Seis meses atrás, um cliente me interessou em transmitir dados de rádio para a Internet das coisas em nossa versão doméstica, NB-FI. Obviamente, ideologicamente, este é um sistema de transmissão de dados de baixa velocidade SigFox (Ultra-Narrow Band, UNB). Existem diferenças nos detalhes, que sem dúvida podem ser chamados de aprimoramentos. Por exemplo, a codificação tolerante a ruído é introduzida no NB-FI, o que pode aumentar significativamente a probabilidade de entrega de mensagens. Uma banda de frequência mais estreita também tem um efeito positivo na complexidade do equipamento da estação base. Tudo isso é descrito em detalhes no projeto de norma, que está sendo preparado para adoção na Federação Russa este ano de 2019. Mas há uma, como me parece, uma lacuna significativa no esboço do padrão.
Aqui, fazemos uma suposição para simplificar e reduzir a quantidade de material: consideraremos apenas o canal de comunicação do dispositivo até a estação base. No entanto, sua consideração é a mais significativa, pois o sistema foi projetado para transmitir mensagens curtas de um grande número de sensores.
Primeiro, vamos relembrar as principais características do sinal SigFox. A taxa de modulação é de 100 Bod., O tipo de modulação é a modulação de fase relativa - OFM (DBPSK). Todos os dispositivos terminais transmitem de forma assíncrona em três canais de frequência aleatória dentro da banda de 192 kHz. Os canais são atribuídos após 100 Hz. Ou seja, existem muitos deles na faixa de trabalho - cerca de 2000 peças. Devido a esse grande número de canais, é possível reduzir a uma probabilidade aceitável de colisão de dois ou mais pacotes de diferentes transmissores assíncronos.
A SigFox publica um documento (
Especificações de RF e Protocolo da Sigfox ) descrevendo seu sistema para que os fabricantes de dispositivos terminais possam verificar se atendem aos requisitos do sistema. Segundo rumores, eles estão trabalhando com o ETSI (Instituto Europeu de Padrões de Telecomunicações) para adotar um padrão industrial na Europa.
Surpreendentemente, nossos desenvolvedores e fabricantes seguiram o mesmo caminho progressivo! O Comitê Técnico de Padronização 194 “Sistemas ciber-físicos” possui um documento PNST (padrão nacional preliminar da Federação Russa) “Internet das coisas. Protocolo de intercâmbio para a Internet das coisas no espectro de banda estreita (NB-Fi). ” A organização possui um
site . Não encontrei o documento lá, mas há
notícias sobre o documento, onde ele está disponível no link "Download Protocol".
No documento, aprendemos sobre as principais características do sistema de transmissão: velocidade de modulação - 50 Baud, tipo de modulação - OFM (DBPSK). Todos os dispositivos terminais transmitem de forma assíncrona em dois canais de frequência aleatória dentro da faixa de 51,2 kHz. Os canais são atribuídos após 50 Hz. Ou seja, existem exatamente 1024 peças na faixa de operação, o que é muito adequado para a construção econômica de um banco de filtros. Nesse caso, todas as mensagens são codificadas pelo codificador ZigZag a uma taxa de 1/2.
Há de tudo, até mesmo uma descrição dos níveis superiores do sistema. Mas não consegui encontrar os requisitos para o espectro do sinal de rádio. Esse parâmetro me pareceu muito importante, uma vez que a propagação da energia de radiação para os canais vizinhos aumentaria acentuadamente a probabilidade de colisão de pacotes de diferentes dispositivos terminais.
No documento SigFox, os requisitos para parâmetros espectrais são determinados pela máscara espectral na página 7.
Para não aborrecer o leitor com uma teoria chata, vamos para a prática divertida! Pegue o transmissor NB-Fi de um de nossos desenvolvedores domésticos de NB-Fi. Não pergunte qual, eu não direi. E considere o espectro do sinal em tempo real.
Vídeo e
mais um .
Ambos os vídeos têm uma banda de análise de espectro de 100 kHz e um sinal de gerador de teste é instalado no centro da banda. É necessário para que o leitor possa verificar a capacidade de manutenção do caminho de recepção de rádio do analisador de espectro e obter idéias aproximadas sobre suas características. O espectro do gerador não é muito limpo, o que pode ser visto como componentes harmônicos divergindo da frequência central. No segundo vídeo, o nível do sinal de teste é aumentado para demonstrar a linearidade dos efeitos observados.
O sinal do transmissor NB-Fi aparece primeiro à esquerda do centro e depois à direita. Essas duas mensagens idênticas são enviadas para reduzir a probabilidade de colisão.
A partir do vídeo, podemos detectar a presença de rajadas no sinal NB-Fi, expandindo a banda do sinal e criando uma falha na frequência principal.
É assim que uma imagem de espectro instantânea e um gráfico de acumulação máxima se parecem (Max Hold).
Qualitativamente, pode-se argumentar que, mesmo com metade da largura de banda do sinal NB-Fi, ele não satisfaz a máscara espectral SigFox. Quantitativamente, na faixa + -2500 Hz do harmônico fundamental, o espectro não desbota nem em 30 dB. Se uma máscara fosse dada no rascunho do nosso padrão, poderíamos compará-lo com ele. Enquanto isso, só podemos dizer que nossos desenvolvedores não se preocuparam com as características espectrais.
Para confirmar a tese, consideramos um sinal no domínio do tempo.
Vemos que as transições de fase entre intervalos de símbolos são tão abruptas que não podem deixar de levar a fortes explosões no espectro de amplitude.
Deve-se notar que a SigFox está particularmente preocupada com as características espectrais dos sinais dos dispositivos terminais, que são formados usando uma variedade de controladores de muitos fabricantes. Na especificação na página 13 no Apêndice A.1 Implementar a modulação TX - DBPSK, eles fornecem recomendações diferentes para isso.
Muito provavelmente, o problema é a ausência na parte de rádio dos chips controladores usados com uma taxa de modulação tão baixa. Todos são forçados a usar a repetição de símbolos de informações a uma taxa de modulação mais alta. Nesse caso, é claro, as características do filtro de suavização interno (modelagem de pulso) na entrada do modulador não corresponderão à baixa velocidade de modulação desejada.
Obviamente, na presença de tais rajadas do espectro, a probabilidade de distorção de outras mensagens durante a transmissão aumentará. Como o NB-Fi em breve será o padrão para toda a Federação Russa, a interferência será criada não apenas por seus sistemas receptores, mas também pelos sistemas receptores de outros operadores.
Os desenvolvedores domésticos não estão preocupados com esse problema?
Ou eles estão tentando esconder algo de nós?
Talvez os fabricantes já tenham uma solução para esse problema?
As perguntas são bastante legítimas, o padrão é estado.
Peço às empresas que desenvolvem dispositivos NB-Fi. fornecer transmissores para medições ou publicar seus resultados.
No entanto, gostaria de expressar minha gratidão às empresas que compartilharam parte de suas tecnologias no âmbito da preparação do padrão com o objetivo de desenvolver a indústria doméstica da Internet das coisas. Juntamente com a abertura, a concorrência surgirá, o que criará os pré-requisitos para uma inovação no desenvolvimento. Isso permitirá que pequenas empresas entrem no mercado, o que é uma boa notícia.
Para uma análise mais detalhada, é possível baixar
aqui a gravação das amostras de sinal do transmissor NB-Fi. Frequência de amostragem - 48 kHz, formato - I / Q de 16 bits.