Ať zařízení s více technologiemi pracují společně. Díky důkladnému testování

Bezdrátově připojených zařízení dnes máme více než kdy dříve. Najdeme je všude – od spotřební elektroniky typu notebooků, chytrých telefonů a bezdrátových sluchátek až po domácí spotřebiče, jako jsou ledničky nebo pračky. Výjimkou nejsou ani průmyslové podniky, kde roboty a chytré nástroje komunikují se servery. Dokonce i automobily lze v současné době považovat za jakési „smartphony na kolech“ s bezdrátovou propojitelností zajišťovanou TCU (Telematic Control Unit).

Bezdrátově připojená zařízení znamenají obrovský komfort, kdy největší přínos také spočívá v absenci jakýchkoli kabelů. Nejčastěji to je vidět ve světě spotřební elektroniky u bezdrátových sluchátek a tzv. „pecek“ coby zcela běžné aplikace. Revoluci v jejich používání způsobila technologie Bluetooth znamenající mobilitu, pohodlí a také jednoduchost, což se uživatelům nepochybně líbí.

Nic ale není dokonalé a pohodlí spojené s vysokofrekvenční (vf) technologií zde něco stojí. Bezdrátově připojená zařízení vysílají informaci přes médium, jako je vzduch, vakuum či voda. To také vede k největšímu riziku spojenému s vf komunikací – interferencím, které zhoršují bezdrátové vlastnosti elektronických zařízení a vedou k nižším rychlostem a někdy i ztrátě spojení. Zařízení připojených po drátu, kde informaci vysíláme a také přijímáme pomocí stíněných kovových či optických kabelů, se to ale netýká.

Bezdrátové technologie používají ke komunikaci různá kmitočtová pásma, která lze dále rozdělit na spoustu kanálů sloužících jako nezávislé trasy pro výměnu informací. Můžeme je popsat středovou frekvencí a šířkou kanálu (také zde běžně hovoříme o šířce pásma).

V mobilních sítích jsou kmitočtové kanály rozdělené mezi MNO (Mobile Network Operator), kteří platí regulačním orgánům v telekomunikacích za licenci opravňující k přístupu a používání. Systém je navržený tak, aby kmitočtové prostředky regulérně přerozdělil mezi konkurenční mobilní operátory. Příslušné regulační orgány zde přitom ukládají velké pokuty těm, kdo pro své služby použijí odlišné frekvence, než mají. Je to nezbytné k tomu, aby se v přiděleném pásmu nevyskytovaly pro kteroukoli linku komunikačního řetězce žádné další „neautorizované vf emise“. Zmíněné předpisy tedy znamenají, že licencované spektrum je navrženo tak, aby snižovalo pravděpodobnost možných interferencí.

Hrozba v podobě interferencí je mnohem větší v sítích SRW (Short Range Wireless). Mezi nejznámější technologie v této kategorii patří WLAN (Wireless Local Area Network) a Bluetooth. Obě pracují v tzv. pásmech ISM (Industrial, Scientific, and Medical) a sdílí některé kmitočtové prostředky. Na rozdíl od frekvencí mobilních sítí sice nejsou licencované, ovšem stále podléhají regulaci. Jak už napovídá samotné označení, ISM pásmo bylo původně navrženo pro průmyslové, vědecké a medicínské účely. Dnes je ale zřejmé, že takové pásmo rovněž představuje způsob, jak připojit bezdrátová zařízení v domácnostech, kancelářích, automobilech nebo i jinde.

Nejdůležitějšími pásmy ISM jsou 2,4 GHz a 5,0 GHz. První z nich využívají obě výše zmiňované technologie SRW, zatímco posledně jmenované používá pouze WLAN. ISM pásmo 5,0 GHz nabídne mnohem více kanálů a většinou je také o dost méně obsazené. To jej vhodně předurčuje do hustě osídlených míst, kde lze také předpokládat spoustu aktivních připojených zařízení. Jediným nedostatkem sítí provozovaných v pásmu 5,0 GHz se tak oproti 2,4 GHz stává menší dosah, kdy s kratší vlnovou délkou signálu hůře pokrýváme vzdálenější místa. WLAN v pásmu ISM na 2,4 GHz má pouze tři nepřekrývající se kanály, takže dále zvyšuje riziko v podobě interferencí. Řešením je použít v těchto případech postupy, jako jsou Listen Before Talk (LBF), Adaptive Frequency Hopping (AFH) nebo též Dynamic Frequency Selection (DFS).

Obr. 1 Vystavění kanálu WLAN v pásmu 2,4 GHz pouze se třemi, resp. čtyřmi nepřekrývajícími se kanály

Také zde máme spoustu zařízení, která různé bezdrátové technologie používají souběžně. Nejlépe si to ilustrujeme na příkladu chytrého telefonu. Lze jej totiž kvůli internetu připojit k síti WLAN a současně si může vyměňovat informace s chytrými hodinkami vybavenými rozhraním Bluetooth, zatímco je uživatel stále k zastižení prostřednictvím mobilní sítě zajišťující hlasové služby. Je tedy důležité provádět důkladné testy, abychom v souvislosti se všemi bezdrátovými technologiemi obsluze zajistili solidní chování systému. Musíme však myslet na to, že standardy a také verze spojované s různými technologiemi znamenají další zvyšování složitosti jakýchkoli testů.

Dosud jsme hovořili o interferencích, které zde máme díky omezené dostupnosti kmitočtových prostředků. Jenže interference může mít na svědomí též i nevhodný návrh vf front – endu. To pak povede k nežádoucím emisím ve frekvenčním spektru a generování rušení na dalších kanálech. Kořenem takových problémů je často špatná volba materiálů, nevhodné rozmístění součástek nebo jednoduše použití chybných (vadných) prvků. K jejich zmírnění zde dostaly slovo regulační limity spojené s vysíláním a také příjmem signálu.

V Evropě máme takové limity definované v normách EN (European Norm) vytvořených organizací ETSI (European Telecommunications Standards Institutes). Podobně jako u definice limitů zde EN ETSI rovněž specifikují testovací procedury a spoustu dalších požadavků. Ve shodě se standardy pak bude zajištěno, že produkt dokáže vyhovět požadavkům z pohledu bezpečnosti, zdraví, elektromagnetické kompatibility a také efektivního využívání vysokofrekvenčního spektra. Jakmile produkt úspěšně projde všemi potřebnými testy, může se dostat na evropský trh.

Ve Spojených státech bude obdobnou regulační organizací FCC (Federal Communication Commission) a výrobky prodávané v USA využívající vf komunikaci musí splňovat její požadavky. Po celém světě pak najdeme další podobné telekomunikační autority.

Stručně řečeno zde máme dvě hlavní příčiny interferencí – spoustu zařízení využívajících stejné vf kanály s vyšší pravděpodobností vzniku takového rušení a nevhodný návrh koncového bezdrátového produktu, takže nám výkon „uniká“ do jiného než určeného rádiového kanálu. Je proto nutné zajistit, že produkty pracují dle očekávání a harmonicky společně s každým dalším vf zařízením. Když se to nepodaří, může to zásadně zvýšit celkové náklady na vývoj.

Společnost Anritsu jako firma zaměřená na testování a měření nabízí v této oblasti řešení pro testování a měření kvality i chování bezdrátových zařízení ve všech fázích vývoje. Nabídka zde zasahuje od spektrálních analyzátorů a generátorů signálu až po síťové simulátory, také známé jako „call boxy“.

Pro validace SRW společnost Anritsu nabízí WLAN tester MT8862A a Bluetooth tester MT8852B. WLAN tester přitom podporuje všechny dřívější standardy, včetně nejnovějšího IEEE 802.11ax (také známého jako Wi-Fi 6) s ohledem na poslední rozšíření na 6GHz pásmo Wi-Fi 6E. Nabízí spoustu funkcí a je navržen tak, aby vyhověl jakýmkoli budoucím požadavkům na testování WLAN. Bluetooth tester je zase robustní osvědčené testovací zařízení s podporou testů u obou klíčových typů rozhraní – Bluetooth Classic a Bluetooth Low Energy.

Obr. 2 SRW portfolio vhodné pro testování koexistence

Řadu přístrojů firma Anritsu nabízí též i k testování mobilních technologií. MT8821C (Radio Communication Analyzer) zde podporuje starší mobilní technologie až do 4G, včetně souvisejících technologií pro internet věcí (IoT), Cat. M a NB-IoT.

Také zde máme MD8475B (Signaling Tester), známý rovněž jako simulátor základnové stanice. Podobně jako MT8821C od firmy Anritsu podporuje dřívější mobilní technologie až do 4G, nicméně místo vf vlastností klade větší důraz na testování aplikační vrstvy.

Pro technologii 5G existuje MT8000A (Radio Communication Test Station). Řešení může pracovat v režimu Stand Alone (SA) a Non-Stand Alone (NSA), stejně jako podporovat obojí testování, vf a také protokolu, a to v obou kmitočtových rozsazích FR1 (do 7 GHz) a také FR2 (mm vlny). Modularita zmíněné platformy je zárukou obrovské rozšiřitelnosti, od jednoduché simulace sítě a testování až po MIMO vysokého řádu a postupy s vysokou agregací nosných, kdy také dosahujeme mimořádně velkých rychlostí.

Obr. 3 Portfolio pro mobilní sítě vhodné k testování spoluexistence