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物联网：LoRa与UNB。第1部分：物理学

系列文章的第一部分专门介绍低功率远程无线电技术之间的主要区别，这些区别现在已在物联网中越来越流行：Sigfox和Strizh等窄带（UNB，超窄带）系统的LoRa宽带

  1. 物联网：LoRa与UNB。第1部分：物理学
  2. : LoRa UNB. 2:
  3. : LoRa UNB. 3:
  4. : LoRa UNB. 4: LoRa

在过去六个月中，俄罗斯开始了低功耗无线电通信这一主题，它允许在不超出未许可范围（通常功率为25 mW）的情况下以1-3至10-30公里的距离传输低速数据。就是说，他们在此之前谈论过它，但是实际应用很少见，并且很少有开发人员和集成商可以使用此类技术进行项目。

现在，我们正处于一个转折的边缘：尽管大型项目仍然只是在将来才有望（但可以预见的是，这个未来是几个月而不是几年的事情），但集成商和客户对IoT通信技术表现出了浓厚的兴趣，并表示不仅是在语言上，而且是在实践中立即尝试这些技术的渴望。

目前，这一领域的主要竞争者是LoRa宽带和Sigfox窄带（特别是在俄罗斯-与之类似的Strizh-Telematics技术）之间。将来，失重的UNB协议以及经典蜂窝设备提供商NB-IoT和LTE-M所推广的网络将被添加到此列表中，但这将在两到三年内完成。

那么有什么区别-以及为特定项目选择什么？走吧
所有这些技术的共同特征是，它们使您可以在单位范围（有时甚至几十公里）内组织低速无线通信信道，而不会超出非许可无线电频段的限制（通常，此类系统的运行范围为864-869 MHz容量高达25 mW）。从技术上讲，下一次我们将讨论技术所有者的业务模型所施加的使用限制-这使我们能够解决相当有趣的问题，例如：

  • 大规模，更大规模地无线收集住房和公共服务中的抄表；
  • 从建筑工地到采石场的大型露天场所的技术状态的实时无线监视；
  • 更换在大型设施中铺设和维护费用昂贵的低电流数据收集网络，尤其是那些分布在平方公里规模的数据收集网络；
  • 沿电力线，管道，铁路等建设扩展的无线电中继网络。对象
  • 具有连续覆盖范围和成本的蜂窝遥测收集网络的组织比传统蜂窝电话网络低1-2个数量级。

所有这些都是廉价的，无需获得使用无线电频谱的许可证，并且无需使用电池或小型太阳能电池为终端设备供电。

使用无线电频谱


但是，按照这种连接的工作方式，上述技术有很大不同-实际上，它们分为两类：宽带UWB（超宽带，仅LoRa指的是宽带宽带）和窄带UNB（超窄带），在我们的技术中Sigfox和Swift，以及目前正在开发的Weightless）。由此产生了许多差异，对于那些想要宣传一种或另一种坚持使用它的技术的人（并非总是诚实）。

  • 超宽带：一个信道在空中占据带宽为125或250 kHz的频带
  • UNB：一个频道在空中占据带宽为100 Hz的频带

在俄罗斯，常规上称为“ 868 MHz”的范围内，有两个频段可正式用于非专用设备：864.0-865.0 MHz，有效期不超过0.1％，并禁止在机场附近工作，而868.7- 869.2 MHz无此限制。简而言之，在一般情况下，我们只有500 kHz的可用频段。

显然，LoRa通道的宽度为125 kHz，只有三段适合。有数百个Sigfox或Swift频道。通常，UNB系统的开发人员将这一事实视为一个明显的优势-成千上万的设备可以在空中共存，而不会互相干扰。

但是，实际上，一切都有些复杂。

在UNB系统中，单个基站接收器一次只能接收一个信道。这是一个非常明显且经常被遗忘的论文。术语“频率分离”是指接收机将这个信道从广播中解开的能力，以使其不与相邻信道中的传输重叠；如果当前我们正在N信道上接收某些内容，则在N + 1和N-信道上进行接收1我们不能同时接受任何东西。

UWB系统不仅使用频率和时间，还使用信道的码分。在LoRa网络中，终端设备可以选择特定的调制方案-并设计LoRa基站，以使它可以使用不同的调制方案从在同一频道上同时运行的多个设备中分离出数据流。这种方案有其局限性，在实践中我们谈论的是BS同时解码来自少数几个设备的信号的能力-但是，要说的是，在UWB系统中，一次只能有一个设备可以工作，而在UNB中-数百个错误地。

从理论上讲，当在一个区域中部署多个网络时，可以观察到UNB系统的优势-它们可以很容易地在频率上分离。但是，首先，最多三个LoRa网络也可以以不同的频率间隔开（例如，如果我们建立一个网络，我们对实用程序和0.1％的占空比完全满意，那么我们可以将其以864-865 MHz的频率推出）其次，正如公寓楼中每个Wi-Fi路由器的拥有者所知道的，在不受监管的频谱中，不同网络的频率分集是乌托邦。

实用建议：听说过UNB网络在使用频谱方面的优势后，请开始沉迷于询问叙述者如何在其系统中实现跳频，即可以即时调整设备的工作频率。

UNB系统对频率精度极为敏感。这也是一个显而易见的论点-如果您具有整个100 Hz的频带（Sigfox，“ Swift”），那么即使终端设备的石英谐振器的频率微小偏差，也会使其工作频率超出指定频带。远远超出。您可以自己计算-一个  非常好的谐振器的误差为10 ppm，即在室温下为0.001％，并且当温度从-40变为+85°C时，误差还要高出15 ppm（0.0015％）。这些数字似乎很小-但是，我们从868,000,000 Hz中获取这些百分比，并将结果与​​100 Hz进行比较...

那么，UNB系统中的发射机在哪个频段广播不清楚这一事实又该怎么办呢？这是在基站级别上决定的：当它看到大范围的信号时，它必须能够快速调入它。不幸的是，在小型，廉价和经济的终端设备上实现相同的算法是有问题的，因此，并不是在所有系统中，也不是在所有情况下都无法实现UNB中的双向通信。长期以来，相同的Sigfox连接一直是严格的单向连接。

UWB系统提供对称的通信通道。由于频率高达数百千赫兹，因此LoRa可以在频率偏离通道宽度的25％（31.25 kHz，125 kHz的宽度）的25％时提供对称连接，这在868 MHz的范围内意味着允许的谐振器误差为35 ppm。一个质量良好但相当普遍的晶体，其基本误差为±10 ppm，温度为±15 ppm，可使LoRa终端设备在-40 ... + 85°C的整个温度范围内感觉良好。

此外，多普勒效应对UNB网络也有不利的影响。即使以5-10 km / h的速度在终端设备上行驶，Sigfox也会失去稳定性，也就是说，在Sigfox上进行自行车监控系统已经是其领域中真正爱好者的一项职业。相比之下，LoRa对速度几乎没有敏感性-尽管在一般情况下，应该考虑加速度，因为 石英谐振器对它们敏感。

实用建议：听说过UNB网络在使用频谱方面的优势后，首先要偏向叙述者询问这个系统中连接的对称性以及这种对称性在什么条件下起作用。

资料速率


遗憾的是，Kotelnikov-Shannon定理无处可去：您不能随便拿起兆比特流并将其推入100 Hz频带。

UNB系统以固定的低速运行。更具体地说，Sigfox的数据传输速率为100 bps，而Swift的数据传输速率为50 bps。

UWB系统以自适应速度运行。根据信号强度，LoRa可以以30 bit / s到50 kbit / s的速度运行。在LoRaWAN蜂窝网络中，速度是自动选择的；在LoRa局域网中，速度可以固定在一定水平，以确保通过通信可靠覆盖所需的对象。

在实践中，这意味着在使用UWB系统方面具有极大的灵活性，并有助于避免空中碰撞。用户设备越快地将其数据发送到BS，它将越快地释放空气。尽管LoRa由于其复杂的调制系统而具有比UNB系统更长的网络数据包长度（更长的前导码），但这可以用更高的数据传输速率来弥补。

实际上，这对UNB系统造成了相当严格的限制：例如，在Sigfox中，最大的用户数据量为12个字节，传输该数据需要花费几秒钟，并且连接到Sigfox网络的条件确定一个对象每天最多可以发送140条消息。 。

实用提示： 听说过数百万个同时工作的设备后，首先就要沉迷于询问讲述者每天多少消息以及一个基站可以接收多长时间。

通讯范围


一般来说-一样。所有这些技术的通信范围都非常依赖于地形条件：例如，如果在空旷地区且天线位置较高，LoRa BS可以提供​​甚至超过承诺的30 km的范围，然后在茂密的森林中即使以最低速度也可以下降到1-2 km 。

LoRa在此问题上的优势在于，在竞争对手的背景下，LoRa是一种相当开放的技术，世界上有很多公司参与其中，因此相对容易找到各种白皮书和评论来指明实际达到的范围。

通常，我们可以假设所有这些技术在市区提供的距离为1-3公里，在空旷地区提供的距离为15-20公里。由于天线的有利位置，范围可以增加：例如，“市区”一词既可以指位于建筑物后方并配备紧凑型印刷天线的用户设备，也可以指在户外至少具有带普通鞭状天线的可控路灯，至少距地面五米。

耗电量


以上所有技术中终端设备的能耗取决于两点-发射器芯片的技术完善性和它在传输上花费的时间。

通常，在任何系统中，单个电池均可提供至少5年的运行时间。当UWB网络的速度可以超过1 kbps时，在短距离工作时，它比UNB具有优势。这大大减少了发射机的活动时间。

总结


尽管在许多情况下，UNB和UWB技术是同等适用的，但它们之间存在明显的差异，可以起到支持特定解决方案的作用。因此，在UNB网络上，可以实现设备工作频率的快速调整（跳频），以避免冲突和干扰-但是，对于特定技术，无论是Sigfox还是Strizh，都需要另外找出是否已实现，以及它如何以及在何种程度上起作用。

另一方面，基于LoRa技术的UWB网络具有明显更大的参数灵活性，这使得它们可以用于UNB网络很少使用的项目中。 LoRa网络提供了巨大的潜在数据传输速率，对称的双向通信，并且对极端温度和终端设备的移动速度不太敏感。

有趣的是，从商业角度来看，这也适用于可能的LoRa应用程序-目前，该技术实际上是根据客户的意愿提供业务模型和项目技术实施的详细信息。但是在下一部分中会对此有更多的介绍。

Unwired Devices致力于6LoWPAN网状网络和LoRa远程通信网络的通信模块的开发和生产，以及这些网络的传感器和其他终端设备，包括支持必要网络技术的硬件和固件。对于LoRa网络，我们正在开发所有可能的拓扑：网状和静态无线电中继网络，一个BS星形的对象网络以及用于全球LoRaWAN网络的设备。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN396869/

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