Geekly articles weekly

Internet of Things: LoRa vs. UNB. Bagian 1: fisika

Yang pertama dari serangkaian artikel yang ditujukan untuk menggambarkan perbedaan utama antara teknologi radio jarak jauh berdaya rendah, yang sekarang banyak digunakan dalam Internet: broadband broadband dari sistem pita sempit (UNB, Ultra Narrow Band) seperti Sigfox dan Strizh

  1. Internet of Things: LoRa vs. UNB. Bagian 1: fisika
  2. : LoRa UNB. 2:
  3. : LoRa UNB. 3:
  4. : LoRa UNB. 4: LoRa

Topik komunikasi radio berdaya rendah, yang memungkinkan, tanpa melampaui rentang tanpa izin (yaitu, biasanya untuk daya 25 mW), untuk mengirimkan data kecepatan rendah pada jarak 1-3 hingga 10-30 kilometer, di Rusia mulai berkembang pesat dalam enam bulan terakhir. Yaitu, mereka membicarakannya sebelumnya, tetapi aplikasi praktis sangat jarang, dan ada sangat sedikit pengembang dan integrator yang dapat membuat proyek pada teknologi semacam itu.

Sekarang kita berada di ambang titik balik: walaupun proyek besar masih hanya diharapkan di masa depan (tetapi sudah dapat diprediksi bahwa masa depan ini adalah masalah bulan, bukan tahun), minat serius dalam teknologi komunikasi IoT telah muncul di antara integrator dan pelanggan, dan diungkapkan tidak hanya dalam kata-kata, tetapi juga dalam keinginan langsung untuk mencoba teknologi ini dalam praktiknya.

Persaingan utama di segmen ini sekarang adalah antara broadband LoRa dan Sigfox narrowband (dan khususnya di Rusia - teknologi Strizh-Telematika serupa dengan itu). Di masa depan, protokol Weightless UNB akan ditambahkan ke daftar ini, serta jaringan yang dipromosikan oleh pemasok peralatan seluler klasik - NB-IoT dan LTE-M, tetapi ini akan terjadi dalam dua atau tiga tahun.

Jadi apa bedanya - dan apa yang harus dipilih untuk proyek tertentu? Ayo pergi.
Fitur umum dari semua teknologi ini adalah bahwa mereka memungkinkan Anda untuk mengatur saluran komunikasi nirkabel berkecepatan rendah pada rentang unit, dan kadang-kadang puluhan kilometer, tanpa melampaui batasan pita radio tanpa izin (sebagai aturan, sistem tersebut beroperasi pada kisaran 864-869 MHz dengan kapasitas hingga 25 mW). Secara teknis, kita akan berbicara tentang pembatasan penggunaan yang diberlakukan oleh model bisnis pemilik teknologi lain kali - ini memungkinkan kita untuk memecahkan masalah yang agak menarik, misalnya:

  • koleksi nirkabel pembacaan meter di perumahan dan layanan komunal dalam skala besar dan skala yang lebih luas;
  • pemantauan nirkabel real-time dari keadaan teknologi di situs terbuka besar, dari situs konstruksi hingga tambang;
  • penggantian jaringan pengumpulan data arus rendah yang mahal dalam pemasangan dan pemeliharaan di fasilitas besar, terutama yang tersebar dalam skala kilometer persegi;
  • pembangunan jaringan radio-relay yang diperluas di sepanjang saluran listrik, jaringan pipa, kereta api, dll. benda;
  • organisasi jaringan pengumpulan telemetri seluler dengan jangkauan dan biaya yang berkelanjutan adalah 1-2 kali lipat lebih rendah dari jaringan telepon seluler klasik.

Dan semua ini murah, tanpa perlu mendapatkan lisensi untuk menggunakan spektrum frekuensi radio dan dengan kemampuan untuk memberi daya perangkat akhir dari baterai atau sel surya kecil.

Menggunakan spektrum frekuensi radio


Namun, dalam cara koneksi ini bekerja, teknologi yang tercantum di atas sangat berbeda - pada kenyataannya, mereka jatuh ke dalam dua kelompok: broadband UWB (Ultra Wide Band, yang mana hanya LoRa terdaftar) dan narrowband UNB (Ultra Narrow Band, di kasusnya adalah Sigfox dan Swift, serta yang saat ini sedang dalam pengembangan Weightless). Sejumlah perbedaan mengalir dari sini, di mana - yang tidak selalu jujur ​​- mereka yang ingin mengiklankan satu atau lain teknologi melekat padanya.

  • UWB: satu saluran menempati pita di udara dengan lebar 125 atau 250 kHz
  • UNB: satu saluran menempati pita di udara dengan lebar 100 Hz

Di Rusia, dalam rentang yang secara konvensional bernama "868 MHz", dua pita frekuensi secara resmi tersedia untuk perangkat yang tidak terspesialisasi: 864.0-865.0 MHz dengan periode aktif tidak lebih dari 0,1% dan larangan bekerja di dekat bandara dan 868,7- 869.2 MHz tanpa batasan seperti itu. Sederhananya, dalam kasus umum, kami hanya memiliki 500 kHz pita frekuensi yang tersedia untuk kami.

Saluran LoRa dengan lebar 125 kHz, jelas, hanya tiga buah yang pas di band ini. Ada ratusan saluran Sigfox atau Swift. Sebagai aturan, fakta ini disajikan oleh pengembang sistem UNB sebagai keuntungan nyata - ratusan ribu perangkat dapat hidup berdampingan di udara tanpa mengganggu satu sama lain.

Namun, dalam praktiknya, semuanya agak lebih rumit.

Dalam sistem UNB, penerima stasiun pangkalan tunggal hanya dapat menerima satu saluran pada satu waktu.Ini adalah tesis yang cukup jelas dan sering dilupakan. Istilah "pemisahan frekuensi" mengacu pada kemampuan penerima untuk melepaskan saluran ini dari siaran sehingga tidak tumpang tindih dengan saluran yang berdekatan - dan jika kita menerima sesuatu pada saluran N saat ini, maka pada saluran N + 1 dan N- 1 kami tidak dapat menerima apa pun pada saat yang bersamaan.

Sistem UWB tidak hanya menggunakan frekuensi dan waktu, tetapi juga pembagian kode saluran.Dalam jaringan LoRa, perangkat akhir dapat memilih skema modulasi tertentu - dan stasiun basis LoRa dirancang sehingga dapat memisahkan aliran data dari beberapa perangkat yang beroperasi secara bersamaan pada saluran frekuensi yang sama dengan skema modulasi yang berbeda. Skema ini memiliki keterbatasan, dan dalam praktiknya kita berbicara tentang kemampuan BS untuk memecahkan kode sinyal dari hanya beberapa perangkat pada saat yang sama - tetapi, bagaimanapun, untuk mengatakan bahwa dalam sistem UWB hanya satu perangkat yang dapat bekerja pada satu waktu, dan di UNB - ratusan salah

Secara teoritis, keuntungan dari sistem UNB dapat diamati ketika beberapa jaringan dikerahkan dalam satu area - mereka dapat dengan mudah dipisahkan dalam frekuensi. Namun, pertama, hingga tiga jaringan LoRa juga dapat ditempatkan pada frekuensi yang berbeda (dan jika kita membuat jaringan, misalnya, kita benar-benar puas dengan utilitas dan siklus kerja 0,1%, maka kita dapat mengeluarkannya di 864-865 MHz) kedua, keragaman frekuensi jaringan yang berbeda dalam spektrum yang tidak diatur adalah utopia, seperti yang diketahui setiap pemilik router Wi-Fi di gedung apartemen.

Saran praktis: Setelah mendengar tentang keuntungan jaringan UNB dalam penggunaan spektrum, mulailah dengan kecanduan untuk menginterogasi narator bagaimana frekuensi hopping diimplementasikan dalam sistemnya, yaitu, kemungkinan penyetelan frekuensi operasi perangkat dengan cepat.

Sistem UNB sangat sensitif terhadap akurasi frekuensi. Ini juga merupakan tesis yang jelas - jika Anda memiliki seluruh pita frekuensi 100 Hz (Sigfox, "Swift"), maka bahkan keberangkatan kecil dari frekuensi resonator kuarsa perangkat akhir akan membuang frekuensi operasinya di luar pita yang ditentukan. Jauh di luar. Anda dapat menghitung sendiri -  resonator yang sangat baik memiliki kesalahan 10 ppm, yaitu 0,001% pada suhu kamar, dan 15 ppm lainnya (0,0015%) di atas ketika suhu berubah dari -40 hingga +85 ° C. Jumlahnya tampak kecil - namun, kami mengambil persentase ini dari 868.000.000 Hz dan membandingkan hasilnya dengan 100 Hz ...

Jadi apa yang harus dilakukan dengan fakta bahwa pemancar di sistem UNB-siaran tidak jelas di band mana? Ini diputuskan pada tingkat stasiun pangkalan: ia harus dapat, ketika melihat sinyal dalam jangkauan yang luas, dengan cepat menyetelnya. Sayangnya, masalah untuk mengimplementasikan algoritma yang sama pada tingkat perangkat akhir yang kecil, murah dan ekonomis, sehingga komunikasi dua arah di UNB tidak diterapkan di semua sistem dan tidak di semua kondisi. Koneksi Sigfox yang sama telah lama benar-benar searah.

Sistem UWB menyediakan saluran komunikasi simetris.Berkat bandwidth ratusan kilohertz, LoRa menyediakan koneksi simetris ketika frekuensinya menyimpang sebanyak 25% dari lebar saluran (31,25 kHz dengan lebar 125 kHz), yang pada kisaran 868 MHz berarti kesalahan resonator yang diijinkan 35 ppm. Kristal yang baik, tetapi cukup luas dengan kesalahan dasar ± 10 ppm dan suhu ± 15 ppm memungkinkan perangkat akhir LoRa merasa baik-baik saja dalam kisaran suhu penuh -40 ... + 85 ° .

Selain itu, ada hal yang tidak menyenangkan untuk jaringan UNB sebagai efek Doppler. Sigfox kehilangan stabilitas bahkan pada kecepatan perangkat akhir di wilayah 5-10 km / jam, yaitu, melakukan sistem pemantauan sepeda pada Sigfox sudah menjadi pekerjaan untuk penggemar sejati di bidangnya. Sebaliknya, LoRa memiliki sedikit kepekaan terhadap kecepatan - meskipun dalam kasus umum, akselerasi harus diperhitungkan resonator kuarsa peka terhadap mereka.

Saran praktis: Setelah mendengar tentang keuntungan jaringan UNB dalam penggunaan spektrum, mulailah dengan bias untuk menginterogasi narator seberapa simetris koneksi dalam sistem ini dan dalam kondisi apa simetri ini bekerja.

Kecepatan data


Teorema Kotelnikov-Shannon, sayangnya, tidak punya tempat lain: Anda tidak bisa hanya mengambil dan mendorong aliran megabit ke pita frekuensi 100 Hz.

Sistem UNB beroperasi pada kecepatan rendah yang tetap . Lebih khusus lagi, Sigfox memiliki kecepatan transfer data 100 bps, dan Swift memiliki 50 bps.

Sistem UWB beroperasi pada kecepatan adaptif . Bergantung pada kekuatan sinyal, LoRa dapat beroperasi pada kecepatan dari 30 bit / detik hingga 50 kbit / detik. Dalam jaringan seluler LoRaWAN, kecepatan dipilih secara otomatis, dalam jaringan lokal LoRa, kecepatan dapat diperbaiki pada tingkat yang memastikan jangkauan yang dapat diandalkan dari objek yang diinginkan dengan komunikasi.

Dalam praktiknya, ini berarti fleksibilitas besar dalam penggunaan sistem UWB dan bantuannya dalam menghindari tabrakan di udara. Semakin cepat perangkat pelanggan mentransmisikan datanya ke BS, semakin cepat ia akan membebaskan udara. Meskipun LoRa, karena sistem modulasinya yang kompleks, memiliki panjang paket jaringan yang lebih panjang daripada sistem UNB (bukaan yang lebih panjang), ini lebih dari diimbangi oleh laju transfer data yang lebih tinggi.

Dalam praktiknya, ini mengarah pada pembatasan yang agak ketat pada sistem UNB: misalnya, dalam Sigfox jumlah maksimum data pengguna adalah 12 byte, dibutuhkan beberapa detik untuk mentransfernya, dan kondisi untuk menghubungkan ke jaringan Sigfox menentukan bahwa satu objek dapat mengirimkan tidak lebih dari 140 pesan per hari .

Kiat praktis: Setelah mendengar tentang jutaan perangkat yang bekerja secara bersamaan, mulailah dengan kecanduan untuk menginterogasi narator berapa banyak pesan per hari dan berapa lama satu stasiun basis dapat menerima.

Kisaran komunikasi


Secara umum - sama. Jangkauan komunikasi dalam semua teknologi tersebut sangat tergantung pada kondisi medan: misalnya, jika di area terbuka dan dengan lokasi antena tinggi, LoRa BS menyediakan jangkauan bahkan di atas 30 km yang dijanjikan, kemudian di hutan lebat ia turun menjadi 1-2 km bahkan pada kecepatan minimum .

Keuntungan LoRa dalam hal ini adalah bahwa, dengan latar belakang pesaing, LoRa adalah teknologi yang agak terbuka, ada banyak perusahaan yang terlibat di dunia, dan oleh karena itu relatif mudah untuk menemukan berbagai buku putih dan ulasan yang menunjukkan kisaran yang sebenarnya dicapai.

Secara umum, kita dapat mengasumsikan bahwa semua teknologi ini menyediakan jangkauan 1-3 km di daerah perkotaan dan 15-20 km di daerah terbuka. Kisaran dapat ditingkatkan karena lokasi antena yang menguntungkan: misalnya, kata "di daerah perkotaan" dapat berarti kedua perangkat pelanggan yang terletak di bagian belakang bangunan dan dilengkapi dengan antena tercetak yang kompak, serta lampu jalan yang dapat dikontrol dengan antena cambuk biasa di udara terbuka dan setidaknya lima meter dari tanah.

Konsumsi daya


Konsumsi energi perangkat akhir dalam semua teknologi di atas ditentukan oleh dua titik - kesempurnaan teknologi chip pemancar dan waktu yang dihabiskan untuk transmisi.

Secara umum, dalam sistem apa pun dimungkinkan untuk menyediakan operasi selama minimal 5 tahun dengan satu baterai. Jaringan UWB memiliki keunggulan dibandingkan UNB ketika bekerja pada jarak pendek, ketika kecepatannya dapat melebihi 1 kbps - yang secara signifikan mengurangi waktu aktivitas pemancar.

Ringkasan


Meskipun dalam banyak kasus teknologi UNB dan UWB sama-sama dapat diterapkan, ada perbedaan nyata di antara mereka yang dapat mendukung solusi tertentu. Jadi, pada jaringan UNB, penyesuaian cepat frekuensi kerja perangkat (frekuensi hopping) dapat diimplementasikan untuk menghindari tabrakan dan interferensi - namun, dalam hal teknologi tertentu, apakah Sigfox atau Strizh, perlu juga mengetahui apakah itu diterapkan, serta bagaimana dan sejauh mana kerjanya.

Di sisi lain, jaringan LoRa UWB memiliki fleksibilitas parameter yang jauh lebih besar, yang memungkinkan mereka untuk digunakan dalam proyek-proyek di mana jaringan UNB tidak banyak digunakan. Jaringan LoRa memberikan potensi besar kecepatan transfer data, komunikasi dua arah simetris, dan kurang sensitif terhadap suhu ekstrem dan kecepatan pergerakan perangkat akhir.

Menariknya, ini juga berlaku untuk aplikasi LoRa yang mungkin dari sudut pandang komersial - saat ini, teknologi ini benar-benar memberikan model bisnis dan rincian implementasi teknis proyek kepada kebijaksanaan pelanggan. Tetapi lebih lanjut tentang itu di bagian selanjutnya.

Perusahaan Unwired Devices mengembangkan dan memproduksi modul komunikasi untuk jaringan mesh 6LoWPAN dan jaringan jarak jauh LoRa, serta sensor dan perangkat terminal lainnya untuk jaringan ini, termasuk perangkat keras dan firmware yang mendukung teknologi jaringan yang diperlukan. Dalam kasus jaringan LoRa, kami sedang mengembangkan semua topologi yang memungkinkan: jaringan relay dan radio statis, jaringan objek tipe bintang dari satu BS, dan perangkat untuk jaringan global LoRaWAN.

Source: https://habr.com/ru/post/id396869/

More articles:


All Articles