¿Cómo evitar interferencias en la comunicación inalámbrica?

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Estoy trabajando en un sistema de comunicación inalámbrico. Estamos utilizando alrededor de 10 pares de transmisores y receptores. Estamos utilizando el microcontrolador atmega16 para codificar y decodificar por puertos USART.

Ahora podemos transmitir los datos y recibirlos en el extremo del receptor, pero hay un problema importante cuando encontramos que los 2 datos del transmisor llegan al mismo tiempo. El receptor no puede obtenerlo debido a interferencia.

Supongamos que un transmisor envía "SENDA" mientras que otro transmisor envía "GETTS", en ese momento el receptor no puede recibir los datos adecuados. Como todos los transmisores y receptores funcionan en la misma frecuencia, esta interferencia está ocurriendo. ¿Cómo puedo resolver este problema?

usuario934070
fuente
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¿Qué tipo de circuito de radio se encuentra entre su UART y la antena?
jpc

Respuestas:

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El desarrollo de un protocolo de comunicaciones de RF viable puede ser un ejercicio difícil pero educativo. Algunos puntos adicionales a considerar más allá de lo que se ha dicho:

  1. En algunos equipos de radio, se necesita mucha potencia para escuchar una señal. Con muchas, si no la mayoría de las radios pequeñas, escuchar por un segundo requerirá más energía que transmitir por un milisegundo; En algunas radios, escuchar un milisegundo puede requerir más energía que transmitir durante un milisegundo. Si el consumo actual no es un problema, escuchar continuamente es mucho más simple que escuchar de forma intermitente; si el consumo actual es un problema, sin embargo, puede ser necesario escuchar de forma intermitente. Probablemente no sea una buena idea hasta que haya logrado poner en marcha algo con un protocolo de escucha continua.
  2. Escuchar antes de transmitir puede ser "educado", pero no es tan útil con RF como con, por ejemplo, un cable Ethernet. La señalización de Ethernet está diseñada para que no solo sea probable que un dispositivo que escucha antes de transmitir evite una colisión, sino que también está diseñado para que un dispositivo cuya transmisión colisiona con la de otro dispositivo esté prácticamente garantizado de darse cuenta. La transmisión RF no ofrece tal promesa. Es completamente posible que cuando P quiera transmitir a Q, algún otro dispositivo X que esté más cerca de Q que a P esté transmitiendo lo suficientemente alto como para evitar que Q escuche la transmisión de P, pero no lo suficientemente fuerte como para que P lo note. La única forma en que P sabrá que Q podría no haber recibido su transmisión es por el hecho de que P no escuchará una respuesta de Q.
  3. Es importante tener cuidado con el problema del consenso, mucho más con RF que con señalización por cable. Si una P envía a Q, es posible que Q escuche la transmisión de P y envíe un acuse de recibo, pero P por varias razones no escuchará ese acuse de recibo. Por lo tanto, es necesario tener mucho cuidado para distinguir las retransmisiones de las transmisiones "nuevas".

    El problema del consenso puede ser especialmente molesto si uno está tratando de ahorrar energía apagando los receptores cuando no son necesarios. Suponga que se supone que dos P y Q se comunican una vez cada 10 segundos, de modo que se encienden y P envía a Q un paquete. Q recibe el paquete, envía su acuse de recibo y, sabiendo que P no enviará nada durante casi diez segundos, se apaga. Si P no recibe el reconocimiento de Q, retransmitirá; Sin embargo, dado que Q está dormido, no escuchará la retransmisión de P. Desde la perspectiva de Q, eso no importaría (ya recibió sus datos), pero significa que no importa cuántas veces P vuelva a intentarlo, no tendrá forma de saber que Q recibió su paquete (al menos no hasta la próxima cita sobre diez segundos).

  4. Es completamente posible tener una situación en la que el nodo Q pueda recibir transmisiones de P, pero P no podrá recibir transmisiones de Q. Puede que no sea posible comunicarse de manera útil en tales escenarios, pero al menos uno debería esforzarse para evitar hacer algo desagradable (como hacer que P vuelva a intentar una transmisión sin cesar cientos de intentos por segundo)

Como se dijo, un protocolo de comunicaciones de RF viable puede ser un ejercicio complicado. Aún así, espero que probablemente aprendas mucho de la experiencia.

Super gato
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Si no está utilizando un protocolo estándar para esto, deberá diseñar e implementar uno, por ejemplo, un ejemplo simple:

  • antes de transmitir, un nodo debe escuchar para verificar que el canal esté libre
  • si después de transmitir un mensaje no se recibe ningún acuse de recibo, el nodo debe esperar un período de tiempo aleatorio y luego volver a intentarlo, hasta un número máximo de reintentos

Entonces, lo que sucede es que primero intenta evitar el "atasco" al escuchar primero, luego, si todavía ocurre un atasco, lo detecta por falta de reconocimiento del nodo receptor y luego intenta nuevamente después de un retraso aleatorio: los dos transmisores de atasco use diferentes demoras aleatorias, minimizando la posibilidad de una segunda colisión.

Paul R
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Una limitación importante para evitar colisiones es que no hay garantía de que los posibles transmisores estén dentro del rango de recepción del otro, incluso si ambos están dentro del rango de recepción de su objetivo previsto.
Supercat
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La prevención de colisiones solo proporciona alguna mejora en la utilización del canal. Todavía tiene que hacer reconocimientos y retransmisiones. La clave es esperar un tiempo aleatorio antes de retransmitir.
David Schwartz
Lo más importante es que esto funciona en tiempo real y también es una comunicación unidireccional. así que si lo hacemos de 2 maneras, entonces hará más interferencia. :(
user934070
OK, nunca será robusto o confiable, puede escuchar antes de transmitir, pero aparte de eso, nunca tendrá ninguna garantía de que se haya recibido una transmisión.
Paul R
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Aquí hay dos opciones comunes

1) Implemente un algoritmo Listen Before Talk (LBT), que verifica si hay una transmisión en progreso antes de comenzar la suya, y si es así, retrocede por un período de tiempo. El período debe contener una longitud fija y una longitud aleatoria para que no retrocedan durante el mismo período. Muchos protocolos de radio estándar incluyen este procedimiento; consulte ETSI EN 300-220-1.

2) Implemente un sistema de baliza donde las transmisiones se cronometran desde la baliza. Cada transmisor tiene su propio intervalo de tiempo. Normalmente usaría números de serie en los dispositivos para determinar su ranura, y tendría un sistema para determinar quién envía la baliza. Dado que esto depende de que todos los transmisores tengan una ranura diferente, no es una buena idea dejar que el usuario identifique de forma única todos los transmisores, a menos que tenga un procedimiento sólido para esto.

Martín
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Por otro lado, creo que la Parte dos podría aprovechar CDMA si saben que la mayoría de las estaciones normalmente no necesitarán transmitir.
Kortuk
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@Kortuk: Tenía la impresión de que una de las ventajas de CDMA es que, si el receptor puede sincronizarse con el emisor, la cantidad de errores de bits aumentará a medida que aumente la cantidad de transmisores simultáneos, pero de lo contrario no es "interferencia" como tal.
Supercat
@supercat, tengo la impresión de que todos están asignando espacios de tiempo al azar. La mayoría de los transmisores solo hablan ocasionalmente, por lo que la posibilidad de que dos hablen al mismo tiempo es muy pequeña, pero ocasionalmente sucede y aparece como una pequeña cantidad de errores de bit en ese punto. Con el entrelazado y el ECC general, puede ignorar esto. Dicho esto, todos tienen intervalos de tiempo predeterminados basados ​​en un generador de números aleatorios para garantizar que no haya dos transmisores que compartan el mismo espacio constantemente y solo se encuentren ocasionalmente. Puedo preguntarle a alguien que lo sepa con certeza y hacer que
intervenga
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@Kortuk: Eso es lo que solía pensar que significaba CDMA, pero varias fuentes, incluida la página de Wikipedia, sugieren que se refiere a la modulación a una velocidad superior a la velocidad de bits; Si el transmisor invierte su señal de acuerdo con un flujo de bits pseudoaleatorio, y el receptor hace lo mismo y luego filtra la señal resultante, la señal original puede recuperarse. Los enfoques basados ​​en un intervalo de tiempo pseudoaleatorio son útiles, pero no creo que CDMA sea el término correcto. La mayor dificultad con tales enfoques es la coordinación. Realmente desearía que hubiera una señal de tiempo de alta resolución ampliamente disponible.
Supercat
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@Kortuk: WWV funciona para sincronizar relojes y relojes digitales, pero se tarda un minuto en enviar una señal horaria. Sería mucho mejor si hubiera transmisiones de tiempo ampliamente desplegadas que pudieran leerse en 10 ms o menos y se garantizara que estuvieran dentro de una cierta tolerancia pequeña del tiempo de WWV en Colorado (lo que significa que en una ubicación a 1,000 millas de distancia se transmitió localmente las transmisiones de tiempo deberían llevar el WWV en aproximadamente 5 ms).
Supercat
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Como entiendo por los comentarios, etc., el poder no es un problema, pero la velocidad de comunicación sí lo es. Entonces, aquí está mi sugerencia para un protocolo.

Numere todos los nodos, 0..n-1. Deje que cada nodo sepa qué número es. El nodo 0 será el maestro.

Cada 15 ms, el nodo 0 envía un mensaje: "0HELO".
1 ms después, el nodo 1 envía un mensaje: "1DATA".
1 ms después, el nodo 2 envía un mensaje: "2NICE".
1 ms después, el nodo 3 envía un mensaje: "3". (Este nodo no tiene nada que decir) 1
ms después, el nodo 4 envía un mensaje: "2CATS".
... 1
ms después, el nodo 9 envía un mensaje: "9MICE".
Luego hay una pausa de 5 ms.

Los nodos siempre envían sus mensajes en sus franjas horarias correctas, incluso si no tienen nada que decir. De esta manera, se garantiza una velocidad de comunicación de 66Hz, sin colisiones.

Rocketmagnet
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La comunicación de RF con múltiples transmisores asíncronos es un problema complicado. Se pensó mucho e ingenió los estándares 802.11 y 802.15 para solucionar estos problemas. Si tiene que preguntar aquí, debe apegarse al hardware estándar que implementa uno de estos estándares.

Tenga en cuenta que si bien ambos son útiles y representan un diseño cuidadoso, en general, cualquier aplicación real aún tendrá que implementar una pila de protocolos por encima de estos estándares. Esto sería WiFi y TCP por encima de 802.11 y Zigbee o Microchip's WiWi u otros por encima de 802.15.

Nuevamente, diseñar una red de radio multipunto está fuera de tu alcance si haces preguntas tan básicas aquí. Pasarás mucho tiempo y las cosas no siempre funcionarán bien.

La elección de 802.11 frente a 802.15 depende principalmente de sus requisitos de ancho de banda y rango y de la potencia disponible. 802.15 es más pequeño, menor potencia, menor ancho de banda y menor rango. Con el software adecuado de nivel superior, un dispositivo 802.15 puede funcionar mucho tiempo con baterías, mientras que eso generalmente no es cierto para 802.11.

Olin Lathrop
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Todo depende de la aplicación. De hecho, es bastante difícil, pero al mismo tiempo se puede aprender mucho del ejercicio. Y las cosas que aprenderá son leyes universales y no algunos detalles específicos de implementación.
jpc
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"salir de tu liga" es un poco duro. Están un poco por encima de su cabeza, y he visto a personas en este tipo de posición desperdiciar un año en este tipo de problema ... pero eso no significa que no puedan tomar consejos y hacer que funcionen. Como dijo jpc, el éxito aquí podría significar un salto significativo en la comprensión. Si fueran un empleado mío con esta pregunta (y pudiera darme el tiempo para la lección), los empujaría y esperaría que aprendieran algo.
Darron
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Es un mal servicio cuando las personas visitan este sitio en busca de respuestas para aprender y resolver un problema y se ven forzados (por votos positivos) a una solución que no estaban pidiendo o que no pueden usar.
Joel B
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Los votos a favor de @JoelB no obligan a aceptar una respuesta.
Chris Stratton
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Estoy de acuerdo con escuchar antes de hablar y el sistema de baliza. Pero si desea utilizar un solo canal para transmitir datos al mismo tiempo, puede utilizar la técnica de modulación de espectro extendido de secuencia directa (DSSS). Esto podría ayudarlo a evitar interferencias.

Pero para esto quizás necesite comprar un chip que lo implemente, por ejemplo Xbee (basado en Zigbee). Si no puede cambiar su transmisor, debe atenerse a las otras respuestas.

HzJavier
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Muchas gracias por las sugerencias. Pero, en realidad, nuestro principal problema es que nuestro sistema funciona en tiempo real, por lo que cuándo y de dónde obtendremos una señal es totalmente impredecible. Déjame explicarte con más detalle. En realidad, todos los transmisores y receptores se colocan dentro de su alcance, es decir, supongamos que su alcance es de 100 metros, entonces todos están presentes dentro de 50 metros, por lo que cualquier señal que sale de un transmisor puede llegar a cada nodo y nuevamente cualquier señal puede llegar en cualquier momento.
Entonces
@ User934070 Los sistemas de teléfonos celulares y wifi generalmente usan un espectro extendido de algún tipo o al menos tecnologías que siguen los mismos conceptos básicos. Los teléfonos celulares y las computadoras portátiles son como usted describe "cuándo y de dónde obtendremos una señal es totalmente impredecible"
Kellenjb