Geekly articles weekly

إنترنت الأشياء: LoRa مقابل UNB. الجزء الأول: الفيزياء

الأول من سلسلة مقالات مخصصة لوصف الاختلافات الرئيسية بين تقنيات الراديو بعيدة المدى منخفضة الطاقة ، والتي يتم استخدامها الآن على نطاق واسع في إنترنت الأشياء: LoRa النطاق العريض من أنظمة النطاق الضيق (UNB ، Ultra Narrow Band) مثل Sigfox و Strizh

  1. إنترنت الأشياء: LoRa مقابل UNB. الجزء الأول: الفيزياء
  2. : LoRa UNB. 2:
  3. : LoRa UNB. 3:
  4. : LoRa UNB. 4: LoRa

بدأ موضوع الاتصالات اللاسلكية منخفضة الطاقة ، التي تسمح ، دون تجاوز النطاقات غير المرخصة (التي عادة ما تكون بقدرة 25 ميجاوات) ، بإرسال بيانات منخفضة السرعة على مسافات من 1-3 إلى 10-30 كيلومترًا ، في روسيا في التطور السريع في الأشهر الستة الماضية. أي أنهم تحدثوا عن ذلك قبل ذلك ، لكن التطبيقات العملية كانت نادرة جدًا ، وكان هناك عدد قليل جدًا من المطورين والمتكاملين الذين يمكنهم إنشاء مشروع حول هذه التقنيات.

نحن الآن على وشك نقطة تحول: على الرغم من أن المشاريع الكبيرة لا تزال متوقعة في المستقبل فقط (ولكن من الممكن بالفعل التنبؤ بأن هذا المستقبل هو مسألة أشهر وليس سنوات) ، فقد ظهر اهتمام جدي بين شركات التكامل والعملاء في تقنيات اتصالات إنترنت الأشياء ، علاوة على ذلك ، ليس فقط بالكلمات ، ولكن أيضًا بالرغبة الفورية في تجربة هذه التقنيات عمليًا.

المنافسة الرئيسية في هذا القطاع الآن بين LoRa النطاق العريض و Sigfox النطاق الضيق (وبالتحديد في روسيا - تقنية Strizh-Telematics مماثلة لها). في المستقبل ، سيتم إضافة بروتوكول UNB عديم الوزن إلى هذه القائمة ، بالإضافة إلى الشبكات التي يروج لها موردو الأجهزة الخلوية الكلاسيكية - NB-IoT و LTE-M ، ولكن هذا سيحدث في غضون عامين أو ثلاثة أعوام.

إذن ما الفرق - وماذا تختار لمشروع محدد؟ دعنا نذهب.
من السمات الشائعة لجميع هذه التقنيات أنها تسمح لك بتنظيم قناة اتصال لاسلكي منخفضة السرعة في نطاقات الوحدات ، وأحيانًا عشرات الكيلومترات ، دون تجاوز حدود النطاقات اللاسلكية غير المرخصة (كقاعدة عامة ، تعمل هذه الأنظمة في نطاق 864-869 ميجا هرتز بسعة تصل إلى 25 ميجاوات). من الناحية الفنية ، سنتحدث عن القيود على الاستخدام التي تفرضها نماذج الأعمال لأصحاب التكنولوجيا في المرة القادمة - وهذا يسمح لنا بحل المشكلات المثيرة للاهتمام ، على سبيل المثال:

  • جمع لاسلكي لقراءات العدادات في الإسكان والخدمات المجتمعية على نطاق واسع وعلى نطاق أوسع ؛
  • المراقبة اللاسلكية في الوقت الحقيقي لحالة التكنولوجيا في المواقع المفتوحة الكبيرة ، من مواقع البناء إلى المحاجر ؛
  • استبدال شبكات جمع البيانات ذات التيار المنخفض والمكلفة في مدها وصيانتها في المنشآت الكبيرة ، خاصة تلك المنتشرة عبر مقياس الكيلومتر المربع ؛
  • بناء شبكات مرحلات لاسلكية ممتدة على طول خطوط الكهرباء وخطوط الأنابيب والسكك الحديدية وما إلى ذلك. الأشياء ؛
  • تنظيم شبكات جمع البيانات الخلوية عن بُعد بتغطية وتكلفة متواصلة أقل بمقدار مرة أو مرتين من حجم شبكات الهواتف الخلوية الكلاسيكية.

وكل هذا رخيص ، دون الحاجة للحصول على ترخيص لاستخدام طيف الترددات الراديوية مع القدرة على تشغيل الأجهزة النهائية من البطاريات أو الخلايا الشمسية الصغيرة.

استخدام طيف الترددات الراديوية


ومع ذلك ، في الطريقة التي يعمل بها هذا الاتصال ، فإن التقنيات المذكورة أعلاه مختلفة تمامًا - في الواقع ، تنقسم إلى مجموعتين: النطاق العريض UWB (النطاق العريض للغاية ، الذي يتم سرد LoRa فقط) وضيق النطاق UNB (نطاق ضيق للغاية ، في موقعنا الحالة هي Sigfox و Swift ، وكذلك الحالة قيد التطوير حاليًا. هناك عدد من الاختلافات التي تنبثق من ذلك ، والتي - وليس بصراحة دائمًا - أولئك الذين يريدون الإعلان عن تقنية أو أخرى يتمسكون بها.

  • UWB: تشغل قناة واحدة نطاقًا على الهواء بعرض 125 أو 250 كيلوهرتز
  • UNB: قناة واحدة تشغل فرقة على الهواء بعرض 100 هرتز

في روسيا ، في النطاق المسمى تقليديًا "868 ميجاهرتز" ، يتوفر نطاقان ترددان رسميًا للأجهزة غير المتخصصة: 864.0-865.0 ميجاهرتز بفترة نشطة لا تزيد عن 0.1٪ وحظر العمل بالقرب من المطارات و 868.7- 869.2 ميغاهرتز دون مثل هذه القيود. ببساطة ، في الحالة العامة ، لدينا 500 كيلو هرتز فقط من نطاق التردد المتاح لنا.

قنوات LoRa بعرض 125 كيلو هرتز ، من الواضح ، ثلاث قطع فقط تناسب هذا النطاق. هناك المئات من قنوات Sigfox أو Swift. كقاعدة ، يتم تقديم هذه الحقيقة من قبل مطوري أنظمة UNB كميزة واضحة - يمكن أن تتعايش مئات الآلاف من الأجهزة على الهواء دون التدخل في بعضها البعض.

ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، كل شيء أكثر تعقيدًا إلى حد ما.

في أنظمة UNB ، يمكن لمستقبل محطة قاعدة واحدة استقبال قناة واحدة فقط في كل مرة.هذه أطروحة واضحة إلى حد ما وغالبًا ما يتم نسيانها. يشير مصطلح "فصل التردد" إلى قدرة جهاز الاستقبال على فك هذه القناة من البث بحيث لا تتداخل مع الإرسال في القنوات المجاورة - وإذا كنا نستقبل شيئًا على القناة N في الوقت الحالي ، ثم على القنوات N + 1 و N- 1 لا يمكننا قبول أي شيء في نفس الوقت.

لا تستخدم أنظمة UWB التردد والوقت فحسب ، بل تستخدم أيضًا تقسيم الشفرات للقنوات.في شبكات LoRa ، يمكن للجهاز النهائي تحديد مخطط تعديل معين - وقد تم تصميم محطة LoRa الأساسية بحيث يمكنها فصل تدفقات البيانات من العديد من الأجهزة التي تعمل في نفس الوقت على نفس قناة التردد مع مخططات تعديل مختلفة. هذا المخطط له حدوده ، وعمليًا نحن نتحدث عن قدرة BS على فك تشفير إشارة من عدد قليل من الأجهزة في نفس الوقت - ولكن ، مع ذلك ، أن نقول أنه في أنظمة UWB يمكن أن يعمل جهاز واحد فقط في كل مرة ، وفي UNB - المئات بشكل غير صحيح.

من الناحية النظرية ، يمكن ملاحظة ميزة أنظمة UNB عند نشر العديد من الشبكات في منطقة واحدة - يمكن فصلها بسهولة في التردد. ومع ذلك ، أولاً ، يمكن أيضًا فصل ما يصل إلى ثلاث شبكات LoRa بترددات مختلفة (وإذا أنشأنا شبكة ، على سبيل المثال ، نحن راضون تمامًا عن المرافق ودورة العمل 0.1٪ ، فيمكننا إخمادها عند 864-865 ميجاهرتز) ثانيًا ، يعد تنوع الترددات للشبكات المختلفة في نطاق غير منظم طوباوية ، كما يعرف كل مالك جهاز توجيه Wi-Fi في مبنى سكني.

نصيحة عملية: بعد أن سمعت عن مزايا شبكات UNB في استخدام الطيف ، ابدأ بإدمان لاستجواب الراوي حول كيفية تنفيذ قفزة التردد في نظامه ، أي إمكانية ضبط تردد التشغيل للأجهزة على الطاير.

أنظمة UNB حساسة للغاية لدقة التردد. هذه أيضًا أطروحة واضحة - إذا كان لديك نطاق التردد بالكامل 100 هرتز (Sigfox ، "Swift") ، فإن حتى خروجًا صغيرًا من تردد مرنان الكوارتز للجهاز النهائي سيؤدي إلى خفض تردد التشغيل الخاص به خارج النطاق المحدد. أبعد من ذلك. يمكنك الحساب لنفسك -  خطأ مرنان جدًا يبلغ 10 جزء في المليون ، أي 0.001٪ في درجة حرارة الغرفة ، و 15 جزءًا في المليون (0.0015٪) أعلاه عندما تتغير درجة الحرارة من -40 إلى +85 درجة مئوية. تبدو الأرقام ضئيلة - ولكننا نأخذ هذه النسب من 868،000،000 هرتز ونقارن النتيجة بـ 100 هرتز ...

فماذا تفعل مع حقيقة أن جهاز الإرسال في أنظمة UNB يبث غير واضح في أي نطاق؟ يتم تحديد ذلك على مستوى المحطة الأساسية: يجب أن تكون قادرة ، عندما ترى إشارة في نطاق واسع ، على ضبطها بسرعة. لسوء الحظ ، من الصعب تنفيذ نفس الخوارزميات على مستوى جهاز طرفي صغير ورخيص واقتصادي ، لذلك لا يتم تنفيذ الاتصال ثنائي الاتجاه في UNB في جميع الأنظمة وليس في جميع الظروف. لطالما كان نفس اتصال Sigfox أحادي الاتجاه بشكل صارم.

توفر أنظمة UWB قناة اتصال متناظرة.بفضل عرض النطاق الترددي لمئات الكيلو هرتز ، يوفر LoRa اتصالًا متناظرًا عندما ينحرف التردد بنسبة 25٪ من عرض القناة (31.25 كيلوهرتز بعرض 125 كيلوهرتز) ، وهو ما يعني في نطاق 868 ميجاهرتز خطأ مرنان مسموحًا به 35 جزءًا في المليون. تسمح البلورة الجيدة ، ولكن المنتشرة إلى حد كبير مع وجود خطأ أساسي يبلغ ± 10 جزء في المليون ودرجة حرارة تبلغ ± 15 جزء في المليون ، للجهاز النهائي LoRa بالشعور بالراحة في نطاق درجة الحرارة الكاملة -40 ... + 85 درجة مئوية.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك شيء غير سار لشبكات UNB مثل تأثير دوبلر. يفقد Sigfox الاستقرار حتى عند سرعة الجهاز النهائي في منطقة 5-10 كم / ساعة ، أي أن نظام مراقبة الدراجة على Sigfox هو بالفعل مهنة لهواة حقيقيين في مجالهم. على النقيض من ذلك ، فإن LoRa لديها حساسية قليلة للسرعات - على الرغم من أنه في الحالة العامة ، يجب مراعاة التسارع ، حيث مرنانات الكوارتز حساسة لهم.

نصيحة عملية: بعد أن سمعت عن مزايا شبكات UNB في استخدام الطيف ، ابدأ بالانحياز لاستجواب الراوي عن مدى تماثل الاتصال في هذا النظام وفي أي ظروف يعمل هذا التناظر.

معدل البيانات


إن نظرية Kotelnikov-Shannon ، للأسف ، ليس لديها مكان تذهب إليه: لا يمكنك فقط التقاط ودفع تيار الميغابت في نطاق التردد 100 هرتز.

تعمل أنظمة UNB بسرعة منخفضة ثابتة . بشكل أكثر تحديدًا ، يحتوي Sigfox على معدل نقل بيانات 100 بت في الثانية ، و Swift لديه 50 بت في الثانية.

تعمل أنظمة UWB بسرعة تكيفية . اعتمادًا على قوة الإشارة ، يمكن أن تعمل LoRa بسرعات من 30 بت / ثانية إلى 50 كيلوبت / ثانية. في شبكات LoRaWAN الخلوية ، يتم تحديد السرعة تلقائيًا ؛ في شبكات LoRa المحلية ، يمكن تثبيت السرعة عند مستوى يضمن تغطية موثوقة للكائن المطلوب مع الاتصال.

وهذا يعني عمليًا مرونة كبيرة في استخدام أنظمة UWB ومساعدتها في تجنب التصادمات على الهواء. كلما أسرع جهاز المشترك في نقل بياناته إلى محطة BS ، زادت سرعة تحرير الهواء. على الرغم من أن LoRa ، بسبب نظام التشكيل المعقد ، لديها طول حزمة شبكة أطول من أنظمة UNB (التمهيد الطويل) ، فإن هذا يعوضه أكثر من خلال معدل نقل بيانات أعلى.

من الناحية العملية ، يؤدي هذا إلى قيود صارمة إلى حد ما على أنظمة UNB: على سبيل المثال ، في Sigfox ، يكون الحد الأقصى لكمية بيانات المستخدم هو 12 بايت ، ويستغرق نقلها عدة ثوان ، وتحدد شروط الاتصال بشبكة Sigfox أنه لا يمكن لكائن واحد إرسال أكثر من 140 رسالة في اليوم .

نصيحة عملية: بعد أن سمعت عن الملايين من الأجهزة التي تعمل في وقت واحد ، ابدأ بإدمان لاستجواب الراوي عن عدد الرسائل يوميًا ومدة استقبال محطة قاعدة واحدة.

نطاق الاتصال


بشكل عام - نفس الشيء. يعتمد نطاق الاتصال في جميع هذه التقنيات إلى حد كبير على ظروف التضاريس: على سبيل المثال ، إذا كان في منطقة مفتوحة وفي موقع هوائي مرتفع ، يوفر LoRa BS نطاقًا حتى أعلى من 30 كم الموعودة ، ثم في غابة كثيفة تنخفض إلى 1-2 كم حتى عند السرعة الدنيا .

ميزة LoRa في هذا الأمر هي أنه على خلفية المنافسين ، LoRa هي تقنية مفتوحة إلى حد ما ، هناك العديد من الشركات المشاركة في العالم ، وبالتالي من السهل نسبيًا العثور على أوراق بيضاء ومراجعات مختلفة تشير إلى النطاق الفعلي الذي تم تحقيقه.

بشكل عام ، يمكننا أن نفترض أن كل هذه التقنيات توفر مدى يتراوح بين 1-3 كيلومترات في المناطق الحضرية و 15-20 كيلومترًا في المناطق المفتوحة. يمكن زيادة النطاق بسبب الموقع المفيد للهوائيات: على سبيل المثال ، يمكن أن تعني الكلمات "في المناطق الحضرية" أجهزة المشتركين الموجودة في الجزء الخلفي من المباني ومجهزة بهوائيات مطبوعة صغيرة الحجم ، بالإضافة إلى أضواء الشوارع التي يمكن التحكم فيها مع هوائيات سوط عادية في الهواء الطلق وعلى الأقل خمسة أمتار من الأرض.

استهلاك الطاقة


يتم تحديد استهلاك الطاقة للأجهزة النهائية في جميع التقنيات المذكورة أعلاه بنقطتين - الكمال التكنولوجي لشريحة الإرسال والوقت الذي تقضيه في الإرسال.

بشكل عام ، في أي نظام من الممكن توفير التشغيل لمدة 5 سنوات على الأقل على بطارية واحدة. تتمتع شبكات UWB بميزة على UNB عند العمل على مسافات قصيرة ، عندما يمكن أن تتجاوز سرعتها 1 كيلو بت في الثانية - مما يقلل بشكل كبير من وقت نشاط المرسل.

الملخص


على الرغم من أن تقنيات UNB و UWB قابلة للتطبيق في كثير من الحالات ، إلا أن هناك اختلافات ملحوظة بينهما يمكن أن تلعب لصالح حل معين. لذلك ، على شبكات UNB ، يمكن تنفيذ تعديل سريع لتكرار عمل الأجهزة (قفزات التردد) لتجنب التصادمات والتداخل - ومع ذلك ، في حالة تقنيات معينة ، سواء Sigfox أو Strizh ، من الضروري أيضًا معرفة ما إذا كان يتم تنفيذه ، وكذلك كيف وإلى أي مدى يعمل.

من ناحية أخرى ، تتمتع شبكات UWB القائمة على تقنية LoRa بمرونة أكبر بكثير في المعلمات ، مما يسمح باستخدامها في المشاريع التي لا تستخدم فيها شبكات UNB إلا القليل. توفر شبكات LoRa معدلات نقل بيانات محتملة كبيرة ، واتصالات ثنائية الاتجاه متناظرة ، وهي أقل حساسية لدرجات الحرارة القصوى وسرعة حركة الجهاز النهائي.

ومن المثير للاهتمام ، أن هذا ينطبق أيضًا على تطبيقات LoRa الممكنة من وجهة نظر تجارية - في الوقت الحالي ، تعطي هذه التقنية بالفعل نموذج الأعمال وتفاصيل التنفيذ الفني للمشروع لتقدير العميل. لكن المزيد عن ذلك في الجزء التالي.

تقوم شركة Unwired Devices بتطوير وتصنيع وحدات اتصال لشبكات شبكة 6LoWPAN وشبكات LoRa للمسافات الطويلة ، بالإضافة إلى أجهزة الاستشعار والأجهزة الطرفية الأخرى لهذه الشبكات ، بما في ذلك الأجهزة والبرامج الثابتة التي تدعم تقنيات الشبكة الضرورية. في حالة شبكات LoRa ، نقوم بتطوير جميع الطوبولوجيا الممكنة: شبكات الترحيل الراديوي والشبكات الثابتة ، وشبكات الكائنات من النوع النجمي من محطة BS واحدة وشبكات LoRaWAN العالمية.

Source: https://habr.com/ru/post/ar396869/

More articles:


All Articles