Draadloze communicatie
Frank Vanheel, Patrick Van Torre en Jo Verhaevert
In de Vakgroep Elektronica wordt er onderzoek gedaan naar alle aspecten van draadloze communicatie en meer specifiek in het domein van industriële en huiselijke omgevingen naar draadloze gegevensuitwisseling van sensoren en actuatoren. Dergelijke netwerken vereisen een beperkte bitsnelheid, een minimaal batterijverbruik en zo goed als geen complexiteit in vergelijking met bestaande standaarden. In vele gevallen zijn deze draadloze sensornetwerken ook goedkoper, geschikter of zelfs de enig mogelijke oplossing, zoals bijvoorbeeld bij bewegende onderdelen waar bekabeling onmogelijk is.
Deze draadloze sensornetwerken of meer specifiek LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Networks) zijn al geruime tijd vastgelegd in een standaard, ontwikkeld door IEEE-SA (Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association) onder het nummer IEEE 802.15.4. Door kostprijs en vermogenverbruik op de eerste plaats te zetten en grotere bitsnelheden en bereiken pas op de tweede plaats, staat deze standaard in sterk contrast met de huidige draadloze technologieën. Hij heeft dan ook niet de bedoeling om in concurrentie te gaan met andere standaarden, maar wil ze eerder aanvullen wat betreft de ondergrens voor bitsnelheid, vermogenverbruik en kostprijs. Typische toepassingen kunnen worden gevonden in domotica, inbraakdetectie, gebouwautomatisering, industriële automatisering, patiëntenmonitoring, lokalisatie...
Voor een draadloos sensornetwerk modelleren we elke stap van zender naar ontvanger in een testplatform met een bestaand softwarepakket (Matlab, Simulink, LabVIEW...). Er wordt ook een uitgebreid propagatiemodel toegevoegd, zodat reflecties, transmissies en diffracties van de voortgeplante golven in de meest complexe testomgevingen kunnen worden gesimuleerd. De belangrijkste eigenschappen worden grondig uitgetest: energieverbruik, zelforganiserend zijn van het netwerk, invloed van storingen, frequentieband, afstanden en dergelijke.
Met data-acquisitiekaarten krijgen we meetresultaten met een gemengd gesimuleerd/gerealiseerd netwerk. Daarenboven bekijken we de mogelijkheid van lokalisatie in dergelijke netwerken. Ook wordt een koppeling met het internet via een Ethernet Gateway uitgebreid onderzocht en geïmplementeerd. We zoeken naar mogelijkheden om prioriteiten en Quality of Service (QoS) toe te voegen in het transmissieprotocol. Door de minder voorspelbare beschikbaarheid, door de beperkte stabiliteit van de verbinding en door de lagere bandbreedte is er immers een grote nood naar dergelijke draadloze QoS niveaus. We bekijken ook het antennegedeelte, waar in sommige applicaties de directiviteit van de antenne in een bepaalde richting de bereikbaarheid kan verbeteren. Die gerichtheid kunnen we eventueel realiseren door een adaptief antennerooster, dat indien nodig wordt ontworpen met het Numerical Electromagnetics Code (NEC) software pakket.
Hierbij sluit ook het onderzoek naar MIMO (Multiple Input - Multiple Output) antennesystemen aan. Bij deze systemen wordt bij zenden en ontvangen een rooster van antennes gebruikt. Door het kiezen van het juiste amplitude- en faseverband tussen de verschillende signalen is het mogelijk om aan bundelsturing te doen, waardoor de communicatie in een welbepaalde voorkeurrichting verloopt en dit zowel bij zenden als ontvangen. Door het toepassen van bundelsturing wordt als het ware een ruimtelijk kanaal gecreëerd waardoor de capaciteit van een netwerk kan vergroten zonder dat er extra bandbreedte nodig is. Dit principe kan werken voor meerdere signalen in verschillende richtingen op hetzelfde antennerooster. Bovendien neemt de signaalkwaliteit toe in vergelijking met het gebruik van één enkele omnidirectionele antenne. Bij toepassing van bundelsturing in combinatie met mobiele gebruikers is de richting op voorhand niet gekend. Die richting kan geschat worden op basis van de amplitudes en fases van de signalen die op de verschillende antennes ontvangen worden. Dit wordt DOA schatting genoemd, ofwel direction of arrival estimation.
Bij mobiele gebruikers kan de aankomstrichting op korte tijd sterk variëren omdat er, vooral in een stedelijke omgeving, veel reflecties op gebouwen voorkomen. Een realtime bundelsturingssysteem zal dus zeer snel opeenvolgende schattingen moeten kunnen maken van de aankomstrichting om de communicatiekwaliteit optimaal te houden. Bij mobiele gebruikers stelt zich ook het probleem van snelle fading van de signalen. Terwijl de gebruiker zich verplaatst, varieert de signaalsterkte drastisch. Dit effect wordt veroorzaakt door de soms constructieve, soms destructieve interferentie van de verschillende gereflecteerde signalen die het antennesysteem bereiken. Bij het gebruik van een antennerooster zal het signaal niet op alle antennes even sterk zijn en kunnen we de signalen op een manier combineren zodat de fading minder hinderlijk is dan bij het gebruik van één antenne. We noemen dit spatial diversity.
Het doctoraatsonderzoek van Frank Vanheel ("Ontwerp van prioriteitsprotocollen en QoS in de ZigBee standaard") loopt via een samenwerking met Prof. Dr. Ir. I. Moerman (Universiteit Gent - Departement INTEC, onderzoeksgroep IBCN).
Het doctoraatsonderzoek van Patrick Van Torre ("Realisatie van een realtime adaptief MIMO antennesysteem") loopt via een samenwerking met Prof. Dr. Ir. H. Rogier (Universiteit Gent - Departement INTEC, onderzoeksgroep Elektromagnetisme).
Beide doctoraatsonderzoeken staan onder de leiding van dr. ir. Jo Verhaevert.