Vor sechs Monaten interessierte mich ein Kunde für die Übertragung von Funkdaten für das Internet der Dinge in unserer Inlandsversion NB-FI. Ideologisch gesehen handelt es sich offensichtlich um ein SigFox-Datenübertragungssystem mit niedriger Geschwindigkeit (Ultra-Narrow Band, UNB). Es gibt Unterschiede in den Details, die zweifellos als Verbesserungen bezeichnet werden können. Beispielsweise wird in NB-FI eine rauschtolerante Codierung eingeführt, die die Wahrscheinlichkeit der Nachrichtenübermittlung erheblich erhöhen kann. Ein engeres Frequenzband wirkt sich auch positiv auf die Komplexität der Basisstationsausrüstung aus. All dies wird im Standardentwurf ausführlich beschrieben, der für die Annahme in der Russischen Föderation in diesem Jahr 2019 vorbereitet wird. Aber es gibt, wie mir scheint, eine erhebliche Lücke im Standardentwurf.
Hier machen wir eine Annahme, um die Materialmenge zu vereinfachen und zu reduzieren: Wir betrachten nur den Kommunikationskanal vom Gerät zur Basisstation. Dennoch ist seine Berücksichtigung am wichtigsten, da das System für die Übertragung von Kurznachrichten von einer großen Anzahl von Sensoren ausgelegt ist.
Erinnern wir uns zunächst an die Hauptmerkmale des SigFox-Signals. Die Modulationsrate beträgt 100 Bod. Die Art der Modulation ist die relative Phasenmodulation - OFM (DBPSK). Alle Endgeräte senden asynchron auf drei Zufallsfrequenzkanälen im 192-kHz-Band. Kanäle werden nach 100 Hz zugewiesen. Das heißt, es gibt viele davon im Arbeitsstreifen - ungefähr 2000 Stück. Aufgrund dieser großen Anzahl von Kanälen ist es möglich, die Kollisionswahrscheinlichkeit von zwei oder mehr Paketen von verschiedenen asynchronen Sendern auf eine akzeptable Wahrscheinlichkeit zu reduzieren.
SigFox veröffentlicht ein Dokument (
Sigfox RF & Protocol Specifications ), in dem das System beschrieben wird, damit die Hersteller von Endgeräten überprüfen können, ob sie die Systemanforderungen erfüllen. Gerüchten zufolge arbeiten sie sogar mit ETSI (European Telecommunications Standards Institute) zusammen, um einen Industriestandard in Europa einzuführen.
Überraschenderweise sind unsere Entwickler und Hersteller den gleichen progressiven Weg gegangen! Das Technische Komitee für Normung 194 „Cyber-physische Systeme“ hat ein Dokument PNST (vorläufiger nationaler Standard der Russischen Föderation) „Internet der Dinge. Austauschprotokoll für das Internet der Dinge im Schmalbandspektrum (NB-Fi). “ Die Organisation hat eine
Website . Ich konnte das Dokument dort nicht finden, aber es gibt
Neuigkeiten zu dem Dokument, wo es unter dem Link „Download Protocol“ verfügbar ist.
Aus dem Dokument lernen wir die Hauptmerkmale des Übertragungssystems kennen: Modulationsgeschwindigkeit - 50 Baud, Modulationstyp - OFM (DBPSK). Alle Endgeräte senden asynchron auf zwei Zufallsfrequenzkanälen im 51,2-kHz-Band. Kanäle werden nach 50 Hz zugewiesen. Das heißt, es gibt genau 1024 Teile im Betriebsband, was für den wirtschaftlichen Aufbau einer Filterbank sehr gut geeignet ist. In diesem Fall werden alle Nachrichten vom ZigZag-Encoder mit einer Rate von 1/2 codiert.
Es gibt alles, sogar eine Beschreibung der oberen Ebenen des Systems. Aber ich konnte die Anforderungen für das Spektrum des Funksignals nicht finden. Dieser Parameter schien mir sehr wichtig zu sein, da die Ausbreitung der Strahlungsleistung auf benachbarte Kanäle die Wahrscheinlichkeit einer Kollision von Paketen verschiedener Endgeräte stark erhöhen sollte.
Im SigFox-Dokument werden die Anforderungen an Spektralparameter durch die Spektralmaske auf Seite 7 bestimmt.
Um den Leser nicht mit einer langweiligen Theorie zu langweilen, gehen wir zum lustigen Üben über! Nehmen Sie den NB-Fi-Sender eines unserer inländischen Entwickler von NB-Fi. Fragen Sie nicht welche, werde ich nicht sagen. Und betrachten Sie das Spektrum des Signals in Echtzeit.
Video und noch
eins .
Beide Videos haben ein 100-kHz-Spektrumanalyseband und ein Testgeneratorsignal ist in der Mitte des Bandes installiert. Es wird benötigt, damit der Leser die Gebrauchstauglichkeit des Funkempfangspfades des Spektrumanalysators überprüfen und ungefähre Vorstellungen über seine Eigenschaften erhalten kann. Das Generatorspektrum ist nicht sehr sauber, was als von der Mittenfrequenz abweichende harmonische Komponenten angesehen werden kann. Im zweiten Video wird der Testsignalpegel erhöht, um die Linearität der beobachteten Effekte zu demonstrieren.
Das NB-Fi-Sendersignal erscheint zuerst links von der Mitte und dann rechts. Diese beiden identischen Nachrichten werden gesendet, um die Wahrscheinlichkeit ihrer Kollision zu verringern.
Aus dem Video können wir das Vorhandensein von Bursts im NB-Fi-Signal erkennen, das Signalband erweitern und einen Fehler bei der Hauptfrequenz verursachen.
So sehen ein Sofortspektrumbild und ein Diagramm mit maximaler Akkumulation aus (Max Hold).
Qualitativ kann argumentiert werden, dass selbst mit der halben Bandbreite des NB-Fi-Signals die SigFox-Spektralmaske nicht erfüllt wird. Quantitativ verblasst das Spektrum im + -2500-Hz-Band der Grundharmonischen nicht einmal um 30 dB. Wenn im Entwurf unseres Standards eine Maske angegeben wurde, können wir sie damit vergleichen. In der Zwischenzeit können wir nur sagen, dass sich unsere Entwickler nicht um die spektralen Eigenschaften gekümmert haben.
Um die These zu bestätigen, betrachten wir ein Signal im Zeitbereich.
Wir sehen, dass Phasenübergänge zwischen Symbolintervallen so abrupt sind, dass sie nur zu so starken Bursts im Amplitudenspektrum führen können.
Es ist zu beachten, dass SigFox besonders besorgt über die spektralen Eigenschaften der Signale der Endgeräte ist, die unter Verwendung einer Vielzahl von Steuerungen vieler Hersteller gebildet werden. In der Spezifikation auf Seite 13 in Anhang A.1 Implementieren der TX-Modulation - DBPSK finden Sie hierzu unterschiedliche Empfehlungen.
Das Problem ist höchstwahrscheinlich das Fehlen einer derart niedrigen Modulationsrate im Funkteil der verwendeten Controller-Chips. Jeder ist gezwungen, die Wiederholung von Informationssymbolen mit einer höheren Modulationsrate zu verwenden. In diesem Fall entsprechen die Eigenschaften des eingebauten Glättungsfilters (Impulsformung) am Eingang des Modulators natürlich nicht der gewünschten niedrigen Modulationsgeschwindigkeit.
Offensichtlich steigt bei Vorhandensein solcher Bursts des Spektrums die Wahrscheinlichkeit einer Verzerrung anderer Nachrichten während der Übertragung an. Da NB-Fi bald der Standard für die gesamte Russische Föderation sein wird, werden Störungen nicht nur durch ihre Empfangssysteme, sondern auch durch die Empfangssysteme anderer Betreiber verursacht.
Inländische Entwickler sind über dieses Problem überhaupt nicht besorgt?
Oder versuchen sie etwas vor uns zu verbergen?
Vielleicht haben Hersteller bereits eine Lösung für dieses Problem?
Die Fragen sind durchaus legitim, der Standard ist Staat.
Ich frage Unternehmen, die NB-Fi-Geräte entwickeln. Bereitstellung von Sendern für Messungen oder Veröffentlichung ihrer Ergebnisse.
Dennoch möchte ich den Unternehmen meinen Dank aussprechen, die einen Teil ihrer Technologien zur Vorbereitung auf den Standard geteilt haben, um die heimische Industrie des Internet der Dinge zu entwickeln. Zusammen mit der Offenheit wird Wettbewerb entstehen, der die Voraussetzungen für einen Durchbruch in der Entwicklung schafft. Dies ermöglicht kleinen Unternehmen den Markteintritt, was eine gute Nachricht ist.
Für eine detailliertere Analyse können Sie hier die Signalproben des NB-Fi-Senders herunterladen. Abtastfrequenz - 48 kHz, Format - 16 Bit I / Q.