🥚 🤷🏽 👨🏻‍🚒 इंटरनेट ऑफ थिंग्स: लोरा बनाम यूएनबी। भाग 1: भौतिकी 🤙🏼 🥫 ☃️

निम्न-शक्ति लंबी दूरी की रेडियो प्रौद्योगिकियों के बीच मुख्य अंतरों का वर्णन करने के लिए समर्पित लेखों की एक श्रृंखला, जो अब चीजों के इंटरनेट में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है: संकीर्ण बैंड (UNB, अल्ट्रा नैरो बैंड) सिस्टम से LoRa ब्रॉडबैंड जैसे सिगफॉक्स और स्ट्राइज़

इंटरनेट ऑफ थिंग्स: लोरा बनाम यूएनबी। भाग 1: भौतिकी
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: LoRa UNB. 4: LoRa

कम बिजली वाले रेडियो संचार का विषय, बिना लाइसेंस के सीमाओं के पार जाने की अनुमति, (जो कि आमतौर पर 25 mW की शक्ति के लिए है), रूस में 1-3 से 10-30 किलोमीटर की दूरी पर कम गति के डेटा को प्रसारित करने के लिए, रूस में पिछले छह महीनों में तेजी से विकसित होना शुरू हुआ। यही है, उन्होंने इससे पहले इसके बारे में बात की थी, लेकिन व्यावहारिक अनुप्रयोग बहुत दुर्लभ थे, और बहुत कम डेवलपर्स और इंटीग्रेटर थे जो इस तरह की प्रौद्योगिकियों पर एक परियोजना बना सकते थे।

अब हम एक महत्वपूर्ण मोड़ पर हैं: हालाँकि बड़ी परियोजनाएँ अभी भी केवल भविष्य में अपेक्षित हैं (लेकिन यह पहले से ही अनुमान लगाया जा सकता है कि यह भविष्य महीनों की है, वर्षों की नहीं), IoT संचार तकनीकों में गंभीर रुचि इंटीग्रेटर्स और ग्राहकों के बीच प्रकट हुई है और व्यक्त की गई है न केवल शब्दों में, बल्कि व्यवहार में इन प्रौद्योगिकियों की कोशिश करने की तत्काल इच्छा में भी।

अभी इस सेगमेंट में मुख्य प्रतियोगिता लोरा ब्रॉडबैंड और सिगफॉक्स नैरोबैंड (और विशेष रूप से रूस में - स्ट्रेज-टेलीमैटिक्स तकनीक इसके समान है) के बीच है। भविष्य में, वेटलेस यूएनबी प्रोटोकॉल को इस सूची में जोड़ा जाएगा, साथ ही शास्त्रीय सेलुलर संचार उपकरण एनबी-आईओटी और एलटीई-एम के आपूर्तिकर्ताओं द्वारा प्रचारित नेटवर्क भी होगा, लेकिन यह दो या तीन वर्षों में होगा।

तो क्या अंतर है - और एक विशिष्ट परियोजना के लिए क्या चुनना है? चलो चलते हैं।
इन सभी प्रौद्योगिकियों की एक सामान्य विशेषता यह है कि वे आपको बिना लाइसेंस वाले रेडियो बैंड की सीमाओं से परे जाने के लिए, और कभी-कभी दसियों किलोमीटर की दूरी पर कम गति वाले वायरलेस संचार चैनल को व्यवस्थित करने की अनुमति देते हैं (एक नियम के रूप में, ऐसी प्रणालियां 864-869 मेगाहर्ट्ज की सीमा में संचालित होती हैं) 25 mW तक की क्षमता के साथ)। तकनीकी रूप से, हम अगली बार प्रौद्योगिकी मालिकों के व्यावसायिक मॉडलों द्वारा लगाए गए उपयोग पर प्रतिबंध के बारे में बात करेंगे - यह हमें दिलचस्प समस्याओं को हल करने की अनुमति देता है, उदाहरण के लिए:

बड़े पैमाने पर और व्यापक पैमाने पर आवास और सांप्रदायिक सेवाओं में मीटर रीडिंग का वायरलेस संग्रह;
निर्माण स्थलों से लेकर खदानों तक बड़ी खुली जगहों पर प्रौद्योगिकी की स्थिति की वास्तविक समय की वायरलेस निगरानी;
कम-वर्तमान डेटा संग्रह नेटवर्क का प्रतिस्थापन बड़ी सुविधाओं पर बिछाने और रखरखाव में महंगा है, विशेष रूप से एक वर्ग किलोमीटर के पैमाने पर फैलता है;
बिजली लाइनों, पाइपलाइनों, रेलवे, आदि के साथ विस्तारित रेडियो-रिले नेटवर्क का निर्माण। सुविधाओं;
एक निरंतर कवरेज और लागत के साथ सेलुलर टेलीमेटरी संग्रह नेटवर्क का संगठन क्लासिक सेलुलर टेलीफोन नेटवर्क की तुलना में कम परिमाण के 1-2 ऑर्डर है।

और यह सब सस्ता है, बिना रेडियो फ्रीक्वेंसी स्पेक्ट्रम का उपयोग करने के लिए लाइसेंस प्राप्त करने की आवश्यकता के बिना और बैटरी या छोटे सौर कोशिकाओं से अंतिम उपकरणों को बिजली देने की क्षमता के साथ।

रेडियो फ्रीक्वेंसी स्पेक्ट्रम का उपयोग करना

हालांकि, जिस तरह से यह कनेक्शन काम करता है, ऊपर सूचीबद्ध प्रौद्योगिकियां काफी भिन्न हैं - वास्तव में, वे दो समूहों में आते हैं: ब्रॉडबैंड यूडब्ल्यूबी (अल्ट्रा वाइड बैंड, जिनमें से केवल लोरा का संदर्भ होता है) और नैबबैंड यूएनबी (अल्ट्रा नैरो बैंड, हमारे यहां) मामला सिगफॉक्स और स्विफ्ट है, साथ ही वर्तमान में विकास के तहत वेटलेस है)। इस से कई अंतर निकलते हैं, जिसके लिए - हमेशा ईमानदारी से नहीं - जो लोग एक या किसी अन्य तकनीक से चिपके रहना चाहते हैं।

UWB: एक चैनल 125 या 250 kHz की चौड़ाई के साथ हवा पर एक बैंड का कब्जा करता है
यूएनबी: एक चैनल 100 हर्ट्ज की चौड़ाई के साथ एक बैंड को हवा में रखता है

रूस में, पारंपरिक रूप से "868 मेगाहर्ट्ज" नाम की सीमा में, दो आवृत्ति बैंड आधिकारिक तौर पर गैर-विशिष्ट उपकरणों के लिए उपलब्ध हैं: 864.0-865.0 मेगाहर्ट्ज जिसकी सक्रिय अवधि 0.1% से अधिक नहीं है और हवाई अड्डों और 868.7- के पास काम करने पर प्रतिबंध है 869.2 मेगाहर्ट्ज इस तरह के प्रतिबंध के बिना। सीधे शब्दों में कहें, सामान्य मामले में, हमारे पास केवल 500 kHz की आवृत्ति बैंड उपलब्ध है।

लोरा चैनल जिसकी चौड़ाई 125 kHz है, जाहिर है, इस बैंड में केवल तीन टुकड़े फिट हैं। सैकड़ों सिगफॉक्स या स्विफ्ट चैनल हैं। एक नियम के रूप में, इस तथ्य को यूएनबी सिस्टम के डेवलपर्स ने एक स्पष्ट लाभ के रूप में प्रस्तुत किया है - सैकड़ों हजारों डिवाइस एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप किए बिना हवा पर सह-अस्तित्व कर सकते हैं।

हालांकि, व्यवहार में, सब कुछ कुछ अधिक जटिल है।

यूएनबी सिस्टम में, एक सिंगल बेस स्टेशन रिसीवर एक समय में केवल एक चैनल प्राप्त कर सकता है।यह एक काफी स्पष्ट और अक्सर भूल गई थीसिस है। "फ़्रीक्वेंसी सेपरेशन" शब्द इस चैनल को प्रसारण से बाहर निकालने के लिए रिसीवर की क्षमता को संदर्भित करता है ताकि यह आसन्न चैनलों में संचरण को ओवरलैप न करे - और अगर हम इस समय चैनल एन पर कुछ प्राप्त कर रहे हैं, तो चैनलों पर एन + 1 और एन- 1 हम एक ही समय में कुछ भी स्वीकार नहीं कर सकते।

यूडब्ल्यूबी सिस्टम न केवल आवृत्ति और समय का उपयोग करते हैं, बल्कि चैनलों के कोड विभाजन का भी उपयोग करते हैं।लोरा नेटवर्क में, अंतिम डिवाइस एक विशिष्ट मॉड्यूलेशन स्कीम का चयन कर सकता है - और लोरा बेस स्टेशन को डिज़ाइन किया गया है ताकि यह अलग-अलग मॉडुलन योजनाओं के साथ एक ही आवृत्ति चैनल पर एक साथ काम करने वाले कई उपकरणों से डेटा स्ट्रीम को अलग कर सके। इस योजना की अपनी सीमाएं हैं, और व्यवहार में हम बीएस की क्षमता के बारे में बात कर रहे हैं कि एक ही समय में केवल कुछ उपकरणों से एक संकेत को डीकोड किया जा सकता है - लेकिन, फिर भी, यह कहने के लिए कि यूडब्ल्यूबी-सिस्टम में एक समय में केवल एक डिवाइस काम कर सकता है, और यूएनबी में - सैकड़ों गलत तरीके से।

सैद्धांतिक रूप से, यूएनबी प्रणालियों का लाभ तब देखा जा सकता है जब एक क्षेत्र में कई नेटवर्क तैनात किए जाते हैं - वे आसानी से आवृत्ति में अलग हो सकते हैं। हालांकि, सबसे पहले, तीन लोरा नेटवर्क तक भी अलग-अलग आवृत्तियों पर स्थान दिया जा सकता है (और यदि हम एक नेटवर्क बनाते हैं, उदाहरण के लिए, हम उपयोगिताओं और 0.1% कर्तव्य चक्र से पूरी तरह से संतुष्ट हैं, तो हम इसे 864-865 मेगाहर्ट्ज पर रख सकते हैं) दूसरे, एक अनियंत्रित स्पेक्ट्रम में विभिन्न नेटवर्क की आवृत्ति विविधता एक यूटोपिया है, जैसा कि एक अपार्टमेंट इमारत में वाई-फाई राउटर के प्रत्येक मालिक को पता है।

व्यावहारिक सलाह: स्पेक्ट्रम के उपयोग में यूएनबी-नेटवर्क के फायदों के बारे में सुना है, कथावाचक से पूछताछ करने के लिए एक लत के साथ शुरू करें कि उसके सिस्टम में फ्रिक्वेंसी हॉपिंग कैसे लागू की जाती है, अर्थात्, मक्खी पर उपकरणों के ऑपरेटिंग आवृत्ति को ट्यून करने की संभावना।

यूएनबी सिस्टम आवृत्ति सटीकता के लिए बेहद संवेदनशील हैं। वही स्पष्ट थीसिस है कि यदि आपके पास 100 हर्ट्ज (सिगफॉक्स, "स्विफ्ट") की पूरी आवृत्ति बैंड है, तो अंतिम डिवाइस के क्वार्ट्ज गुंजयमान यंत्र की आवृत्ति का एक छोटा प्रस्थान भी इसके संचालन की आवृत्ति को निर्दिष्ट बैंड से परे फेंक देगा। दूर है। आप अपने लिए गणना कर सकते हैं - एक बहुत अच्छे रेज़ोनेटर में 10 ppm की त्रुटि होती है, अर्थात, कमरे के तापमान पर 0.001%, और जब तापमान -40 से +85 ° C तक बदल जाता है, तो एक और 15 ppm (0.0015%) ऊपर। संख्या छोटी लगती है - हालांकि, हम इन प्रतिशत को 868,000,000 हर्ट्ज से लेते हैं और परिणाम की तुलना 100 हर्ट्ज से करते हैं ...

तो इस तथ्य के साथ क्या करना है कि UNB- सिस्टम में ट्रांसमीटर किस बैंड में अस्पष्ट है? यह बेस स्टेशन के स्तर पर तय किया जाता है: यह सक्षम होना चाहिए, जब यह एक विस्तृत श्रृंखला में सिग्नल देखता है, तो जल्दी से इसे ट्यून करें। दुर्भाग्य से, एक छोटे, सस्ते और किफायती अंत डिवाइस के स्तर पर समान एल्गोरिदम को लागू करना समस्याग्रस्त है, इसलिए यूएनबी में द्वि-दिशात्मक संचार सभी प्रणालियों में लागू नहीं है और सभी स्थितियों में नहीं। एक ही सिगफॉक्स कनेक्शन लंबे समय तक सख्ती से अप्रत्यक्ष रहा है।

UWB सिस्टम एक सममित संचार चैनल प्रदान करता है।सैकड़ों किलोहर्ट्ज़ की एक बैंडविड्थ के लिए धन्यवाद, लोरा एक सममितीय कनेक्शन प्रदान करता है जब आवृत्ति चैनल की चौड़ाई का 25% (125 kHz की चौड़ाई के साथ 31.25 kHz) तक विचलित हो जाती है, जो कि 868 मेगाहर्ट्ज की सीमा में 35 पीपीएम की अनुमेय गुंजयमान त्रुटि का अर्थ है। Esp 10 पीपीएम की एक बुनियादी त्रुटि और p 15 पीपीएम के तापमान के साथ एक अच्छा, लेकिन काफी व्यापक क्रिस्टल, लोरा अंत डिवाइस को पूर्ण तापमान रेंज -40 ... + 85 ° में ठीक महसूस करने की अनुमति देता है।

इसके अलावा, डॉपलर प्रभाव के रूप में यूएनबी नेटवर्क के लिए ऐसी अप्रिय बात है। सिगफॉक्स 5-10 किमी / घंटा के क्षेत्र में अंतिम डिवाइस की गति पर भी स्थिरता खो देता है, अर्थात सिगफॉक्स पर बाइक मॉनिटरिंग सिस्टम करना पहले से ही अपने क्षेत्र में सच्चे उत्साही लोगों के लिए एक व्यवसाय है। लोरा, इसके विपरीत, गति के लिए थोड़ी संवेदनशीलता है - हालांकि सामान्य मामले में, त्वरण को ध्यान में रखा जाना चाहिए, क्योंकि क्वार्ट्ज गुंजयमान यंत्र उनके प्रति संवेदनशील होते हैं।

व्यावहारिक सलाह: स्पेक्ट्रम के उपयोग में यूएनबी-नेटवर्क के फायदे के बारे में सुना है, कथाकार से पूछताछ करने के लिए एक पूर्वाग्रह के साथ शुरू करें कि इस प्रणाली में कनेक्शन कितना सममित है और यह सममिति किन स्थितियों में काम करती है।

डेटा दर

केटलनिकोव-शैनन प्रमेय, अफसोस, कहीं नहीं जाना है: आप बस उठा नहीं सकते और मेगाबिट स्ट्रीम को 100 हर्ट्ज आवृत्ति बैंड में धकेल सकते हैं।

यूएनबी सिस्टम एक निश्चित कम गति पर काम करते हैं । विशेष रूप से, सिगफॉक्स की डेटा ट्रांसफर दर 100 बीपीएस है, और स्विफ्ट में 50 बीपीएस हैं।

यूडब्ल्यूबी सिस्टम अनुकूली गति से काम करते हैं । सिग्नल की ताकत के आधार पर, लोरा 30 बिट / एस से 50 kbit / s तक की गति से काम कर सकता है। लोरावन सेलुलर नेटवर्क में, गति स्वचालित रूप से चुनी जाती है; लोरा स्थानीय नेटवर्क में, गति को एक स्तर पर तय किया जा सकता है जो संचार के साथ वांछित वस्तु का विश्वसनीय कवरेज सुनिश्चित करता है।

व्यवहार में, इसका अर्थ है यूडब्ल्यूबी सिस्टम के उपयोग में महान लचीलापन और हवा पर टकराव से बचने में उनकी मदद। जितनी तेजी से सब्सक्राइबर डिवाइस अपने डेटा को बीएस तक पहुंचाता है, उतनी ही तेजी से यह हवा को फ्री करेगा। हालांकि लोरा, अपने जटिल मॉडुलन प्रणाली के कारण, यूएनबी सिस्टम (लंबी प्रस्तावना) की तुलना में लंबी नेटवर्क पैकेट लंबाई वाली है, यह एक उच्च डेटा ट्रांसफर दर द्वारा ऑफसेट से अधिक है।

व्यवहार में, यह यूएनबी सिस्टम पर बल्कि कड़े प्रतिबंधों की ओर जाता है: उदाहरण के लिए, सिगफॉक्स में उपयोगकर्ता डेटा की अधिकतम मात्रा 12 बाइट्स है, इसे स्थानांतरित करने में कई सेकंड लगते हैं, और सिगफॉक्स नेटवर्क से कनेक्ट होने की स्थिति निर्धारित करती है कि एक वस्तु प्रति दिन 140 से अधिक संदेश प्रसारित कर सकती है। ।

प्रैक्टिकल टिप: एक साथ काम करने वाले लाखों उपकरणों के बारे में सुना है, कथावाचक से पूछताछ करने के लिए एक लत के साथ शुरू करें कि प्रति दिन कितने संदेश और एक बेस स्टेशन कितनी देर तक प्राप्त कर सकता है।

संचार रेंज

सामान्य तौर पर - समान। ऐसी सभी तकनीकों में संचार सीमा बहुत हद तक भू-भाग की स्थितियों पर निर्भर करती है: उदाहरण के लिए, यदि एक खुले क्षेत्र में और एक उच्च एंटीना स्थान के साथ, लोरा बीएस वादा किए गए 30 किमी से ऊपर भी एक सीमा प्रदान करता है, तो घने जंगल में यह न्यूनतम गति पर भी 1-2 किमी तक गिरता है ।

इस मामले में लोरा का लाभ यह है कि, प्रतियोगियों की पृष्ठभूमि के खिलाफ, लोरा एक काफी खुली तकनीक है, दुनिया में कई कंपनियां हैं जो इससे निपटती हैं, और इसलिए वास्तविक सफ़ेद रेंज का संकेत देने वाले विभिन्न श्वेत पत्रों और समीक्षाओं को ढूंढना अपेक्षाकृत आसान है।

सामान्य तौर पर, हम यह मान सकते हैं कि ये सभी प्रौद्योगिकियां शहरी क्षेत्रों में 1-3 किमी और खुले क्षेत्रों में 15-20 किमी की सीमा प्रदान करती हैं। एंटेना के लाभप्रद स्थान के कारण सीमा बढ़ाई जा सकती है: उदाहरण के लिए, "शहरी क्षेत्रों में" शब्द का अर्थ इमारतों के पीछे स्थित दोनों उपभोक्ता उपकरणों और कॉम्पैक्ट मुद्रित एंटेना से सुसज्जित हो सकता है, साथ ही खुली हवा में साधारण व्हाट एंटेना के साथ नियंत्रणीय स्ट्रीट लाइट और कम से कम जमीन से पांच मीटर।

बिजली की खपत

उपरोक्त सभी प्रौद्योगिकियों में अंत उपकरणों की ऊर्जा खपत दो बिंदुओं द्वारा निर्धारित की जाती है - ट्रांसमीटर चिप की तकनीकी पूर्णता और ट्रांसमिशन पर खर्च करने का समय।

सामान्य तौर पर, किसी भी प्रणाली में एक बैटरी पर कम से कम 5 वर्षों के लिए ऑपरेशन प्रदान करना संभव है। यूडब्ल्यूबी नेटवर्क को कम दूरी पर काम करने पर यूएनबी पर एक फायदा होता है, जब उनकी गति 1 केबीपीएस से अधिक हो सकती है - जो संचारण गतिविधि के समय को काफी कम कर देता है।

परिणाम

यद्यपि कई मामलों में यूएनबी और यूडब्ल्यूबी प्रौद्योगिकियां समान रूप से लागू होती हैं, उनके बीच ध्यान देने योग्य अंतर हैं जो किसी विशेष समाधान के पक्ष में खेल सकते हैं। इसलिए, यूएनबी-नेटवर्क पर, टकराव और हस्तक्षेप से बचने के लिए उपकरणों की कार्यशील आवृत्ति (फ़्रीक्वेंसी होपिंग) का एक त्वरित समायोजन लागू किया जा सकता है - हालांकि, विशिष्ट प्रौद्योगिकियों के मामले में, चाहे सिगफ़ॉक्स या स्ट्राइज़, यह लागू होने के साथ-साथ यह आवश्यक है कि क्या यह लागू किया जाए। यह कैसे और किस हद तक काम करता है।

दूसरी ओर, लोरा प्रौद्योगिकी पर आधारित यूडब्ल्यूबी-नेटवर्क में मापदंडों का लचीलापन अधिक है, जो उन्हें उन परियोजनाओं में उपयोग करने की अनुमति देता है जिनके लिए यूएनबी-नेटवर्क बहुत कम उपयोग करते हैं। लोरा नेटवर्क बड़ी संभावित डेटा अंतरण दर, सममित द्विदिश संचार प्रदान करते हैं, और तापमान चरम सीमा और अंत डिवाइस की गति की गति के प्रति कम संवेदनशील होते हैं।

दिलचस्प है, यह व्यावसायिक दृष्टिकोण से संभावित लोरा अनुप्रयोगों पर भी लागू होता है - फिलहाल, यह तकनीक वास्तव में व्यवसाय मॉडल और परियोजना के तकनीकी कार्यान्वयन का विवरण ग्राहक के विवेक पर देती है। लेकिन इसके बारे में अगले भाग में।

अवांछित डिवाइस कंपनी 6LoWPAN जाल नेटवर्क और लोरा लंबी दूरी के नेटवर्क के लिए संचार मॉड्यूल विकसित और बनाती है, साथ ही इन नेटवर्क के लिए सेंसर और अन्य टर्मिनल डिवाइस, हार्डवेयर और फर्मवेयर दोनों आवश्यक नेटवर्क तकनीकों का समर्थन करते हैं। लोरा नेटवर्क के मामले में, हम सभी संभव टोपोलॉजी विकसित कर रहे हैं: मेष और स्थिर रेडियो-रिले नेटवर्क, एक बीएस से स्टार-टाइप ऑब्जेक्ट नेटवर्क, और लोरावन वैश्विक नेटवर्क के लिए डिवाइस।

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