerdings muss hier auch angemerkt werden, dass ein DSM2-System erkennen kann, ob das Relais beim Einschalten der R/C-Anlage aktiv ist, um dann automatisch den Frequenzbereich des Relais zu meiden. Das Gleiche gilt für das Jamara-Jump-System, das beim Verbindungsaufbau nur Frequenzen nutzt, die aus Sicht des Senders frei sind. Bei ACT, Multiplex und Weatronic ist das genaue Verfahren nicht bekannt, aber es gibt die Vermutung, dass diese Systeme die als belegt erkannten Frequenzen ausblenden.
Futaba, IFS und Jeti benutzen starre Hoppingsequenzen, bei denen belegte Frequenzen nicht ausgeblendet werden.

Man kann also abschließend feststellen, dass zumindest bei Verwendung „echter“ Frequency-Hopper die Suppe nicht so heiß gegessen wird, wie sie gekocht wurde. Mit der Verwendung von 35 Mhz-Anlagen umgeht man das hier geschilderte Problem natürlich, solange der erfahrungsgemäß unwahrscheinliche Fall eintritt, das jeder alle benutzten Frequenzen kennt und beachtet, es gerade keine Überreichweiten gibt oder keiner mit einem ALDI-Flieger hinter’m nächsten Busch steht.

 

Stand: 14.05.2009