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Internet des objets: LoRa contre UNB. Partie 1: physique

Le premier d'une série d'articles consacrés à la description des principales différences entre les technologies radio à faible portée et à longue portée, qui gagnent maintenant en popularité dans l'Internet des objets: LoRa large bande à partir de systèmes à bande étroite (UNB, Ultra Narrow Band) tels que Sigfox et Strizh

  1. Internet des objets: LoRa contre UNB. Partie 1: physique
  2. : LoRa UNB. 2:
  3. : LoRa UNB. 3:
  4. : LoRa UNB. 4: LoRa

Le sujet des communications radio à faible puissance, permettant, sans dépasser les plages non autorisées (c'est-à-dire généralement pour une puissance de 25 mW), de transmettre des données à basse vitesse à des distances de 1 à 3 à 10 à 30 kilomètres, en Russie a commencé à se développer rapidement au cours des six derniers mois. Autrement dit, ils en ont parlé avant cela, mais les applications pratiques étaient très rares, et il y avait très peu de développeurs et d'intégrateurs qui pouvaient faire un projet sur de telles technologies.

Nous sommes maintenant au bord d'un tournant: bien que de grands projets ne soient encore attendus qu'à l'avenir (mais il est déjà possible de prédire que cet avenir est une question de mois, pas d'années), un intérêt sérieux est apparu chez les intégrateurs et les clients pour les technologies de communication IoT, d'ailleurs exprimé non seulement en mots, mais aussi dans le désir immédiat d'essayer ces technologies dans la pratique.

La principale concurrence dans ce segment est actuellement entre LoRa haut débit et Sigfox bande étroite (et en particulier en Russie - la technologie Strizh-Telematics qui lui est similaire). À l'avenir, le protocole Weightless UNB sera ajouté à cette liste, ainsi que les réseaux promus par les fournisseurs de l'équipement cellulaire classique - NB-IoT et LTE-M, mais cela se produira dans deux ou trois ans.

Quelle est donc la différence - et que choisir pour un projet spécifique? Allons-y.
Une caractéristique commune de toutes ces technologies est qu'elles vous permettent d'organiser un canal de communication sans fil à faible vitesse sur des portées d'unités, et parfois des dizaines de kilomètres, sans dépasser les limites des bandes radio sans licence (en règle générale, ces systèmes fonctionnent dans la plage de 864 à 869 MHz d'une capacité allant jusqu'à 25 mW). Techniquement, nous parlerons des restrictions d'utilisation imposées par les modèles commerciaux des propriétaires de technologies la prochaine fois - cela nous permet de résoudre des problèmes plutôt intéressants, par exemple:

  • collecte sans fil de relevés de compteurs dans le logement et les services communaux à grande échelle et à plus grande échelle;
  • surveillance sans fil en temps réel de l'état de la technologie sur les grands sites ouverts, des chantiers de construction aux carrières;
  • remplacement des réseaux de collecte de données à faible courant coûteux en pose et en maintenance dans les grandes installations, en particulier celles réparties sur une échelle d'un kilomètre carré;
  • la construction de réseaux de faisceaux hertziens étendus le long des lignes électriques, des pipelines, des chemins de fer, etc. objets;
  • l'organisation des réseaux de collecte de télémétrie cellulaire avec une couverture et un coût continus est de 1 à 2 ordres de grandeur inférieure à celle des réseaux de téléphonie cellulaire classiques.

Et tout cela est bon marché, sans avoir besoin d'obtenir une licence pour utiliser le spectre des fréquences radio et avec la possibilité d'alimenter les appareils finaux à partir de batteries ou de petites cellules solaires.

Utilisation du spectre des fréquences radio


Cependant, dans la façon dont cette connexion fonctionne, les technologies énumérées ci-dessus sont assez différentes - en fait, elles se répartissent en deux groupes: UWB à large bande (Ultra Wide Band, dont seul LoRa est répertorié) et UNB à bande étroite (Ultra Narrow Band, dans notre le cas est Sigfox et Swift, ainsi que le actuellement en développement Weightless). Un certain nombre de différences en découlent, pour lesquelles - pas toujours honnêtement - ceux qui veulent faire la publicité de l'une ou l'autre technologie s'y accrochent.

  • UWB: un canal occupe une bande sur l'air d'une largeur de 125 ou 250 kHz
  • UNB: un canal occupe une bande à l'antenne d'une largeur de 100 Hz

En Russie, dans la gamme conventionnellement appelée «868 MHz», deux bandes de fréquences sont officiellement disponibles pour les appareils non spécialisés: 864,0-865,0 MHz avec une période active d'au plus 0,1% et une interdiction de travailler à proximité des aéroports et 868,7- 869,2 MHz sans ces restrictions. Autrement dit, dans le cas général, nous ne disposons que de 500 kHz de la bande de fréquences.

Les canaux LoRa d'une largeur de 125 kHz, évidemment, seuls trois morceaux s'inscrivent dans cette bande. Il existe des centaines de chaînes Sigfox ou Swift. En règle générale, ce fait est présenté par les développeurs de systèmes UNB comme un avantage évident - des centaines de milliers d'appareils peuvent coexister dans l'air sans interférer les uns avec les autres.

Cependant, dans la pratique, tout est un peu plus compliqué.

Dans les systèmes UNB, un seul récepteur de station de base ne peut recevoir qu'un canal à la fois.Il s'agit d'une thèse assez évidente et souvent oubliée. Le terme "séparation de fréquence" fait référence à la capacité du récepteur à décrocher ce canal de la diffusion afin qu'il ne chevauche pas la transmission dans les canaux adjacents - et si nous recevons actuellement quelque chose sur le canal N, puis sur les canaux N + 1 et N- 1 nous ne pouvons rien accepter en même temps.

Les systèmes UWB utilisent non seulement la fréquence et le temps, mais également la division de code des canaux.Dans les réseaux LoRa, le terminal peut sélectionner un schéma de modulation spécifique - et la station de base LoRa est conçue de manière à pouvoir séparer les flux de données de plusieurs périphériques fonctionnant simultanément sur le même canal de fréquence avec différents schémas de modulation. Ce schéma a ses limites, et dans la pratique, nous parlons de la capacité d'un BS à décoder un signal de seulement quelques appareils en même temps - mais, néanmoins, pour dire que dans les systèmes UWB, un seul appareil peut fonctionner à la fois, et dans UNB - des centaines incorrectement.

Théoriquement, l'avantage des systèmes UNB peut être observé lorsque plusieurs réseaux sont déployés dans une zone - ils peuvent facilement être séparés en fréquence. Cependant, premièrement, jusqu'à trois réseaux LoRa peuvent également être espacés à différentes fréquences (et si nous créons un réseau, par exemple, nous sommes entièrement satisfaits des services publics et du rapport cyclique de 0,1%, nous pouvons le mettre à 864-865 MHz) deuxièmement, la diversité de fréquence de différents réseaux dans un spectre non réglementé est une utopie, comme le sait tout propriétaire d'un routeur Wi-Fi dans un immeuble à appartements.

Conseils pratiques: après avoir entendu parler des avantages des réseaux UNB dans l'utilisation du spectre, commencez par une addiction pour interroger le narrateur sur la façon dont le saut de fréquence est mis en œuvre dans son système, à savoir la possibilité de régler la fréquence de fonctionnement des appareils à la volée.

Les systèmes UNB sont extrêmement sensibles à la précision des fréquences. C'est également une thèse évidente - si vous avez toute la bande de fréquences de 100 Hz (Sigfox, "Swift"), alors même un petit écart de la fréquence du résonateur à quartz de l'appareil final projettera sa fréquence de fonctionnement au-delà de la bande spécifiée. Bien au-delà. Vous pouvez calculer par vous-même - un  très bon résonateur a une erreur de 10 ppm, soit 0,001% à température ambiante et 15 ppm (0,0015%) au-dessus lorsque la température passe de -40 à +85 ° C. Les chiffres semblent minuscules - cependant, nous prenons ces pourcentages à partir de 868 000 000 Hz et comparons le résultat à 100 Hz ...

Alors, que faire du fait que l'émetteur dans les systèmes UNB diffuse dans une bande peu claire? Cela se décide au niveau de la station de base: elle doit pouvoir, lorsqu'elle voit un signal dans une large plage, s'y accorder rapidement. Malheureusement, il est problématique de mettre en œuvre les mêmes algorithmes au niveau d'un petit appareil terminal bon marché et économique, de sorte que la communication bidirectionnelle dans UNB n'est pas implémentée dans tous les systèmes et pas dans toutes les conditions. La même connexion Sigfox a longtemps été strictement unidirectionnelle.

Les systèmes UWB fournissent un canal de communication symétrique.Grâce à une bande passante de centaines de kilohertz, LoRa fournit une connexion symétrique lorsque la fréquence dévie jusqu'à 25% de la largeur du canal (31,25 kHz avec une largeur de 125 kHz), ce qui dans la plage de 868 MHz signifie une erreur de résonateur admissible de 35 ppm. Un bon cristal, mais assez répandu, avec une erreur de base de ± 10 ppm et une température de ± 15 ppm, permet au dispositif d'extrémité LoRa de se sentir bien dans la plage de température complète de -40 ... + 85 ° .

De plus, il y a une chose aussi désagréable pour les réseaux UNB que l'effet Doppler. Sigfox perd de la stabilité même à la vitesse de l'appareil final dans la région de 5 à 10 km / h, c'est-à-dire que faire un système de surveillance de vélo sur Sigfox est déjà une occupation pour les vrais amateurs de leur domaine. La LoRa, en revanche, a peu de sensibilité aux vitesses - bien que dans le cas général, les accélérations doivent être prises en compte, car les résonateurs à quartz y sont sensibles.

Conseils pratiques: Après avoir entendu parler des avantages des réseaux UNB dans l'utilisation du spectre, commencez par un biais pour interroger le narrateur sur la symétrie de la connexion dans ce système et dans quelles conditions cette symétrie fonctionne.

Débit de données


Le théorème de Kotelnikov-Shannon, hélas, n'a nulle part où aller: vous ne pouvez pas simplement capter et pousser le flux mégabits dans la bande de fréquences de 100 Hz.

Les systèmes UNB fonctionnent à faible vitesse fixe . Plus précisément, Sigfox a un taux de transfert de données de 100 bps et Swift a 50 bps.

Les systèmes UWB fonctionnent à une vitesse adaptative . En fonction de la puissance du signal, LoRa peut fonctionner à des vitesses de 30 bit / s à 50 kbit / s. Dans les réseaux cellulaires LoRaWAN, la vitesse est automatiquement sélectionnée; dans les réseaux locaux LoRa, la vitesse peut être fixée à un niveau qui assure une couverture fiable de l'objet souhaité avec la communication.

En pratique, cela signifie à la fois une grande flexibilité dans l'utilisation des systèmes UWB et leur aide à éviter les collisions dans l'air. Plus l'appareil de l'abonné transmet rapidement ses données au BS, plus il libère rapidement l'air. Bien que LoRa, en raison de son système de modulation complexe, ait une longueur de paquet réseau plus longue que les systèmes UNB (préambule plus long), cela est plus que compensé par un taux de transfert de données plus élevé.

En pratique, cela conduit à des restrictions assez strictes sur les systèmes UNB: par exemple, dans Sigfox, la quantité maximale de données utilisateur est de 12 octets, il faut plusieurs secondes pour les transférer, et les conditions de connexion au réseau Sigfox déterminent qu'un objet ne peut pas transmettre plus de 140 messages par jour .

Conseil pratique: Après avoir entendu parler de millions d'appareils fonctionnant simultanément, commencez par une addiction pour interroger le narrateur combien de messages par jour et combien de temps une station de base peut recevoir.

Portée de communication


En général - la même chose. La portée de communication dans toutes ces technologies est très dépendante des conditions du terrain: par exemple, si dans une zone ouverte et avec un emplacement d'antenne élevé, le LoRa BS fournit une portée même au-dessus des 30 km promis, puis dans une forêt dense, il chute à 1-2 km même à une vitesse minimale .

L'avantage de LoRa dans ce domaine est que, dans le contexte de ses concurrents, LoRa est une technologie assez ouverte, de nombreuses entreprises sont impliquées dans le monde, et il est donc relativement facile de trouver divers livres blancs et revues indiquant la portée réelle atteinte.

En général, nous pouvons supposer que toutes ces technologies offrent une portée de 1 à 3 km dans les zones urbaines et de 15 à 20 km dans les zones ouvertes. La portée peut être augmentée en raison de l'emplacement avantageux des antennes: par exemple, les mots «dans les zones urbaines» peuvent signifier à la fois des appareils d'abonné situés à l'arrière des bâtiments et équipés d'antennes imprimées compactes, ainsi que des lampadaires contrôlables avec des antennes fouet ordinaires en plein air et au moins à cinq mètres du sol.

Consommation d'énergie


La consommation d'énergie des appareils terminaux dans toutes les technologies ci-dessus est déterminée par deux points: la perfection technologique de la puce de l'émetteur et le temps qu'elle passe à la transmission.

En général, dans n'importe quel système, il est possible d'assurer un fonctionnement pendant au moins 5 ans sur une seule batterie. Les réseaux UWB ont un avantage sur UNB lorsqu'ils fonctionnent sur de courtes distances, lorsque leur vitesse peut dépasser 1 kbps - ce qui réduit considérablement le temps d'activité de l'émetteur.

Résumé


Bien que dans de nombreux cas les technologies UNB et UWB soient également applicables, il existe des différences notables entre elles qui peuvent jouer en faveur d'une solution particulière. Ainsi, sur les réseaux UNB, un ajustement rapide de la fréquence de travail des appareils (saut de fréquence) peut être mis en œuvre pour éviter les collisions et les interférences - cependant, dans le cas de technologies spécifiques, que ce soit Sigfox ou Strizh, il est nécessaire de savoir en plus s'il est mis en œuvre, ainsi que comment et dans quelle mesure cela fonctionne.

En revanche, les réseaux LoRa UWB ont une plus grande flexibilité des paramètres, ce qui leur permet d'être utilisés dans des projets pour lesquels les réseaux UNB sont peu utiles. Les réseaux LoRa offrent des taux de transfert de données potentiels importants, une communication bidirectionnelle symétrique et sont moins sensibles aux températures extrêmes et à la vitesse de déplacement du périphérique final.

Fait intéressant, cela s'applique également aux applications LoRa possibles d'un point de vue commercial - pour le moment, cette technologie donne en fait le modèle commercial et les détails de la mise en œuvre technique du projet à la discrétion du client. Mais plus à ce sujet dans la partie suivante.

La société Unwired Devices développe et fabrique des modules de communication pour les réseaux maillés 6LoWPAN et les réseaux longue distance LoRa, ainsi que des capteurs et autres terminaux pour ces réseaux, comprenant du matériel et des micrologiciels prenant en charge les technologies de réseau nécessaires. Dans le cas des réseaux LoRa, nous développons toutes les topologies possibles: réseaux maillés et relais radioélectriques statiques, réseaux d'objets de type étoile à partir d'une seule BS et dispositifs pour réseaux LoRaWAN globaux.

Source: https://habr.com/ru/post/fr396869/

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