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Koexistenz von 2,4 GHz R/C-Anlagen

Frank Tofahrn

Wie funktioniert das eigentlich?

Früher gab es bei R/C-Anlagen das allgegenwärtige Problem der Frequenzdoppelbelegung. Einer fliegt gerade und ein Anderer schaltet mal eben seinen Sender ein. Dummerweise sind beide Sender auf der gleichen Frequenz. Schade um den Flieger. Um diesem Problem zu begegnen, wurden diverse Verfahren wie z. B. Frequenztafeln, Senderabgabe, Frequenzüberwachung usw. eingeführt, die aber alle irgendwie nicht so sonderlich gut funktionieren. Bei 2,4 GHz-Anlagen schaltet jeder seinen Sender nach Belieben ein und es passiert...

...NICHTS!

Der Grund dafür sind die Techniken und Verfahren, die von diesen Anlagen in mehr oder weniger großem Umfang durchgeführt werden. Zu diesem Thema hat es hier schon mehrere Beiträge gegeben, die einzelne Techniken beleuchtet haben. Ziel dieses Beitrages ist es nun, die einzelnen Maßnahmen im Zusammenhang zu betrachten.

Grundsätzlich werden bei R/C-Anlagen zwei verschiedene Strategien verfolgt, um einen unkoordinierten und gleichzeitigen Betrieb mehrerer Funksysteme im 2,4 GHz-Band zu ermöglichen. Das erstreckt sich zum Teil auch auf den parallelen Betrieb mit Systemen anderer Technologie (z. B. On-Board Video, W-LAN, Bluetooth usw.).

Diese Strategien kann man in zwei Gruppen unterteilen:

Mitigationstechniken

Mitigation bedeutet: „Abschwächung, Milderung, Linderung“ und meint in Verbindung mit Funkanlagen die Reduzierung von Kollisionen der Sendungen von Funkanlagen, also die Vermeidung von gegenseitigen Störungen. Diese Techniken zeichnen sich typischerweise dadurch aus, dass die einzelnen Funksysteme dazu nicht miteinander kommunizieren müssen, sondern diese Techniken ohne jegliche Information über die Belegung des Bandes oder der Aktivitäten anderer Funksysteme durchführen können. Das bietet naturgemäß keinen 100%igen Schutz gegen Kollisionen im Einzelfall, ermöglicht aber das Zusammenleben von technisch vollkommen unterschiedlichen Systemen im statistischen Mittel. Diese Techniken können in verschiedenen „Domains“ angewendet und kombiniert werden.
 

Die Frequency-Domain

Das ist genau das Verfahren, das bei den R/C-Anlagen unterhalb 2,4 GHz schon immer angewendet wurde. Sollen z. B. drei Sender gleichzeitig arbeiten, dann benutzen diese drei verschiedene Frequenzen. Das ist rein theoretisch das ideale Verfahren. Aber die Erfahrung aus jahrzehntelangem Modellflugbetrieb zeigt, dass es in der Praxis nicht funktioniert. Es gab und wird leider immer Leute geben, die nie das Konzept einer Frequenztafel durchschauen werden.
Hier muss dann die künstliche Intelligenz die natürliche Dummheit ersetzen.
Im R/C-Bereich geschieht das durch die Anwendung von Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Wie das im Prinzip funktioniert, wird hier erklärt.
Aus den dortigen Betrachtungen kann man ableiten, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen der Anzahl der benutzten Kanäle, dem Frequenzbereich, über die diese verteilt sind, und der Störungswahrscheinlichkeit. Dieser Zusammenhang nennt sich :
„FH Processing Gain“, GpFH

Die allgemeine Berechnung von  GpFH  ist:

GpFH = Benutzter Frequenzbereich/Kanalbandbreite

Mit Benutzter Frequenzbereich = höchste Arbeitsfrequenz - niedrigste Arbeitsfrequenz
  Kanalbandbreite = belegte Bandbreite einer einzelnen Arbeitsfrequenz

Unter der Voraussetzung, dass die Bandbreite der Kanäle und ihr Abstand gleich sind (ist oft der Fall) reduziert sich die obige Formel zu:

GpFH = Anzahl der Kanäle

Ein System mit 80 Kanälen hätte also ein GpFH = 80 oder in dB ausgedrückt: 19 dB. Ein System mit zwei Kanälen kommt hier auf ein  GpFH = 2 oder 3 dB.

Bei reinen FHSS-Systemen ist dieser Wert allerdings nur eine theoretische Größe, aus der das Verfahren selbst keinen direkten Nutzen ziehen kann. Die Nutzung des Vorteils muss hier in übergeordneten Verarbeitungsschichten liegen, was bei R/C-Systemen allerdings gewährleistet ist.
Der alte Spruch: „Viel hilft viel“ gilt hier bezüglich der Anzahl der Kanäle uneingeschränkt. Es sei noch angemerkt, dass FHSS mit vielen Kanälen ohne zusätzliche Maßnahmen schon eine recht sichere und nur schwer störbare Funkverbindung bietet. Das Verfahren ist aber trotzdem verbesserungsfähig.
 

Die Code-Domain

Hier wird auf einer festen Frequenz gearbeitet. Die zu übertragenden Daten werden durch eine sogenannte Kanalkodierung geschützt. Bei RC-Anlagen ist dieses Verfahren als DSSS bekannt. Wie das im Prinzip funktioniert, wird ebenfalls hier erklärt.

Der Processing-Gain für DSSS ergibt sich aus dem Verhältnis von Chip-Rate zur Symbolrate:

GpDS = Chiprate / Symbolrate

Die in der Realität verwendeten Gains liegen im R/C-Bereich zwischen 6 und 18 dB.

Was hier allerdings wirklich interessiert, ist der sogenannte „Jamming Margin“. Das ist das Verhältnis zwischen den Signalstärken des Nutz- und Störsignals. Es beziffert den Faktor, um den das Störsignal stärker sein darf als das Nutzsignal. Er berechnet sich mit:

MJ = GpDS / [(S/N)REQ x L]

Mit MJ = Jamming Margin
  GpD = Processing Gain
  (S/N)REQ = minimum required output SNR (typ. 10 dB)
  L = system implementation loss (typ. 2 dB)

oder in dB ausgedrückt:

MJ (dB) = GpDS (dB) – (S/N)REQ (dB) – L (dB)

Mit den obigen Angaben für den Processing Gain ergeben sich also Werte für MJ (dB) von 6 bis -6 dB. Das ist jetzt auch nicht so brüllend viel. In der Praxis bedeutet es, dass der Störer viermal stärker als das Nutzsignal sein darf. In der HF-Technik ist das allerdings eher wenig.
Als alleiniges Schutzverfahren im R/C-Bereich ist DSSS nicht geeignet, da es von einem einzigen Störer auf der Arbeitsfrequenz dauerhaft gestört werden kann. Der Störer muss am Empfänger nur stark genug sein, um eine dauerhafte Unterbrechung der Funkverbindung zu erzielen. Ist also nicht gerade das Gelbe vom Ei. Allerdings muss man sich hier vor Augen halten, dass der äquivalente Wert bei traditionellen Anlagen eher bei -20 dB lag. Das ist im Vergleich zu DSSS ultraschlecht.
 

Die Time-Domain

Dabei wird ebenfalls auf einer definierten Frequenz gearbeitet. Die einzelnen Systeme senden allerdings immer nur während einer bestimmten Zeitspanne. Zwischen den einzelnen Sendungen entstehen Pausen. Sind die Sendungen kurz und die Pausen lang, ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Systeme zur gleichen Zeit senden, relativ gering. Dazu dürfen diese allerdings nicht zeitlich synchron laufen. Das Verfahren ist als „Duty-Cycle“ bekannt. Der Duty-Cycle berechnet sich zu:

DC = Txontime / (Txontime + Txofftime )

und wird üblicherweise in % angegeben.

Ein Mitigationseffekt ergibt sich allerdings nur gegenüber solchen Systemen, die ebenfalls einen Duty-Cycle deutlich unter 100% anwenden. Gegen einen Dauersender ist Duty-Cycle nutzlos, da dieser ein Duty-Cycle-System immer erwischen wird. Er sendet eben immer. Bei Systemen mit sehr niedrigem Duty-Cycle funktioniert das noch so einigermaßen. Als alleiniges Verfahren im R/C-Bereich ist Duty-Cycle jedoch ebenfalls nicht geeignet.
 

Die Power-Domain

Man geht davon aus, dass die räumlich, also über eine große Fläche verteilten Funksysteme durch Begrenzung der Strahlungsleistung (durch Begrenzung ihrer Reichweite) vor gegenseitiger Störung geschützt werden. Da auf dem Modellfluggelände aber die Piloten mit ihren Sendern mehr oder weniger alle auf einem Haufen stehen, kommt dieser Effekt nicht zum tragen. Was allerdings zum tragen kommt, ist die Notwendigkeit, dass alle Sender die gleiche Strahlungsleistung haben müssen, damit das Mitigationsverfahren in der Code-Domain für jeden gerecht funktioniert. Wenn alle mit 100 mW arbeiten und es turnt nur einer mit einem 1 W-Sender dazwischen rum, raubt dieser im Kollisionsfall den Anderen 10 dB oder 90% des Mitigationseffektes durch DSSS, was schlicht und einfach eine Schweinerei ist.

Das oft gehört Argument bei solchen Sendern: „Es stört doch niemanden“, ist schlicht und einfach falsch. Es stört alle! Die ausgiebig in den Foren geführten Diskussionen über überhöhte Sendeleistung und dass diese nicht akzeptabel sei, ist also nicht an den Haaren herbeigezogen. Die Limitierung auf einen gleichen Level der Sendeleistung innerhalb einer Anwendungsklasse hat schon Hand und Fuß und muss beachtet werden, damit das ganze System des friedlichen Miteinanders nicht zusammenbricht. Darüber sollten einige Anbieter und Anwender mal etwas intensiver nachdenken und Konsequenzen ziehen!
 

Spektrumzugriffsverfahren

Es gibt diverse Methoden, durch die der Zugriff auf das Frequenzspektrum geregelt werden kann. Hier soll nur das Verfahren betrachtet werden, welches für den R/C-Bereich zweckmäßig ist. Das Verfahren nennt sich Listen Before Talk (LBT). Dabei wird vor JEDER! Sendung geprüft, ob die Frequenz frei ist. Eine einmalige Prüfung beim Einschalten des Senders ist definitiv kein LBT im Sinne des zukünftigen Teststandards. Ist die Frequenz belegt, wird z. B. gewartet, bis sie frei oder für eine bestimmte Zeit nicht benutzt wird. Es gibt unterschiedliche Methoden, um die Belegungssituation einer Frequenz zu bestimmen. Die Wahl des Verfahrens liegt beim Hersteller, muss aber bestimmte Qualitätskriterien erfüllen. Die genauen Regeln und Anforderungen werden z. Z. bei der ETSI definiert und sind noch nicht endgültig festgelegt.

LBT ist ein sogenanntes adaptives Zugriffsverfahren, das sich der aktuellen Bandbelegung anpassen kann. Würden alle Systeme dieses Verfahren anwenden, würde die Resource Spektrum gleichmäßig und gerecht unter allen Nutzern aufgeteilt. Leider ist das z. Z. nicht der Fall, da noch zahlreiche, nicht adaptive Systeme unterwegs sind. Im Laufe der Zeit werden diese allerdings aussterben. Einige R/C-Systeme wenden LBT heute schon an.
 

Die Kombination

Alle oben vorgestellten Verfahren rangieren, wenn sie alleine angewendet werden, bezüglich ihrer Wirksamkeit der Störungsvermeidung im Bereich: „Kannst du vergessen“ bis „geht einigermaßen gut“. Die Würze oder der effektive Schutz entsteht erst durch die Kombination mehrerer Verfahren. Das sind dann „Hybride Systeme“.

Alle ernstzunehmenden R/C-Systeme im europäischen Markt arbeiten auf unterschiedlich zahlreichen Sendefrequenzen. Ferner nutzen diese alle eine Kanalkodierung (DSSS oder FEC).

Außerdem nutzen alle Anlagen einen mehr oder weniger niedrigen Duty-Cycle.

Die Kombination der Mitigationstechniken in der Frequency-, Code- und Timedomain haben schon mal alle implementiert.

Der Processing Gain hybrider Systeme ergibt sich zu:

GpHybrid (dB) = GpFH (dB) + GpDS (dB)

Der Einfluss eines Duty-Cycles ist dabei nicht mit einbezogen, da die von den Systemen verwendeten Parameter eine sinnvolle Betrachtung als Spread Spectrum System in der Time- Domain nicht zulassen.

In Zukunft werden alle Anlagen, die neu verkauft werden, zusätzlich ein Zugriffsprotokoll verwenden müssen, das Rücksicht auf andere Funksysteme nimmt.
 

Die Wirksamkeit

Damit es überhaupt zu einer Kollision von Datenpaketen kommen kann, müssen hauptsächlich folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

  • Mindestens zwei Sender müssen sich im gleichen Gebiet befinden,
  • mindestens zwei Sender müssen auf der gleichen Frequenz senden,
  • mindestens zwei Sender müssen zur gleichen Zeit senden,
  • das Signal des Störers muss am Empfänger stark genug sein, um die Kanalkodierung unwirksam zu machen. Der Jamming Margin muss also überschritten sein.

UND DAS MUSS ALLES GLEICHZEITIG PASSIEREN!

Es ist zwar erstaunlich, aber das passiert öfter als man zunächst glauben mag. Hier ist allerdings das allen Anlagen gemeinsame Funktionsprinzip der burst-orientierten Übertragung die Rettung. Es werden im Sender zunächst die Positionsdaten bzw. Zustände von Gebern und Schaltern gesammelt. Das geschieht entweder durch Auswertung des PPM-Signals oder durch direkte Abfrage der Werte. Diese Werte werden dann alle paar Millisekunden (typischerweise ca. 10 – 20 ms) gesendet. Geht ein Burst verloren, ist der halt weg. Das ist aber nicht so tragisch, da nach wenigen Millisekunden neue Daten auf einer anderen Frequenz gesendet werden. Diese könnte frei sein, muss es aber nicht. Je mehr Frequenzen nun zur Verfügung stehen, um so wahrscheinlicher ist es, dass die nächste Frequenz benutzbar ist. Der Effekt von Ausfällen in der Übertragung ist eine Verlängerung der Latenzzeit, die aber kaum spürbar ist, wenn nicht viele aufeinanderfolgende Bursts gestört sind. Es macht nebenbei keinen Sinn, verlorene Bursts neu anzufordern, da diese Daten bereits im Augenblick des Verlustes veraltet sind und man besser aktuelle Daten sendet, als sich um alten Kram zu kümmern.
 

Was nicht zusammenpasst

Was auf 2,4 GHz innerhalb eines Modells nicht gut kombinierbar ist, sind R/C-Anlagen und andere, aktiv sendende Systeme wie z.B. Videosender. Mal ganz davon abgesehen, dass die verwendeten Videosysteme nicht mit Frequency-Hoppern zurecht kommen, die das ganze Band benutzen, gibt es auch bei solchen Systemen Probleme, die z. B. ein sogenanntes France-Mode haben und den oberen Teil des Bandes nicht nutzen oder bei Systemen, die nur zwei Frequenzen nutzen. Das gibt oft ein mieses Bild.

Ferner kommt hinzu, dass Systeme, die vor dem Verbindungsaufbau das Band scannen, Videosender nur ausgesprochen schlecht erkennen. Dieser Effekt liegt in der Inkompatibilität der auf Sender- und Empfängerseite verwendeten Bandbreiten begründet. Ein 1 MHz breiter Empfänger hat einfach ein großes Problem damit, ein 20 MHz breites Sendersignal zu erkennen. Das funktioniert nicht zuverlässig und nur über kurze Distanzen.

Der 2,4 GHz-Sender, dessen Sendeaktivität nicht mit dem R/C-System koordiniert ist, kann den R/C-Empfänger zustopfen, da er in dem Augenblick senden könnte, in dem der R/C-Empfänger etwas hören möchte (Videosender senden immer). Das ist dann ungefähr so, als ob man in der Disco vor dem Boxenturm steht und gleichzeitig einem Gespräch vor der Tür lauschen will.

Hinzu kommt, dass solche Sender, abgesehen davon, dass sie bis zu 25% des Bandes zunageln, neben dem eigentlichen Nutzsignal ein breitbandiges Rauschen (Phase-Noise) in nennenswertem Umfang aussenden und damit den R/C-Empfänger stören, wenn sie im gleichen Modell installiert sind. Dieses Phase-Noise kann schon mal über das ganze Band (und darüber hinaus) auftreten und macht den R/C-Empfänger unempfindlich. DSSS oder FHSS hilft dagegen übrigens genau nix. FHSS ist prinzipbedingt ungeeignet und DSSS ist gegen statistisches Rauschen auch machtlos.

Die Kombination von 2,4 GHz R/C und 2,4 GHz Video sollte daher besser vermieden werden. Also entweder Video auf 5,8 GHz oder kein 2,4 GHz R/C.

Aus den gleichen Gründen sollten auch keine anderen aktiv sendenden Systeme (z. B. Bluetooth oder 2,4 GHz Telemetrie) ins Modell gepackt werden. Das kann zwar im Einzelfall funktionieren, ist aber immer riskant.
 

Das Wort zum Schluss

Ich hoffe, dass mit diesem Beitrag etwas klarer geworden ist, weshalb es bei 2,4 GHz so wenig Probleme beim gleichzeitigen Betrieb vieler Anlagen gibt. Aber auch die technischen  Hintergründe und Grenzen hoffe ich etwas deutlich gemacht zu haben. Die Hauptgründe sind die Existenz mehrerer ineinandergreifender Schutzmechanismen, die für eine weitgehend sichere Funkverbindung sorgen. Die Hauptursache für Funkstörungen bei den klassischen Anlagen, der Bedienerfehler, wird ausgeschlossen, da der Bediener gar keine Möglichkeit mehr hat, eine falsche Frequenz zu wählen. Selbst die größte Pappnase kann sich noch so bemühen, etwas falsch zu machen. Die künstliche Intelligenz bleibt Sieger.

Trotzdem gibt es auch bei dieser künstlichen Intelligenz Unterschiede in der Störsicherheit, die sich in der Anzahl der verwendeten Kanäle und dem Jamming Margin manifestieren. Die Anzahl der genutzten Frequenzen ist ja oft der Werbung zu entnehmen. Der Jamming Margin kann dagegen nur schwer und nur mit Insiderwissen ermittelt werden. Das wäre eine interessante Angabe, die eigentlich in die technischen Daten jeder Anlage aufgenommen werden sollte.

Im praktischen Betrieb, insbesondere wenn man einsam, alleine und verlassen am Platz oder auf Bauers Wiese „in the middle of nowhere“ fliegt, sind diese Unterschiede belanglos. Da gibt es keine Störer oder konkurrierende Systeme. Interessant wird das erst, wenn man sich in einem Umfeld bewegt, in dem das 2,4 GHz-Band stark belastet ist. Das wäre zum Beispiel bei Flugtagen oder erstaunlicherweise auch im eigenen Garten der Fall. Im Garten könnten der häusliche WLAN-Router und die Router der Nachbarn die R/C-Anlage zubrüllen. Auch das Handy in der Tasche, das per Bluetooth ständig seine Freisprecheinrichtung sucht, der Mikrowellenherd, die WII oder Playstation der Kinder helfen dabei kräftig mit.

Für den R/C-Bereich ist besorgniserregend, dass immer mehr Funkanwendungen im 2,4 GHz-Bereich auftauchen. Dazu gehört aus dem eigenen Dunstkreis der gesamte Toy-Bereich (insbesondere bei Flug-Toys) der zunehmend auf 2,4 GHz umschwenkt. Diese Systeme haben zwar normalerweise keine 100 mW aber auch hier sind viele Hunde des Hasen Tod. Leider werden diese Dinger nicht durch die Neuregelung der EN 300 328 mit ihren zusätzlichen Anforderungen an die Freundlichkeit des Sendebetriebs erfasst, da sie einer anderen Norm unterliegen (so sie jemals dahingehend geprüft wurden).

Daher ist ein Höchstmass an Störsicherheit der R/C-Anlagen zunehmend wichtig, da die Bandbelegung in Zukunft deutlich zunehmen wird. Das Band kann sehr viele verschiedene Systeme gleichzeitig aufnehmen, aber irgendwann stößt man an physikalische und technische Grenzen, jenseits derer Feierabend ist. Obwohl diese Grenze wohl z. Z. nur selten erreicht wird, ist das wenig tröstlich, wenn es einen persönlich erwischt und man nur noch darüber nachdenkt, wo die Rolle mit den blauen Säcken ist, damit man sein Modell wieder transportfähig einpacken kann.

Holm- und Rippenbruch
Frank Tofahrn

 

Stand: 27.05.2010