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Internet das Coisas: LoRa vs. UNB. Parte 1: física

O primeiro de uma série de artigos dedicados a descrever as principais diferenças entre as tecnologias de rádio de longo alcance e baixo consumo de energia, que agora estão ganhando popularidade na Internet: LoRa de banda larga de sistemas de banda estreita (UNB, Ultra Narrow Band), como Sigfox e Strizh

  1. Internet das Coisas: LoRa vs. UNB. Parte 1: física
  2. : LoRa UNB. 2:
  3. : LoRa UNB. 3:
  4. : LoRa UNB. 4: LoRa

O tópico das comunicações via rádio de baixa potência, permitindo, sem ultrapassar os intervalos não licenciados (ou seja, geralmente com uma potência de 25 mW), transmitir dados de baixa velocidade a distâncias de 1-3 a 10 a 30 km, na Rússia começou a se desenvolver rapidamente nos últimos seis meses. Ou seja, eles conversaram sobre isso antes disso, mas aplicativos práticos eram muito raros e havia muito poucos desenvolvedores e integradores que poderiam fazer um projeto sobre essas tecnologias.

Agora estamos à beira de um ponto de virada: embora grandes projetos ainda sejam esperados apenas no futuro (mas já é possível prever que esse futuro é uma questão de meses, não anos), um interesse sério nas tecnologias de comunicação da Internet das Coisas apareceu entre integradores e clientes e expressou não apenas em palavras, mas também no desejo imediato de experimentar essas tecnologias na prática.

A principal competição neste segmento atualmente é entre a banda larga LoRa e a banda estreita Sigfox (e especificamente na Rússia - a tecnologia Strizh-Telematics semelhante a ela). No futuro, o protocolo UNB sem peso será adicionado a esta lista, bem como as redes promovidas pelos fornecedores do equipamento de comunicação celular clássico NB-IoT e LTE-M, mas isso acontecerá em dois ou três anos.

Então, qual é a diferença - e o que escolher para um projeto específico? Vamos lá
Uma característica comum de todas essas tecnologias é que elas permitem organizar um canal de comunicação sem fio de baixa velocidade em faixas de unidades e, às vezes, dezenas de quilômetros, sem ultrapassar as limitações de faixas de rádio não licenciadas (como regra, esses sistemas operam na faixa de 864 a 869 MHz com capacidade de até 25 mW). Tecnicamente, falaremos sobre as restrições de uso impostas pelos modelos de negócios dos proprietários de tecnologia na próxima vez - isso nos permite resolver problemas bastante interessantes, por exemplo:

  • coleta sem fio de leituras de medidores em serviços habitacionais e comunitários em larga e larga escala;
  • monitoramento sem fio em tempo real do estado da tecnologia em grandes locais abertos, de canteiros de obras a pedreiras;
  • substituição de redes de coleta de dados de baixa corrente, caras na instalação e manutenção de grandes instalações, especialmente aquelas espalhadas em uma escala de quilômetros quadrados;
  • a construção de redes estendidas de rádio-relé ao longo de linhas de energia, oleodutos, ferrovias, etc. objetos;
  • A organização de redes de coleta de telemetria celular com cobertura e custo contínuos é de 1-2 ordens de magnitude menor que a das redes telefônicas celulares clássicas.

E tudo isso é barato, sem a necessidade de obter uma licença para usar o espectro de radiofrequência e com a capacidade de alimentar os dispositivos finais a partir de baterias ou pequenas células solares.

Usando o espectro de radiofrequência


No entanto, da maneira como essa conexão funciona, as tecnologias listadas acima são bastante diferentes - na verdade, elas se dividem em dois grupos: banda larga UWB (Ultra Wide Band, da qual apenas LoRa está listada) e banda estreita UNB (Ultra Narrow Band, em nossa o caso é Sigfox e Swift, bem como o atualmente em desenvolvimento Weightless). Uma série de diferenças decorre disso, para as quais - nem sempre, honestamente - aqueles que desejam anunciar uma ou outra tecnologia se apegam a ela.

  • UWB: um canal ocupa uma banda no ar com uma largura de 125 ou 250 kHz
  • UNB: um canal ocupa uma banda no ar com uma largura de 100 Hz

Na Rússia, na faixa convencionalmente denominada “868 MHz”, duas bandas de frequência estão oficialmente disponíveis para dispositivos não especializados: 864,0-865,0 MHz com um período ativo não superior a 0,1% e uma proibição de trabalhar perto de aeroportos e 868,7- 869,2 MHz sem essas restrições. Simplificando, no caso geral, temos apenas 500 kHz da banda de frequência disponível para nós.

Canais LoRa com uma largura de 125 kHz, obviamente, apenas três peças se encaixam nessa banda. Existem centenas de canais Sigfox ou Swift. Como regra, esse fato é apresentado pelos desenvolvedores de sistemas UNB como uma vantagem óbvia - centenas de milhares de dispositivos podem coexistir no ar sem interferir um no outro.

No entanto, na prática, tudo é um pouco mais complicado.

Nos sistemas UNB, um único receptor de estação base pode receber apenas um canal de cada vez.Esta é uma tese bastante óbvia e muitas vezes esquecida. O termo "separação de frequência" refere-se à capacidade do receptor de desconectar esse canal da transmissão para que não se sobreponha à transmissão nos canais adjacentes - e se estamos recebendo algo no canal N no momento, então nos canais N + 1 e N- 1 não podemos aceitar nada ao mesmo tempo.

Os sistemas UWB usam não apenas frequência e tempo, mas também código de divisão de canais.Nas redes LoRa, o dispositivo final pode selecionar um esquema de modulação específico - e a estação base LoRa é projetada para separar fluxos de dados de vários dispositivos que operam simultaneamente no mesmo canal de frequência com diferentes esquemas de modulação. Esse esquema tem suas limitações e, na prática, estamos falando sobre a capacidade de um BS decodificar um sinal de apenas alguns dispositivos ao mesmo tempo - mas, no entanto, dizer que em sistemas UWB apenas um dispositivo pode funcionar por vez e no UNB - centenas incorretamente.

Teoricamente, a vantagem dos sistemas UNB pode ser observada quando várias redes são implantadas em uma área - elas podem ser facilmente separadas em frequência. No entanto, em primeiro lugar, até três redes LoRa também podem ser espaçadas em diferentes frequências (e se fizermos uma rede, por exemplo, ficaremos completamente satisfeitos com as utilidades e o ciclo de trabalho de 0,1%, podemos colocá-la em 864-865 MHz) segundo, a diversidade de frequências de diferentes redes em um espectro não regulamentado é uma utopia, como todo proprietário de um roteador Wi-Fi em um prédio de apartamentos sabe.

Conselho prático: Tendo ouvido falar das vantagens das redes UNB no uso do espectro, comece com um vício em interrogar o narrador sobre como o salto de frequência é implementado em seu sistema, ou seja, a possibilidade de ajustar a frequência de operação de dispositivos em tempo real.

Os sistemas UNB são extremamente sensíveis à precisão da frequência. Essa também é uma tese óbvia - se você tiver toda a banda de frequência de 100 Hz (Sigfox, "Swift"), mesmo uma pequena partida da frequência do ressonador de quartzo do dispositivo final lançará sua frequência operacional além da banda especificada. Muito além. Você pode calcular por si mesmo - um  ressonador muito bom tem um erro de 10 ppm, ou seja, 0,001% à temperatura ambiente e outros 15 ppm (0,0015%) acima quando a temperatura muda de -40 a +85 ° C. Os números parecem pequenos - no entanto, tomamos essas porcentagens de 868.000.000 Hz e comparamos o resultado com 100 Hz ...

Então, o que fazer com o fato de que o transmissor nos sistemas UNB transmite pouco claro em qual banda? Isso é decidido no nível da estação base: ele deve poder, quando vê um sinal em uma ampla faixa, sintonizar rapidamente. Infelizmente, é problemático implementar os mesmos algoritmos no nível de um dispositivo final pequeno, barato e econômico; portanto, a comunicação bidirecional na UNB não é implementada em todos os sistemas e nem em todas as condições. A mesma conexão Sigfox tem sido estritamente unidirecional.

Os sistemas UWB fornecem um canal de comunicação simétrico.Graças a uma largura de banda de centenas de quilohertz, o LoRa fornece uma conexão simétrica quando a frequência diverge em até 25% da largura do canal (31,25 kHz com uma largura de 125 kHz), o que na faixa de 868 MHz significa um erro de ressonador permitido de 35 ppm. Um cristal bom, mas bastante difundido, com um erro básico de ± 10 ppm e uma temperatura de ± 15 ppm permite que o dispositivo final LoRa se sinta bem em toda a faixa de temperatura -40 ... + 85 ° .

Além disso, existe algo desagradável para as redes UNB como o efeito Doppler. A Sigfox perde estabilidade mesmo na velocidade do dispositivo final na região de 5 a 10 km / h, ou seja, fazer um sistema de monitoramento de bicicletas na Sigfox já é uma ocupação para os verdadeiros entusiastas em seu campo. O LoRa, por outro lado, tem pouca sensibilidade às velocidades - embora, no caso geral, as acelerações devam ser levadas em consideração, pois ressonadores de quartzo são sensíveis a eles.

Conselho prático: Tendo ouvido falar das vantagens das redes UNB no uso do espectro, comece com um viés para interrogar o narrador sobre o quão simétrica é a conexão nesse sistema e em que condições essa simetria funciona.

Taxa de dados


O teorema de Kotelnikov-Shannon, infelizmente, não tem para onde ir: você não pode simplesmente captar e empurrar o fluxo de megabits para a faixa de frequência de 100 Hz.

Os sistemas UNB operam a uma velocidade baixa fixa . Mais especificamente, Sigfox tem uma taxa de transferência de dados de 100 bps e Swift tem 50 bps.

Os sistemas UWB operam em velocidade adaptativa . Dependendo da intensidade do sinal, o LoRa pode operar em velocidades de 30 bits / sa 50 kbit / s. Nas redes celulares LoRaWAN, a velocidade é selecionada automaticamente; nas redes locais LoRa, a velocidade pode ser fixada em um nível que garanta uma cobertura confiável do objeto desejado com a comunicação.

Na prática, isso significa grande flexibilidade no uso de sistemas UWB e sua ajuda para evitar colisões no ar. Quanto mais rápido o dispositivo do assinante transmitir seus dados para o BS, mais rápido liberará o ar. Embora o LoRa, devido ao seu complexo sistema de modulação, tenha um comprimento de pacote de rede maior que os sistemas UNB (preâmbulo mais longo), isso é mais do que compensado por uma taxa de transferência de dados mais alta.

Na prática, isso leva a restrições bastante rigorosas nos sistemas UNB: por exemplo, no Sigfox, a quantidade máxima de dados do usuário é de 12 bytes, leva alguns segundos para transferi-lo e as condições de conexão à rede Sigfox determinam que um objeto não pode transmitir mais de 140 mensagens por dia .

Dica prática: Tendo ouvido falar em milhões de dispositivos que funcionam simultaneamente, comece com um vício para interrogar o narrador quantas mensagens por dia e quanto tempo uma estação base pode receber.

Alcance de comunicação


Em geral - o mesmo. O alcance da comunicação em todas essas tecnologias depende muito das condições do terreno: por exemplo, se em uma área aberta e com uma localização de antena alta, o LoRa BS fornece um alcance mesmo acima dos 30 km prometidos e, em uma floresta densa, cai para 1-2 km, mesmo a uma velocidade mínima .

A vantagem do LoRa nessa questão é que, no contexto dos concorrentes, o LoRa é uma tecnologia bastante aberta, há muitas empresas envolvidas no mundo e, portanto, é relativamente fácil encontrar vários white papers e análises indicando o alcance real alcançado.

Em geral, podemos assumir que todas essas tecnologias oferecem um intervalo de 1 a 3 km em áreas urbanas e 15 a 20 km em áreas abertas. O alcance pode ser aumentado devido à localização vantajosa das antenas: por exemplo, as palavras "em áreas urbanas" podem significar dispositivos de assinantes localizados na parte de trás dos edifícios e equipados com antenas compactas impressas, além de lâmpadas de rua controláveis ​​com antenas chicote comuns ao ar livre e pelo menos cinco metros do chão.

Consumo de energia


O consumo de energia dos dispositivos finais em todas as tecnologias acima é determinado por dois pontos - a perfeição tecnológica do chip do transmissor e o tempo gasto na transmissão.

Em geral, em qualquer um dos sistemas, é possível fornecer operação por pelo menos 5 anos com uma única bateria. As redes UWB têm uma vantagem sobre o UNB ao trabalhar a distâncias curtas, quando sua velocidade pode exceder 1 kbps - o que reduz significativamente o tempo de atividade do transmissor.

Sumário


Embora em muitos casos as tecnologias UNB e UWB sejam igualmente aplicáveis, existem diferenças visíveis entre elas que podem ser favoráveis ​​a uma solução específica. Assim, nas redes UNB, um ajuste rápido da frequência de trabalho dos dispositivos (salto de frequência) pode ser implementado para evitar colisões e interferências - no entanto, no caso de tecnologias específicas, seja Sigfox ou Strizh, é necessário descobrir adicionalmente se está implementado, bem como como e em que medida funciona.

Por outro lado, as redes UWB baseadas na tecnologia LoRa têm uma flexibilidade de parâmetros significativamente maior, o que lhes permite serem usados ​​em projetos para os quais as redes UNB são de pouca utilidade. As redes LoRa fornecem grandes taxas de transferência de dados em potencial, comunicação bidirecional simétrica e são menos sensíveis a temperaturas extremas e à velocidade de movimento do dispositivo final.

Curiosamente, isso também se aplica a possíveis aplicativos LoRa do ponto de vista comercial - no momento, essa tecnologia realmente fornece o modelo de negócios e detalhes da implementação técnica do projeto, a critério do cliente. Mas mais sobre isso na próxima parte.

A Unwired Devices está envolvida no desenvolvimento e produção de módulos de comunicação para redes mesh 6LoWPAN e redes de comunicação de longa distância LoRa, além de sensores e outros dispositivos terminais para essas redes, incluindo hardware e firmware que suportam as tecnologias de rede necessárias. No caso das redes LoRa, estamos desenvolvendo todas as topologias possíveis: redes retransmissoras de malha e estáticas, redes de objetos do tipo estrela de um BS e dispositivos para redes LoRaWAN globais.

Source: https://habr.com/ru/post/pt396869/

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