9.1     Media en elektromagnetische golven

9.1.3       Draadloos medium

Draadloze connectiviteit is bijzonder praktisch en laat tal van specifieke toepassingen toe die met een kabel niet mogelijk zouden zijn. Daarnaast kan het ook een goed alternatief zijn voor een bekabelde oplossing. De kost voor het uitrollen van een draadloos systeem ligt vaak lager gezien er minder materiaal en uren nodig zijn om het systeem uit te rollen.

Draadloze systemen hebben ook nadelen. Zo is de beschikbare bandbreedte meestal lager dan bij een bekabelde oplossing en kunnen interferentie, ruis en demping een probleem vormen in bepaalde gevallen. Daarnaast hebben draadloze sensoren of toestellen vaak ook een batterij nodig die opgeladen of vervangen moet worden. Voor eenvoudige knoppen en sensoren bestaan er tegenwoordig alternatieven waarbij dit niet het geval is. Deze maken van gebruik van zogenaamde ‘energy harvesting’. Hierbij wordt bijvoorbeeld de beweging bij het indrukken van een knop omgezet in elektrische energie.

Hieronder worden een aantal praktische en fysische aspecten van draadloze communicatie verder toegelicht.

9.1.3.1       Vermogens en intensiteit

Een eerste belangrijk aspect bij het gebruik van draadloze connectiviteit is het vermogen dat de zender uitstuurt en de intensiteit van het signaal dat de ontvanger waarneemt.

Vermogens worden typisch uitgedrukt in milliwatt (mW) of in decibel milliwatt (dBm). Bij deze laatste wordt het vermogen logaritmisch uitgedrukt. Dit is handig wanneer met heel grote of kleine waarden gewerkt wordt (bv. 0.000001 mW = -60 dBm) en bij berekening van signaalniveaus. Demping en winst uitgedrukt in dB kunnen immers eenvoudig afgetrokken worden van of opgeteld worden bij een vermogen uitgedrukt in dBm.

Bij zendantennes wordt vaak over een effectief (isotropisch) uitgestraald vermogen of e.(i.)u.v. gesproken. Dit vermogen houdt rekening met de extra signaalsterkte die bekomen wordt via het type antenne. Antennes hebben afhankelijk van hun ontwerp namelijk een sterkere zend- en ontvangstcapaciteit in een bepaalde richting. Dit noemt men de (antenne)winst en wordt meestal uitgedrukt in dBi (signaalwinst in decibel ten opzicht van een isotropische antenne). Een isotropische antenne is een theoretische antenne die in alle richtingen even veel vermogen uitzendt (en ontvangt). In praktijk hebben alle antennes echter altijd een zekere winst. Indien deze beperkt is, spreekt men van een omnidirectionele antenne. In kleine sensoren of toestellen zoals een smartphone of een Wi-Fi accespoint worden meestal omnidirectionele antennes gebruikt. De antennewinst varieert in de verschillende richtingen en kan weergegeven worden in een diagram. Dit diagram noemt men het antennepatroon en kan in 3D of 2D voorgesteld worden.

Voorbeeld van 2D antennepatronen van een omnidirectionele indoor antenne (Bron: https://amphenol-antennas.com/product/5052450-2/)

Het uitgestraalde vermogen van een zendantenne genereert een intensiteit die uitgedrukt word in watt per vierkante meter (W/m²) en neemt kwadratisch af met de afstand. Deze intensiteit is gerelateerd aan de elektrische veldsterkte, uitgedrukt in volt per meter (V/m).

Uitgestraald vermogen neemt kwadratisch af met de afstand. Bron: Wikipedia (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Inverse_square_law.svg). Licentie: CC BY-SA 3.0

9.1.3.2       Regulering

Gezien bij draadloze communicatie het medium gedeeld wordt tussen verschillende gebruikers en toepassingen, is het belangrijk om het gebruik van draadloze elektromagnetische golven te reguleren. In België gebeurt dit door het Belgisch Instituut voor Post en Telecommunicatie (BIPT). Daarnaast zien de volgende regionale entiteiten ook toe op het respecteren van de normen i.v.m. de intensiteit van elektromagnetische golven in het leefmilieu:

  • Brussel Leefmilieu / Bruxelles Environnement (vroeger: BIM/IBGE)
  • Vlaanderen: Departement Omgeving (vroeger: Leefmilieu, Natuur en Energie: LNE)
  • Wallonië: Institut Scientifique de Service Public (ISSEP)

Het BIPT maakt een frequentieplan op om aan te geven welke frequenties waarvoor gebruikt kunnen worden (militaire toepassingen, meteorologie, ruimtevaart, …). Voor de hier beschouwde draadloze digitale connectiviteit zijn twee groepen frequenties belangrijk. De eerste groep kan vrij gebruikt worden (‘non-licensed’ spectrum) voor de aangegeven toepassingen mits het respecteren van een maximaal zendvermogen en eventuele andere opgelegde beperkingen. De tweede groep bestaat uit frequenties die verkocht worden aan telecomoperatoren (‘licensed’ spectrum) en kunnen enkel door deze operatoren gebruikt worden.

Naast radiogolven kan ook licht (infrarood, zichtbaar, UV) gebruikt worden voor het draadloos overdragen van informatie. Denk bijvoorbeeld aan een afstandsbediening die gebruikt maakt van infrarood om korte berichten naar bv. een TV toestel te sturen. Er bestaan ook zogenaamde Li-Fi of ‘VLC’ (Visible Light Communication) systemen die gebruik maken van LEDs om informatie door te sturen via zichtbaar licht. Hier wordt niet verder op ingegaan.

In onderstaande tabel is een niet-exhaustief overzicht gegeven van enkele veel gebruikte vrij toegankelijke radiofrequenties. Ook zijn enkele voorbeelden gegeven van toepassingen die van deze frequenties gebruik maken:

Enkele ‘non-licensed’ frequentiebanden. Bron: BIPT (https://www.bipt.be/operatoren/frequentieplan)

De gebruiksrechten voor de frequenties uit de tweede groep worden toegekend via veilingen en behoren toe aan de klassieke aanbieders van mobiele telefonie en enkele nieuwere spelers. De frequentiebanden worden o.a. gebruikt voor het aanbieden van diensten voor mobiele telefonie, mobiele data en IoT toepassingen en zijn als volgt verdeeld:

Overzicht ‘licensed’ spectrum in België. Bron: BIPT (https://www.bipt.be/operatoren/publication/bestaande-gebruiksrechten-in-belgie)

Voor de 3500 MHz band gelden de rechten enkel in bepaalde specifieke gebieden (voornamelijk steden). Voor de andere banden gelden de rechten voor heel België.

De toegelaten maximale stralingsintensiteit of veldsterkte (V/m) voor publieke zendantennes wordt opgelegd door de bevoegde regionale overheidsdienst. Voor de mobiele toestellen zelf (die ook een zendantenne bevatten) moet voldaan worden aan EU-richtlijn 2014/53/EU en mag de SAR waarde maximaal 2 W/kg zijn (voor het hoofd en de romp). SAR staat voor Specific Absorption Rate en is een maat voor het maximaal elektromagnetisch vermogen door het lichaam geabsorbeerd t.g.v. het gebruik van een toestel op dichte afstand bij het lichaam (bv. 0.5 cm). Het maximaal vermogen uitgezonden door een toestel ligt typisch tussen 0 dBm (1 mW) en 33 dBm (2 W). Technologieën met een korter bereik (bv. Bluetooth) hebben een lager zendvermogen. Daarnaast ligt het zendvermogen van een toestel bij gebruik van nieuwere technologieën (bv. 4G) vaak lager dan bij oudere technologieën (bv. 2G).

9.1.3.3       Interferentie en ruis

Wanneer meerdere communicatiesystemen in hetzelfde spectrum werken, kunnen de systemen elkaar storen en ontstaat er interferentie. Dit is voornamelijk een probleem bij de frequenties die vrij toegankelijk zijn omdat daar in principe geen limiet staat op het aantal systemen die dezelfde band gebruiken. Bij de systemen die gebruik maken van geveild spectrum is interferentie door externe invloeden in theorie uitgesloten (in praktijk moet het BIPT soms tussenkomen, bijvoorbeeld voor illegale zendinstallaties).

Daarnaast is er ook nog ruis uit de omgeving. Alle elektrische toestellen veroorzaken in grote of kleine mate elektromagnetische ruis. Dit kan bijvoorbeeld een probleem vormen bij schakelaars of motoren. Ook slecht afgeschermde kabels kunnen ruis veroorzaken.

9.1.3.4       Demping

Elektromagnetische golven ondervinden demping wanneer ze zich voorplanten. Enerzijds is er de demping in de vrije ruimte en anderzijds demping door materialen.

De demping in de vrije ruimte is afhankelijk van de afstand. Hoe verder van de zender de ontvanger zich bevindt, hoe zwakker het ontvangen signaal. De demping is echter ook afhankelijk van de frequentie. Hoe hoger deze is, hoe hoger de demping. Onderstaande grafiek geeft de demping in de vrije ruimte weer voor een aantal frequenties en een afstand tot 100 meter:

Bij materialen speelt naast de dikte ook het soort materiaal een grote rol. Zo zal gewapend beton een grotere demping veroorzaken dan hout of gips. Daarnaast is de frequentie opnieuw van belang. Hoe hoger de frequentie, hoe groter de demping zal zijn. Bij hogere frequenties gedragen de golven zich meer en meer als lichtstralen en kan er dus schaduwvorming (zones met weinig tot geen ontvangst) ontstaan door objecten die zich tussen de zender en de ontvanger bevinden.

Ga naar volgende artikel: Soorten netwerken
Keer terug naar de inhoudsopgave