Doba přepínání

V rádiovém datovém přenosu v pásmech 160 až 500 MHz se vyskytují přenosové prostředky nejenom s různou modulační rychlostí (ve 25 kHz kanále od stovek bitů za sekundu až po desítky kilobitů za sekundu), ale také se značně rozdílným časem potřebným pro přepnutí radiostanice z příjmu na vysílání. Existuje rádiový modem s časem přepnutí pod 2 ms, dále je určitá skupina stanic s časem přepnutí v desítkách ms (kolem 40 ms), ale jsou také prostředky s časem nad 100 ms, který bývá častý ve fónických sítích. Proč má přepínací čas radiostanice v datových sítích tak velký význam?

Obvykle se jedná o sítě jednokmitočtové, kde všichni účastníci (radiostanice) mezi sebou posílají (vysílají a přijímají) data na jediném kmitočtu včetně retranslací. Čím je více účastníků a čím častěji potřebují komunikovat, tím efektivněji je třeba kmitočet využívat, neboť jeho kapacitu je omezená. Když si uvědomíme, že v určitém prostoru, kde se navzájem radiostanice slyší, může vysílat vždy jenom jedna z nich, aby nedošlo ke kolizi, zkomolení a tím k nedoručení zprávy, pak nám vyplynou dvě základní podmínky, jak přenést za daný čas co nejvíce zpráv:

  1. Použít radiostanici s co nejrychlejší modulační přenosovou rychlostí s ohledem na předpokládanou vzdálenost komunikace (danou parametrem odstup signál/šum).
  2. Zajistit střídavé vysílání jednotlivých radiostanic tak, aby mezi nimi byla co nejmenší časová prodleva a aby nedocházelo k odeslání zpráv z více radiostanic najednou.

Pokud by byla rádiová siť jenom jednoduchá, s přímou slyšitelností všech stanic, bez retranslací, mohli bychom při řízení komunikace z dispečinku v ideálním rádiovém prostředí tolerovat i trochu delší přepínací časy, neboť by se komunikace stala méně efektivní „jenom“ o rozdíl mezi přepínacím časem výborné (2 ms) a např. průměrné (40 ms) radiostanice. Většina reálných sítí však není hvězdicová, obvyklá je stromová struktura s mnoha retranslacemi a častý je požadavek náhodné nezávislé možnosti vysílání.

Dále je třeba vzít v úvahu, že přidělené kmitočty pro danou oblast nejsou často bez vlivu stejných kmitočtů přidělených jiným uživatelům v dalších lokalitách. A také, vzhledem k existujícímu rušení od přírodních i průmyslových zdrojů a kolísání vlastností přenosové cesty, které se při rádiovém přenosu vždy vyskytují, je pro zajištění spolehlivé a rychlé komunikace a efektivního využití kmitočtu nutné, aby rádiové stanice byly schopny samostatně řídit přístup na kmitočet, kontrolovat předání zprávy a tuto v případě nedoručení opakovat.

Základní princip náhodného kolizního přístupu radiostanice na kmitočet je následující:

  1. V základním stavu je stanice na příjmu, sleduje provoz ostatních stanic a pokud je nějaká zpráva určena pro ni, přijme ji a předá ji ke zpracování
  2. Stanice dostane požadavek na odeslání zprávy, stále poslouchá provoz na rádiovém kanále a čeká až vysílání ostatních stanic utichne.
  3. Je-li na kmitočtu volno, nezačne stanice ihned vysílat, neboť by mohlo dojít k zahájení vysílání několika stanic najednou, které by bylo vlastně synchronizováno ukončením předchozího vysílání jednou z nich. Proto si stanice náhodně vybere jeden z několika časových intervalů – time slotů (tří až deseti), ve kterém začne data vysílat. Do doby odeslání zprávy však stále poslouchá a pokud jiná stanice, kterou slyší, začne vysílat, protože si náhodně vybrala dřívější interval, musí naše stanice počkat s vysíláním zprávy, aby sama nezpůsobila kolizi.
  4. Stanice opakuje činnost přístupu na kmitočet tak dlouho, až se podaří zprávu odeslat. Pak zase poslouchá v základním stavu.

Z uvedeného principu je zřejmé, že čas potřebný k přepnutí stanic je jakási doba nejistoty, kdy stanice již neposlouchá provoz ostatních, ale tím, že sama ještě nevysílá, nemají ostatní informaci, že k tomu neodvratně dojde. Tento čas se prodlužuje ještě o dobu, která uplyne mezi skutečným začátkem vysílání a okamžikem, kdy software přijímající stanice rozpozná, že kanál je obsazen – doba synchronizace.

Pro funkci náhodného přístupu musí být time slot tak dlouhý, aby v této době měla stanice čas přepnout a ostatní ještě stihly zachytit a rozpoznat její vysílání před tím, než by samy chtěly začít vysílat v některém následujícím intervalu. Time slot tedy musí mít minimálně délku maximální přepínací čas radiostanice + maximální doba synchronizace + rezerva na nepřesnost měření času.

Přibližný režijní čas na odeslání jedné zprávy při náhodném kolizním přístupu a typickém nastavení odpovídá 6ti time slotům. Už při rychlosti přepnutí 40 ms to znamená režijní čas 0,25 vteřiny na jeden paket. Průměrná délka vlastní datové zprávy pro telemetrii, řízení technologie, monitorování zabezpečovacích zařízení, přenos polohy mobilních prostředků a podobných aplikací je typicky 10–50 bytů a tudíž trvá několik desítek milisekund. To znamená, že i u relativně rychle přepínající stanice (40 ms) je čas přepnutí rozhodujícím parametrem pro přenosovou kapacitu celé sítě a nedovolí více než přenos 1–2 zpráv za vteřinu. V případě použití bežných hlasových stanic pak je přenos jedné 20ti bytové zprávy za vteřinu nedosažitelná meta nezávisle na tom, jak rychlý modem k stanici připojíme. Naopak systém s přepínacím časem 2 ms předá takovýchto zpráv 10 za sekundu a umožnuje i nasazení složitějších algoritmů pro kolizní přístup, které jsou nezbytné např. v mobilních sítích, kde je režijní čas běžně 10–15ti násobek délky slotu.