Ключевой параметр в беспроводной коммуникации — дальность связи. Одним из основных факторов, от которого зависит дальность, является скорость передачи данных. Если рассматривать телеметрию приборов учета: счетчиков воды, электричества, газа или тепла, где требуется передача небольших пакетов данных до 8 байт, во главу угла встает дальность передачи показаний.
Технические возможности увеличить дальность связи
Есть несколько технических возможностей увеличить дальность за счет снижения скорости передачи. Сегодня при передаче данных в LPWAN используются два подхода:
- Сужение полосы спектра с целью снижения уровня помех на приемнике — узкополосный подход, который использует СРТ;
- Использование широкополосного кодирования на более высоких битовых скоростях для борьбы с бóльшим уровнем шума в приемнике — подход LoRa в сетях LoRaWAN.
Как работает XNB
На физическом уровне для передачи сигнала в сети СРТ используется модуляция DBPSK.
Ширина полосы канала, передающего устройства, при этом составляет 100 Гц, при минимальном битрейте в 50 бод. Узкополосный сигнал в 100 Гц и высокая энергетика на каждый бит передаваемой информации обеспечивают превосходный энергетический потенциал канала связи (link budget) и высокую помехоустойчивость.
Использование в устройствах СРТ качественных комплектующих с низким потреблением и высоким КПД позволяет добиться высокой энергоэффективности и длительного времени автономной работы устройств от батареи. А базовые станции нового поколения с оптимизированным запатентованным методом блочного кодирования и дополнительными математическими алгоритмами дают на приеме чувствительность -154 дБм.
Сложности использования узкополосного метода
Высокие требования к стабильности кварцевого генератора традиционно являлись препятствием для использования узкополосных систем. Сегодня показатели точности коммерчески доступных кварцевых генераторов значительно улучшены, что дает возможность использовать узкополосный подход с минимальными затратами на комплектующие, при значительной экономии имеющегося частотного ресурса.
Как работает LoRa
LoRa использует собственный метод модуляции, основанный на технике расширения спектра (spread spectrum modulation) и вариацию линейной частотной модуляции (chirp spread spectrum), при которой данные кодируются широкополосными импульсами.
Такое решение, в отличие от технологии прямого расширения спектра, делает приемник устойчивым к отклонениям частоты от номинального значения и упрощает требования к тактовому генератору, что позволяет использовать недорогие кварцевые резонаторы.
Почему «открытость» LoRa условная
Поставщики решений на LoRa заявляют об открытости технологии и создании открытой экосистемы. Однако для конечного заказчика эта «открытость» — условная.
1. Разработавшая технологию LoRa американская компания Semtech производит ещё чипы и микросхемы. Физический уровень PHY LoRa жестко привязан к производимому семейству чипов. Это означает, что любые решения на LoRa должны быть реализованы на чипах Semtech.
Это большое ограничение: международные торговые войны или прекращение работы Semtech поставит под сомнение дальнейшее развитие проектов на базе LoRa.
2. Конечные устройства (счетчики, датчики) разных производителей несовместимы и невзаимозаменяемы.
Устройства имеют разное микропрограммное обеспечение, алгоритмы упаковки данных (уровень представления данных модели OSI) у всех производителей свои. При переходе от одного LoRa-провайдера к другому заказчику необходимо самостоятельно решить вопрос совместимости. Эта задача потребует разработки своего приложения для обработки «сырых» данных от устройств.
3. Ключи шифрования хранятся исключительно на сервере поставщика решения, который поставлял устройства заказчику. При переходе к другому LoRa-провайдеру, без ключей шифрования устройства использовать не получится — решение не заработает.
Конечный клиент, использующий решение одного LoRa-провайдера, остается жестко привязанным к поставщику этого решения. При попытке перехода к другому LoRa-провайдеру он вынужден будет сменить базовые станции, конечные устройства и программное обеспечение — т.е. всю систему.
4. С целью «удержать» клиента отдельные производители блокируют станции на программном уровне, по аналогии с сотовыми операторами, которые блокируют свои модемы. Цель блокировки — развитие своей сети и предотвращение «утечек» клиентской базы от одного провайдера к другому.
5. Производитель настраивает свои решения на работу по определенному частотному плану (от 868,7 до 869,2 МГц) на частоты, на которых работают только его базовые станции. Частотные планы производителей не совпадают. К примеру, частоты российских поставщиков LoRa-оборудования совпадают всего на 30-50%. Это означает, что около половины сообщений на базовой станции другого производителя приняты не будут.
Сложности использования широкополосного кодирования
За счет кодовой манипуляции LoRa позволяет демодулировать сигналы на уровне до -20 дБ относительно уровня шумов, но при этом провоцирует ряд негативных факторов, которые в конечном счете влияют на радиус действия сети.
Использование спектра
Основной недостаток применения широкополосной кодовой манипуляции — низкая эффективность использования частотного спектра. Такой подход уменьшает количество устройств, способных работать в определенном частотном диапазоне.
В полосе 125 кГц, которая требуется LoRa для кодирования одного канала, используя узкополосный метод можно получить до 1250 каналов. А значит использовать до 1250 устройств СРТ, без ухудшения характеристик, вместо одного устройства LoRa.
Размен большей чувствительности на меньшую эффективность спектра (более широкую частотную полосу) идет вразрез с отечественными регламентами и мировой практикой по рациональному использованию частотного ресурса. Возрастающие потребности беспроводных устройств, в том числе и LPWAN-датчиков будут стимулировать потребность в экономии частотного ресурса по всему миру. Именно поэтому СРТ выбрал подход узкополосной модуляции.
Снижение помехоустойчивости от смежных устройств
Помехозащита в случае использования широкополосного сигнала обеспечивается лишь за счет кодирования.
Устройства с широкополосными сигналами при одновременной работе в одном канале позволяют добиться защиты от помех на уровне 10 - 20 дБ. Трансиверы, используемые СРТ, дают до 65 дБ защиты от помехи на соседнем канале — 45 дБ разницы по сравнению с LoRa. 45 дБ дают огромную разницу по надежности и помехоустойчивости в реальных условиях.
При большом времени передачи система становится уязвимой к помехам от других устройств, работающих в этой же полосе. Для широкополосной связи резко повышается вероятность коллизий с сигналами от таких устройств. Эту ситуацию уже невозможно компенсировать улучшенным кодированием. Результат — резкое снижение дальности стабильной работы такой системы: устройства, находящиеся на предельно дальней дистанции, уже «не будут услышаны».
Почему LoRa легко «заглушить»
Принимающие станции LoRa могут определять преамбулы на всех скоростях всех каналов IF3 - IF10. Однако, они не могут демодулировать более чем 8 пакетов одновременно. Это происходит в связи с архитектурными особенностями, когда определение преамбулы, выделения полезных данных и демодуляция сигнала происходят раздельно.
Количество одновременных демодуляций равно 8. Станции LoRa могут определить принадлежность пакета только после того, как они демодулируют его. Поэтому станция LoRa принимает все пакеты, а «свои» выделяет после демодуляции. Любой пакет данных даже из «чужой» сети, принятый «своей» станцией блокирует получение любого «своего» пакета на этом же канале до тех пор, пока он не будет полностью принят.
Таким образом, любой желающий может вполне легитимно, отправляя с восьми LoRa-модемов произвольные данные, без остановки, заблокировать все 8 каналов в любой сети LoRa в любом городе. Станция будет вынуждена принимать пакеты, идущие от «чужих» модемов в ущерб пакетам из «своей» сети.
Резюме
Узкополосная модуляция, используемая СРТ для увеличения дальности действия системы, позволяет экономно расходовать частотный ресурс, обеспечить масштабируемость на определенной территории без потери надежности доставки сообщений. Более высокие требования частоте передачи при таком подходе, компенсируются возможностями современных кварцевых генераторов.
Метод широкополосного кодирования не требователен к параметрам тактового генератора, и при передаче данных на большие расстояния позволяет добиться большей чувствительности на приеме. Однако такой подход приводит к нерациональному использованию спектра, ухудшению электромагнитной совместимости и как следствие снижению максимального количества устройств, работающих в определенном радиусе.
Сравнивая показатели на приеме, отмечаем базовые станции СРТ на 20 дБм чувствительнее, чем у провайдеров решений на LoRa (см. LoRa Basestation - Link Labs). Теория распространения радиоволн говорит о том, что 20 дБм в открытом пространстве дают в 10 раз более длинную дистанцию, или две дополнительные стены в городе.
Для отправки комментария необходимо войти на сайт.