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Internet der Dinge: LoRa vs. UNB. Teil 1: Physik

Der erste einer Reihe von Artikeln, die sich mit der Beschreibung der Hauptunterschiede zwischen Langstrecken-Funktechnologien mit geringem Stromverbrauch befassen, die im Internet der Dinge immer beliebter werden: LoRa-Breitband von Schmalbandsystemen (UNB, Ultra Narrow Band) wie Sigfox und Strizh

  1. Internet der Dinge: LoRa vs. UNB. Teil 1: Physik
  2. : LoRa UNB. 2:
  3. : LoRa UNB. 3:
  4. : LoRa UNB. 4: LoRa

Das Thema Funkkommunikation mit geringem Stromverbrauch, mit dem in Russland in den letzten sechs Monaten Daten mit geringer Geschwindigkeit in Entfernungen von 1 bis 3 bis 10 bis 30 Kilometern übertragen werden konnten, ohne über die nicht lizenzierten Bereiche (dh normalerweise für eine Leistung von 25 mW) hinauszugehen, begann sich rasch zu entwickeln. Das heißt, sie haben vorher darüber gesprochen, aber praktische Anwendungen waren sehr selten, und es gab nur sehr wenige Entwickler und Integratoren, die ein Projekt mit solchen Technologien durchführen konnten.

Jetzt stehen wir kurz vor einem Wendepunkt: Obwohl große Projekte erst in der Zukunft erwartet werden (aber es kann bereits vorhergesagt werden, dass diese Zukunft eine Frage von Monaten und nicht von Jahren ist), ist bei Integratoren und Kunden ein ernsthaftes Interesse an IoT-Kommunikationstechnologien aufgetreten und zum Ausdruck gebracht worden nicht nur in Worten, sondern auch in dem unmittelbaren Wunsch, diese Technologien in der Praxis auszuprobieren.

Der Hauptwettbewerb in diesem Segment besteht derzeit zwischen LoRa-Breitband und Sigfox-Schmalband (und speziell in Russland - der ähnlichen Strizh-Telematics-Technologie). Zukünftig werden das Weightless UNB-Protokoll sowie Netzwerke, die von den Anbietern der klassischen zellularen Kommunikationsgeräte NB-IoT und LTE-M gefördert werden, in diese Liste aufgenommen. Dies wird jedoch in zwei oder drei Jahren geschehen.

Was ist der Unterschied - und was für ein bestimmtes Projekt zu wählen? Lass uns gehen.
Allen diesen Technologien ist gemeinsam, dass Sie damit einen drahtlosen Kommunikationskanal mit niedriger Geschwindigkeit in Entfernungen von Einheiten und manchmal mehreren zehn Kilometern organisieren können, ohne die Einschränkungen nicht lizenzierter Funkbänder zu überschreiten (solche Systeme arbeiten in der Regel im Bereich von 864 bis 869 MHz) mit einer Leistung von bis zu 25 mW). Technisch werden wir beim nächsten Mal über die Nutzungsbeschränkungen sprechen, die durch Geschäftsmodelle von Technologieeigentümern auferlegt werden - dies ermöglicht es uns, ziemlich interessante Probleme zu lösen, zum Beispiel:

  • drahtlose Erfassung von Zählerständen in Wohngebäuden und kommunalen Diensten in großem und größerem Umfang;
  • Drahtlose Echtzeitüberwachung des Standes der Technik an großen offenen Standorten, von Baustellen bis zu Steinbrüchen;
  • Ersatz von Niedrigstrom-Datenerfassungsnetzen, deren Verlegung und Wartung in großen Anlagen, insbesondere auf Quadratkilometern, teuer sind;
  • den Bau erweiterter Funkrelaisnetze entlang von Stromleitungen, Pipelines, Eisenbahnen usw. Objekte;
  • Die Organisation von Mobilfunk-Telemetrie-Erfassungsnetzen mit kontinuierlicher Abdeckung und Kosten ist um 1-2 Größenordnungen niedriger als die von klassischen Mobilfunknetzen.

Und das alles ist billig, ohne dass eine Lizenz zur Nutzung des Hochfrequenzspektrums erforderlich ist und die Endgeräte mit Batterien oder kleinen Solarzellen betrieben werden können.

Verwendung des Hochfrequenzspektrums


In der Funktionsweise dieser Verbindung unterscheiden sich die oben aufgeführten Technologien jedoch erheblich. Tatsächlich lassen sie sich in zwei Gruppen einteilen: Breitband-UWB (Ultra Wide Band, auf das nur LoRa Bezug nimmt) und Schmalband-UNB (Ultra Narrow Band) der Fall ist Sigfox und Swift sowie das derzeit in Entwicklung befindliche Weightless). Daraus ergeben sich eine Reihe von Unterschieden, für die - nicht immer ehrlich - diejenigen, die für die eine oder andere Technologie werben wollen, daran festhalten.

  • UWB: Ein Kanal belegt ein Luftband mit einer Breite von 125 oder 250 kHz
  • UNB: Ein Kanal belegt ein Luftband mit einer Breite von 100 Hz

In Russland sind in dem üblicherweise als „868 MHz“ bezeichneten Bereich offiziell zwei Frequenzbänder für nicht spezialisierte Geräte verfügbar: 864,0-865,0 MHz mit einer aktiven Periode von nicht mehr als 0,1% und einem Arbeitsverbot in der Nähe von Flughäfen und 868,7- 869,2 MHz ohne solche Einschränkungen. Einfach ausgedrückt stehen uns im allgemeinen Fall nur 500 kHz des Frequenzbandes zur Verfügung.

LoRa-Kanäle mit einer Breite von 125 kHz passen offensichtlich nur drei Stücke in dieses Band. Es gibt Hunderte von Sigfox- oder Swift-Kanälen. Diese Tatsache wird von den Entwicklern von UNB-Systemen in der Regel als offensichtlicher Vorteil dargestellt - Hunderttausende von Geräten können in der Luft koexistieren, ohne sich gegenseitig zu stören.

In der Praxis ist jedoch alles etwas komplizierter.

In UNB-Systemen kann ein einzelner Basisstationsempfänger jeweils nur einen Kanal empfangen.Dies ist eine ziemlich offensichtliche und oft vergessene These. Der Begriff "Frequenztrennung" bezieht sich auf die Fähigkeit des Empfängers, diesen Kanal von der Sendung abzuhängen, damit er die Übertragung in benachbarten Kanälen nicht überlappt - und wenn wir gerade etwas auf Kanal N empfangen, dann auf Kanälen N + 1 und N- 1 Wir können nicht gleichzeitig etwas akzeptieren.

UWB-Systeme verwenden nicht nur Frequenz und Zeit, sondern auch die Codeteilung von Kanälen.In LoRa-Netzwerken kann das Endgerät ein bestimmtes Modulationsschema auswählen - und die LoRa-Basisstation ist so konzipiert, dass sie Datenströme von mehreren Geräten trennen kann, die gleichzeitig auf demselben Frequenzkanal mit unterschiedlichen Modulationsschemata arbeiten. Dieses Schema hat seine Grenzen, und in der Praxis sprechen wir über die Fähigkeit einer BS, ein Signal von nur wenigen Geräten gleichzeitig zu decodieren - aber dennoch zu sagen, dass in UWB-Systemen immer nur ein Gerät gleichzeitig arbeiten kann und in UNB Hunderte falsch.

Theoretisch kann der Vorteil von UNB-Systemen beobachtet werden, wenn mehrere Netzwerke in einem Bereich bereitgestellt werden - sie können leicht in der Frequenz getrennt werden. Erstens können jedoch bis zu drei LoRa-Netze auch mit unterschiedlichen Frequenzen beabstandet sein (und wenn wir beispielsweise ein Netz herstellen, sind wir mit den Versorgungsunternehmen und dem Arbeitszyklus von 0,1% vollständig zufrieden, können wir es bei 864-865 MHz ausgeben). Zweitens ist die Frequenzdiversität verschiedener Netzwerke in einem ungeregelten Spektrum eine Utopie, wie jeder Besitzer eines WLAN-Routers in einem Wohnhaus weiß.

Praktische Ratschläge: Nachdem Sie von den Vorteilen von UNB-Netzen bei der Nutzung von Frequenzen erfahren haben, beginnen Sie mit einer Sucht, den Erzähler zu befragen, wie Frequenzsprung in seinem System implementiert ist, dh die Möglichkeit, die Betriebsfrequenz von Geräten im laufenden Betrieb einzustellen.

UNB-Systeme reagieren sehr empfindlich auf Frequenzgenauigkeit. Dies ist auch eine offensichtliche These: Wenn Sie das gesamte Frequenzband von 100 Hz (Sigfox, „Swift“) haben, wird selbst eine geringfügige Abweichung der Frequenz des Quarzresonators des Endgeräts seine Betriebsfrequenz über das angegebene Band hinauswerfen. Weit darüber hinaus. Sie können es selbst berechnen - ein  sehr guter Resonator hat einen Fehler von 10 ppm, dh 0,001% bei Raumtemperatur, und weitere 15 ppm (0,0015%) von oben, wenn sich die Temperatur von -40 auf +85 ° C ändert. Die Zahlen scheinen winzig zu sein - wir nehmen diese Prozentsätze jedoch von 868.000.000 Hz und vergleichen das Ergebnis mit 100 Hz ...

Was tun mit der Tatsache, dass der Sender in UNB-Systemen unklar sendet, in welchem ​​Band? Dies wird auf der Ebene der Basisstation entschieden: Sie muss in der Lage sein, sich schnell darauf einzustellen, wenn sie ein Signal in einem weiten Bereich sieht. Leider ist es problematisch, dieselben Algorithmen auf der Ebene eines kleinen, billigen und wirtschaftlichen Endgeräts zu implementieren, sodass die bidirektionale Kommunikation in UNB nicht in allen Systemen und nicht unter allen Bedingungen implementiert ist. Die gleiche Sigfox-Verbindung ist seit langem streng unidirektional.

UWB-Systeme bieten einen symmetrischen Kommunikationskanal.Dank einer Bandbreite von Hunderten von Kilohertz bietet LoRa eine symmetrische Verbindung, wenn die Frequenz um bis zu 25% der Kanalbreite (31,25 kHz bei einer Breite von 125 kHz) abweicht, was im Bereich von 868 MHz einen zulässigen Resonatorfehler von 35 ppm bedeutet. Ein guter, aber weit verbreiteter Kristall mit einem Grundfehler von ± 10 ppm und einer Temperatur von ± 15 ppm ermöglicht es dem LoRa-Endgerät, sich im gesamten Temperaturbereich von -40 ... + 85 ° C gut anzufühlen.

Darüber hinaus gibt es für UNB-Netzwerke so etwas Unangenehmes wie den Doppler-Effekt. Sigfox verliert selbst bei einer Geschwindigkeit des Endgeräts im Bereich von 5-10 km / h an Stabilität, dh ein Fahrradüberwachungssystem auf Sigfox ist bereits ein Beruf für echte Enthusiasten auf ihrem Gebiet. Im Gegensatz dazu hat LoRa eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Geschwindigkeiten - obwohl im allgemeinen Fall Beschleunigungen berücksichtigt werden sollten, da Quarzresonatoren reagieren empfindlich auf sie.

Praktische Ratschläge: Nachdem Sie von den Vorteilen von UNB-Netzwerken bei der Nutzung des Spektrums erfahren haben, beginnen Sie mit einer Tendenz, den Erzähler zu befragen, wie symmetrisch die Verbindung in diesem System ist und unter welchen Bedingungen diese Symmetrie funktioniert.

Datenrate


Das Kotelnikov-Shannon-Theorem kann leider nirgendwo hin: Sie können den Megabit-Strom nicht einfach aufnehmen und in das 100-Hz-Frequenzband verschieben.

UNB-Systeme arbeiten mit einer festen niedrigen Geschwindigkeit . Insbesondere hat Sigfox eine Datenübertragungsrate von 100 Bit / s und Swift eine Datenübertragungsrate von 50 Bit / s.

UWB-Systeme arbeiten mit adaptiver Geschwindigkeit . Abhängig von der Signalstärke kann LoRa mit Geschwindigkeiten von 30 Bit / s bis 50 kbit / s betrieben werden. In LoRaWAN-Mobilfunknetzen wird die Geschwindigkeit automatisch ausgewählt, in lokalen LoRa-Netzen kann die Geschwindigkeit auf einem Niveau festgelegt werden, das eine zuverlässige Abdeckung des gewünschten Objekts mit Kommunikation gewährleistet.

In der Praxis bedeutet dies sowohl eine große Flexibilität bei der Verwendung von UWB-Systemen als auch deren Hilfe bei der Vermeidung von Kollisionen in der Luft. Je schneller das Teilnehmergerät seine Daten an die BS überträgt, desto schneller wird die Luft frei. Obwohl LoRa aufgrund seines komplexen Modulationssystems eine längere Netzwerkpaketlänge als UNB-Systeme aufweist (längere Präambel), wird dies durch eine höhere Datenübertragungsrate mehr als ausgeglichen.

In der Praxis führt dies zu ziemlich strengen Einschränkungen für UNB-Systeme: In Sigfox beträgt die maximale Menge an Benutzerdaten beispielsweise 12 Byte, die Übertragung dauert einige Sekunden, und die Bedingungen für die Verbindung mit dem Sigfox-Netzwerk bestimmen, dass ein Objekt nicht mehr als 140 Nachrichten pro Tag übertragen kann .

Praktischer Tipp: Nachdem Sie von Millionen gleichzeitig arbeitender Geräte gehört haben, beginnen Sie mit einer Sucht, um den Erzähler zu befragen, wie viele Nachrichten pro Tag und wie lange eine Basisstation empfangen kann.

Kommunikationsbereich


Im Allgemeinen - das gleiche. Die Kommunikationsreichweite in all diesen Technologien hängt stark von den Geländebedingungen ab: Wenn der LoRa BS beispielsweise in einem offenen Gebiet und mit einem hohen Antennenstandort eine Reichweite von sogar über den versprochenen 30 km bietet, fällt er in einem dichten Wald selbst bei einer Mindestgeschwindigkeit auf 1-2 km ab .

Der Vorteil von LoRa in dieser Angelegenheit besteht darin, dass LoRa vor dem Hintergrund der Wettbewerber eine eher offene Technologie ist, viele Unternehmen auf der Welt beteiligt sind und es daher relativ einfach ist, verschiedene White Papers und Bewertungen zu finden, die den tatsächlich erreichten Bereich angeben.

Im Allgemeinen können wir davon ausgehen, dass alle diese Technologien eine Reichweite von 1 bis 3 km in städtischen Gebieten und 15 bis 20 km in offenen Gebieten bieten. Die Reichweite kann aufgrund der vorteilhaften Position der Antennen erhöht werden: Beispielsweise können die Wörter „in städtischen Gebieten“ sowohl Teilnehmergeräte bedeuten, die sich auf der Rückseite von Gebäuden befinden und mit kompakten gedruckten Antennen ausgestattet sind, als auch steuerbare Straßenlaternen mit gewöhnlichen Peitschenantennen im Freien und zumindest fünf Meter über dem Boden.

Stromverbrauch


Der Energieverbrauch der Endgeräte in allen oben genannten Technologien wird durch zwei Punkte bestimmt - die technologische Perfektion des Senderchips und die Zeit, die er für die Übertragung benötigt.

Im Allgemeinen ist es in jedem der Systeme möglich, einen Betrieb mit einer einzelnen Batterie für mindestens 5 Jahre bereitzustellen. UWB-Netzwerke haben gegenüber UNB einen Vorteil, wenn sie auf kurzen Entfernungen arbeiten und ihre Geschwindigkeit 1 kbps überschreiten kann - was die Aktivitätszeit des Senders erheblich verkürzt.

Zusammenfassung


Obwohl in vielen Fällen UNB- und UWB-Technologien gleichermaßen anwendbar sind, gibt es spürbare Unterschiede zwischen ihnen, die für eine bestimmte Lösung sprechen können. In UNB-Netzwerken kann daher eine schnelle Anpassung der Arbeitsfrequenz von Geräten (Frequenzsprung) implementiert werden, um Kollisionen und Interferenzen zu vermeiden. Bei bestimmten Technologien, ob Sigfox oder Strizh, muss jedoch zusätzlich herausgefunden werden, ob diese implementiert sind wie und in welchem ​​Umfang es funktioniert.

Auf der anderen Seite haben UWB-Netzwerke, die auf der LoRa-Technologie basieren, eine wesentlich größere Flexibilität der Parameter, wodurch sie in Projekten verwendet werden können, für die UNB-Netzwerke wenig nützlich sind. LoRa-Netzwerke bieten große potenzielle Datenübertragungsraten, symmetrische bidirektionale Kommunikation und sind weniger empfindlich gegenüber Temperaturextremen und der Bewegungsgeschwindigkeit des Endgeräts.

Interessanterweise gilt dies auch für mögliche LoRa-Anwendungen aus kommerzieller Sicht - im Moment liegt das Geschäftsmodell und die Details der technischen Umsetzung des Projekts im Ermessen des Kunden. Aber mehr dazu im nächsten Teil.

Unwired Devices befasst sich mit der Entwicklung und Produktion von Kommunikationsmodulen für 6LoWPAN-Mesh-Netzwerke und LoRa-Fernkommunikationsnetzwerke sowie Sensoren und anderen Endgeräten für diese Netzwerke, einschließlich Hardware und Firmware, die die erforderlichen Netzwerktechnologien unterstützen. Im Fall von LoRa-Netzwerken entwickeln wir alle möglichen Topologien: Mesh- und statische Radio-Relay-Netzwerke, sternförmige Objektnetzwerke von einer BS und Geräte für globale LoRaWAN-Netzwerke.

Source: https://habr.com/ru/post/de396869/

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