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Internet de las cosas: LoRa vs. UNB. Parte 1: física

El primero de una serie de artículos dedicados a describir las principales diferencias entre las tecnologías de radio de largo alcance y baja potencia, que ahora están ganando popularidad en Internet de las cosas: banda ancha LoRa de sistemas de banda estrecha (UNB, banda ultra estrecha) como Sigfox y Strizh

  1. Internet de las cosas: LoRa vs. UNB. Parte 1: física
  2. : LoRa UNB. 2:
  3. : LoRa UNB. 3:
  4. : LoRa UNB. 4: LoRa

El tema de las comunicaciones de radio de baja potencia, que permite, sin ir más allá de los rangos sin licencia (es decir, generalmente para una potencia de 25 mW), transmitir datos de baja velocidad a distancias de 1-3 a 10-30 kilómetros, en Rusia comenzó a desarrollarse rápidamente en los últimos seis meses. Es decir, hablaron sobre eso antes, pero las aplicaciones prácticas eran muy raras, y había muy pocos desarrolladores e integradores que pudieran hacer un proyecto sobre tales tecnologías.

Ahora estamos al borde de un punto de inflexión: aunque todavía se esperan grandes proyectos en el futuro (pero ya se puede predecir que este futuro es cuestión de meses, no años), ha surgido un gran interés en las tecnologías de comunicación IoT entre integradores y clientes, y expresó no solo en palabras, sino también en el deseo inmediato de probar estas tecnologías en la práctica.

La competencia principal en este segmento en este momento es entre la banda ancha LoRa y la banda estrecha Sigfox (y específicamente en Rusia, la tecnología Strizh-Telematics similar a esta). En el futuro, el protocolo Weightless UNB se agregará a esta lista, así como las redes promovidas por los proveedores de los equipos clásicos de comunicación celular NB-IoT y LTE-M, pero esto sucederá en dos o tres años.

Entonces, ¿cuál es la diferencia y qué elegir para un proyecto específico? Vamos
Una característica común de todas estas tecnologías es que le permiten organizar un canal de comunicación inalámbrica de baja velocidad en rangos de unidades, y a veces decenas de kilómetros, sin ir más allá de las limitaciones de las bandas de radio sin licencia (como regla, tales sistemas operan en el rango de 864-869 MHz con una capacidad de hasta 25 mW). Técnicamente, hablaremos sobre las restricciones de uso impuestas por los modelos comerciales de los propietarios de tecnología la próxima vez; esto nos permite resolver problemas bastante interesantes, por ejemplo:

  • recolección inalámbrica de lecturas de medidores en viviendas y servicios comunales a gran escala y a mayor escala;
  • monitoreo inalámbrico en tiempo real del estado de la tecnología en grandes sitios abiertos, desde sitios de construcción hasta canteras;
  • reemplazo de redes de recolección de datos de baja corriente, costosas en tendido y mantenimiento en grandes instalaciones, especialmente aquellas distribuidas en una escala de kilómetros cuadrados;
  • la construcción de redes extendidas de radioenlaces a lo largo de líneas eléctricas, tuberías, ferrocarriles, etc. objetos;
  • La organización de redes de recolección de telemetría celular con una cobertura y costo continuos es 1-2 órdenes de magnitud menor que la de las redes telefónicas celulares clásicas.

Y todo esto es barato, sin la necesidad de obtener una licencia para usar el espectro de radiofrecuencia y con la capacidad de alimentar los dispositivos finales con baterías o pequeñas células solares.

Usando el espectro de radiofrecuencia


Sin embargo, en la forma en que funciona esta conexión, las tecnologías enumeradas anteriormente son bastante diferentes; de hecho, se dividen en dos grupos: banda ancha UWB (banda ultra ancha, de la cual solo se incluye LoRa) y banda estrecha UNB (banda ultra estrecha, en nuestro el caso es Sigfox y Swift, así como el actualmente en desarrollo Weightless). De esto surgen varias diferencias, para las cuales, no siempre honestamente, aquellos que quieren anunciar una u otra tecnología se aferran a ella.

  • UWB: un canal ocupa una banda en el aire con un ancho de 125 o 250 kHz
  • UNB: un canal ocupa una banda en el aire con un ancho de 100 Hz

En Rusia, en el rango convencionalmente denominado "868 MHz", hay dos bandas de frecuencia disponibles oficialmente para dispositivos no especializados: 864.0-865.0 MHz con un período activo de no más de 0.1% y una prohibición de trabajar cerca de aeropuertos y 868.7- 869.2 MHz sin tales restricciones. En pocas palabras, en el caso general, tenemos solo 500 kHz de la banda de frecuencia disponible para nosotros.

Canales LoRa con un ancho de 125 kHz, obviamente, solo tres piezas encajan en esta banda. Hay cientos de canales Sigfox o Swift. Como regla general, los desarrolladores de sistemas UNB presentan este hecho como una ventaja obvia: cientos de miles de dispositivos pueden coexistir en el aire sin interferir entre sí.

Sin embargo, en la práctica, todo es algo más complicado.

En los sistemas UNB, un solo receptor de estación base solo puede recibir un canal a la vez.Esta es una tesis bastante obvia y a menudo olvidada. El término "separación de frecuencia" se refiere a la capacidad del receptor para desenganchar este canal de la transmisión para que no se superponga la transmisión en canales adyacentes, y si estamos recibiendo algo en el canal N en este momento, entonces en los canales N + 1 y N- 1 no podemos aceptar nada al mismo tiempo.

Los sistemas UWB usan no solo la frecuencia y el tiempo, sino también la división de códigos de los canales.En las redes LoRa, el dispositivo final puede seleccionar un esquema de modulación específico, y la estación base LoRa está diseñada para que pueda separar flujos de datos de varios dispositivos que operan simultáneamente en el mismo canal de frecuencia con diferentes esquemas de modulación. Este esquema tiene sus limitaciones, y en la práctica estamos hablando de la capacidad de una BS para decodificar una señal de unos pocos dispositivos al mismo tiempo, pero, sin embargo, decir que en los sistemas UWB solo un dispositivo puede funcionar a la vez, y en UNB: cientos incorrectamente

Teóricamente, la ventaja de los sistemas UNB se puede observar cuando se implementan varias redes en un área: se pueden separar fácilmente en frecuencia. Sin embargo, en primer lugar, se pueden espaciar hasta tres redes LoRa a diferentes frecuencias (y si hacemos una red, por ejemplo, estamos completamente satisfechos con las utilidades y el ciclo de trabajo del 0.1%, entonces podemos ponerla a 864-865 MHz) en segundo lugar, la diversidad de frecuencia de diferentes redes en un espectro no regulado es una utopía, como lo sabe todo propietario de un enrutador Wi-Fi en un edificio de apartamentos.

Consejo práctico: habiendo escuchado sobre las ventajas de las redes UNB en el uso del espectro, comience con una adicción a interrogar al narrador sobre cómo se implementa el salto de frecuencia en su sistema, es decir, la posibilidad de ajustar la frecuencia de funcionamiento de los dispositivos sobre la marcha.

Los sistemas UNB son extremadamente sensibles a la precisión de frecuencia. Esta es también una tesis obvia: si tiene toda la banda de frecuencia de 100 Hz (Sigfox, "Swift"), incluso una pequeña desviación de la frecuencia del resonador de cuarzo del dispositivo final arrojará su frecuencia de funcionamiento más allá de la banda especificada. Mucho más allá. Puede calcularlo usted mismo: un  resonador muy bueno tiene un error de 10 ppm, es decir, 0.001% a temperatura ambiente y otras 15 ppm (0.0015%) por encima cuando la temperatura cambia de -40 a +85 ° C. Los números parecen pequeños, sin embargo, tomamos estos porcentajes de 868,000,000 Hz y comparamos el resultado con 100 Hz ...

Entonces, ¿qué hacer con el hecho de que el transmisor en las transmisiones de los sistemas UNB no está claro en qué banda? Esto se decide a nivel de la estación base: debe ser capaz de sintonizarlo rápidamente cuando ve una señal en un amplio rango. Desafortunadamente, es problemático implementar los mismos algoritmos a nivel de un dispositivo final pequeño, barato y económico, por lo que la comunicación bidireccional en UNB no se implementa en todos los sistemas y no en todas las condiciones. La misma conexión Sigfox ha sido estrictamente unidireccional.

Los sistemas UWB proporcionan un canal de comunicación simétrico.Gracias a un ancho de banda de cientos de kilohercios, LoRa proporciona una conexión simétrica cuando la frecuencia se desvía hasta en un 25% del ancho del canal (31.25 kHz con un ancho de 125 kHz), lo que en el rango de 868 MHz significa un error de resonador permisible de 35 ppm. Un cristal bueno pero bastante extendido con un error básico de ± 10 ppm y una temperatura de ± 15 ppm permite que el dispositivo final LoRa se sienta bien en el rango de temperatura total -40 ... + 85 ° .

Además, hay algo tan desagradable para las redes UNB como el efecto Doppler. Sigfox pierde estabilidad incluso a la velocidad del dispositivo final en la región de 5-10 km / h, es decir, hacer un sistema de monitoreo de bicicletas en Sigfox ya es una ocupación para los verdaderos entusiastas en su campo. LoRa, por el contrario, tiene poca sensibilidad a las velocidades, aunque en el caso general, las aceleraciones deben tenerse en cuenta, ya que Los resonadores de cuarzo son sensibles a ellos.

Consejos prácticos: después de haber escuchado acerca de las ventajas de las redes UNB en el uso del espectro, comience con un sesgo para interrogar al narrador sobre la simétrica conexión en este sistema y en qué condiciones funciona esta simetría.

Velocidad de datos


El teorema de Kotelnikov-Shannon, por desgracia, no tiene a dónde ir: no puede simplemente recoger y empujar la corriente de megabits a la banda de frecuencia de 100 Hz.

Los sistemas UNB funcionan a baja velocidad fija . Más específicamente, Sigfox tiene una velocidad de transferencia de datos de 100 bps, y Swift tiene 50 bps.

Los sistemas UWB funcionan a velocidad adaptativa . Dependiendo de la intensidad de la señal, LoRa puede operar a velocidades de 30 bit / sa 50 kbit / s. En las redes celulares LoRaWAN, la velocidad se selecciona automáticamente; en las redes locales LoRa, la velocidad se puede fijar a un nivel que garantice una cobertura confiable del objeto deseado con la comunicación.

En la práctica, esto significa una gran flexibilidad en el uso de los sistemas UWB y su ayuda para evitar colisiones en el aire. Cuanto más rápido el dispositivo suscriptor transmita sus datos a la BS, más rápido liberará el aire. Aunque LoRa, debido a su complejo sistema de modulación, tiene una longitud de paquete de red más larga que los sistemas UNB (preámbulo más largo), esto está más que compensado por una mayor velocidad de transferencia de datos.

En la práctica, esto lleva a restricciones bastante estrictas en los sistemas UNB: por ejemplo, en Sigfox, la cantidad máxima de datos de usuario es de 12 bytes, la transferencia tarda varios segundos y las condiciones para conectarse a la red Sigfox determinan que un objeto no puede transmitir más de 140 mensajes por día .

Consejo práctico: Habiendo escuchado acerca de millones de dispositivos que funcionan simultáneamente, comience con una adicción para interrogar al narrador cuántos mensajes por día y cuánto tiempo puede recibir una estación base.

Rango de comunicación


En general, lo mismo. El rango de comunicación en todas estas tecnologías depende mucho de las condiciones del terreno: por ejemplo, si está en un área abierta y con una ubicación de antena alta, el LoRa BS proporciona un rango incluso por encima de los 30 km prometidos, luego en un bosque denso cae a 1-2 km incluso a una velocidad mínima .

La ventaja de LoRa en este asunto es que, en el contexto de los competidores, LoRa es una tecnología bastante abierta, hay muchas empresas involucradas en el mundo y, por lo tanto, es relativamente fácil encontrar varios documentos y revisiones que indiquen el rango real alcanzado.

En general, podemos suponer que todas estas tecnologías proporcionan un rango de 1-3 km en áreas urbanas y 15-20 km en áreas abiertas. El alcance se puede aumentar debido a la ubicación ventajosa de las antenas: por ejemplo, las palabras "en áreas urbanas" pueden significar tanto dispositivos de abonado ubicados en la parte posterior de los edificios y equipados con antenas impresas compactas, como luces de calle controlables con antenas de látigo ordinarias al aire libre y al menos A cinco metros del suelo.

El consumo de energía


El consumo de energía de los dispositivos finales en todas las tecnologías anteriores está determinado por dos puntos: la perfección tecnológica del chip transmisor y el tiempo que pasa en la transmisión.

En general, en cualquiera de los sistemas es posible proporcionar funcionamiento durante al menos 5 años con una sola batería. Las redes UWB tienen una ventaja sobre UNB cuando trabajan a distancias cortas, cuando su velocidad puede superar 1 kbps, lo que reduce significativamente el tiempo de actividad del transmisor.

Resumen


Aunque en muchos casos las tecnologías UNB y UWB son igualmente aplicables, existen diferencias notables entre ellas que pueden jugar a favor de una solución particular. Por lo tanto, en las redes UNB, se puede implementar un ajuste rápido de la frecuencia de trabajo de los dispositivos (salto de frecuencia) para evitar colisiones e interferencias; sin embargo, en el caso de tecnologías específicas, ya sea Sigfox o Strizh, es necesario averiguar adicionalmente si está implementado, así como cómo y en qué medida funciona.

Por otro lado, las redes LoRa UWB tienen una flexibilidad de parámetros significativamente mayor, lo que les permite ser utilizadas en proyectos para los que las redes UNB son de poca utilidad. Las redes LoRa proporcionan grandes velocidades de transferencia de datos potenciales, comunicación bidireccional simétrica y son menos sensibles a las temperaturas extremas y la velocidad de movimiento del dispositivo final.

Curiosamente, esto también se aplica a posibles aplicaciones de LoRa desde un punto de vista comercial; en este momento, esta tecnología realmente proporciona el modelo de negocio y los detalles de la implementación técnica del proyecto a discreción del cliente. Pero más sobre eso en la siguiente parte.

La compañía Unwired Devices desarrolla y fabrica módulos de comunicación para redes de malla 6LoWPAN y redes de larga distancia LoRa, así como sensores y otros dispositivos terminales para estas redes, incluidos hardware y firmware que admiten las tecnologías de red necesarias. En el caso de las redes LoRa, estamos desarrollando todas las topologías posibles: redes de retransmisión de radio estáticas y en malla, redes de objetos tipo estrella de una BS y dispositivos para redes globales LoRaWAN.

Source: https://habr.com/ru/post/es396869/

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