Интернет вещей (IoT) и технологии расширения спектра
Интернет вещей (англ. internet of things, IoT) — концепция сети передачи данных между физическими объектами («вещами»), оснащёнными встроенными средствами и технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой.
Основным требованием для IoT на основе беспроводных линий связи является низкое энергопотребление передатчиков для долгой работы устройства от аккумулятора. Стандартом для этого служит рекомендация IEEE 802.15.4, в котором в качестве метода модуляции по адекватным соображениям выбран метод модуляции с расширением спектра DSSS. Наиболее известными технологиями (протоколами) для реализации сетей IoT являются NB-IoT , SigFox, LoRa. Рассмотрим далее принципы LoRa — одной из наиболее популярных технологий IoT.
Что такое LoRa и LoRaWAN?
LoRa-это технология радиочастотной модуляции для маломощных широкополосных сетей (LPWANs). Название, LoRa, образовано от Long Range Технология LoRa — объединяет в себе метод модуляции LoRa в беспроводных сетях LPWAN и открытый протокол LoRaWAN.
Созданная компанией Semtech для стандартизации LPWANs (англ. Low-power Wide-area Network — «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия»), LoRa обеспечивает дальнюю связь: до пяти километров в городских районах и до 15 километров и более в сельской местности (прямая видимость).
Ключевой характеристикой решений на базе LoRa являются сверхнизкие требования к мощности, что позволяет создавать устройства на батарейках, которые могут работать до 10 лет. Развернутая в звездообразной топологии
сеть, основанная на открытом протоколе LoRaWAN, идеально подходит для приложений, требующих дальней связи между большим количеством устройств с низкими требованиями к питанию и собирающих небольшие объемы данных.
Рассмотрим различия между LoRa и другими сетевыми технологиями, которые обычно используются в IoT или традиционных решениях межмашинного взаимодействия (M2M):
Рисунок 1: Технологии IoT
На рис. 2 показаны некоторые важные преимущества развертывания LoRaWAN сети:
Рис. 2. Преимущества развертывания сети LoRaWAN
Что касается дальности действия, то один шлюз на базе LoRa может принимать и передавать сигналы на расстояние более 15 километров в сельской местности.
Что касается времени автономной работы, то энергия, необходимая для передачи пакета данных, довольно минимальна, учитывая, что пакеты данных очень малы и передаются всего несколько раз в день. Кроме того, когда конечные устройства спят, потребляемая мощность измеряется в милливаттах, что позволяет батарее устройства прослужить много — много лет.
Когда дело доходит до пропускной способности, сеть LoRaWAN может поддерживать миллионы сообщений. Однако количество сообщений, поддерживаемых в любом конкретном развертывании, зависит от количества установленных шлюзов. Один восьмиканальный шлюз может поддерживать несколько сотен тысяч сообщений в течение 24-часового периода. Если каждое конечное устройство отправляет 10 сообщений в день, то такой шлюз может поддерживать около 10 000 устройств. Если сеть включает в себя 10 таких шлюзов, то она может поддерживать примерно 100 000 устройств и миллион сообщений. Если требуется большая емкость, все, что требуется, — это добавить дополнительные шлюзы в сеть.
Цена. Учитывая возможности конечных узлов и шлюзов на базе LoRa, только несколько шлюзов, настроенных в звездной сети, необходимы для обслуживания множества конечных узлов. Это означает, что капитальные и эксплуатационные расходы могут быть относительно низкими. Кроме того, когда экономически эффективные модули LoRa RF, встроенные в недорогие конечные узлы, используются в сочетании со стандартом open LoRaWAN, рентабельность инвестиций может быть значительной.
Радиомодуляция и LoRa
Запатентованная технология модуляции LoRa с расширением спектра, разработанная на основе существующей технологии Chirp Spread Spectrum (CSS), предлагает компромисс между помехоустойчивостью и скоростью передачи данных при работе в канале с фиксированной полосой пропускания 125 кГц или 500 кГц (для каналов восходящей линии связи) и 500 кГц (для каналов нисходящей линии связи). Кроме того, LoRa использует ортогональные коэффициенты (факторы) расширения спектра. Это позволяет сети сохранять время автономной работы подключенных конечных узлов за счет адаптивной оптимизации уровней мощности и скорости передачи данных отдельного конечного узла. Например, конечное устройство, расположенное близко к шлюзу, должно передавать данные с низким коэффициентом расширения спектра, поскольку требуется очень небольшой бюджет канала. Однако конечное устройство, расположенное в нескольких милях от шлюза, должно будет передавать данные с гораздо более высоким коэффициентом расширения спектра. Этот более высокий коэффициент расширения спектра обеспечивает более высокую чувствительность приема, хотя скорость передачи данных конечно будет ниже.
На следующем рисунке показано на каких уровнях семиуровневой модели OSI работает данная технология.
Рис. 3. LoRA в семиуровневой модели OSI
В традиционной системе связи или системе связи с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра (DSSS) фаза несущего радиосигнала передатчика изменяется в соответствии с кодовой последовательностью, как показано на рисунке. При умножении информационного сигнала на специальную битовую последовательность с гораздо более высокой скоростью следования импульсов, формируется “более быстрый” сигнал, который имеет гораздо более широкий спектр, чем исходный информационный сигнал. Образуется шумоподобный сигнал и данную технологию называют расширением спектра. В радиочастотной терминологии биты специальной кодовой последовательности называются чипами (чтобы различать более длинные во времени биты исходного сигнала данных). Когда передаваемый сигнал поступает на вход радиоприемника, он умножается на идентичную специальную битовую последовательность, которая была в радиопередатчике, в результате чего получается опять исходный информационный сигнал.
Рис. 4. Расширение спектра DSSS
Вы можете спросить: зачем все эти сложности? Почему бы просто не передать исходный сигнал вместо того, чтобы проходить через это умножение кодовой последовательности? Ответ следующий: проходя через это умножение с кодовой последовательностью, мы получаем более высокий бюджет радиосистемы связи, и можем передавать сигналы на более длинные дистанции
Рис. 5. Chirp-сигнал
Такой подход позволяет приемнику восстановить исходный сигнал, даже если канал имеет отрицательное в дБ отношение сигнал / шум (SNR), то есть если мощность сигнала находится на уровне шумов или даже ниже. Модуляция LoRa по сравнению с частотной манипуляцией FSK позволяет снизить уровень выходной мощности передатчика при сохранении той же скорости передачи данных сигнала и при сохранении аналогичного бюджета канала связи.
Одним из недостатков системы DSSS является тот факт, что она требует высокоточную (и дорогую) систему синхронизации. Технология LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS) Semtech предлагает недорогую и маломощную, но надежную альтернативу DSSS, которая не требует высокоточной синхронизации. В модуляции LoRa расширение спектра исходного сигнала достигается путем генерации chirp-сигнала, или еще можно сказать ЛЧМ-сигнала – сигнала с линейной частотной модуляцией, изображенного на рис. 5
В таблице показаны четыре различных коэффициента распространения [SF7…SF10], которые могут быть использованы для сообщений восходящей линии связи (UL) на канале 125 кГц. Также в таблице отражена скорость передачи и примерная дальность передачи (она конечно зависит от рельефа местности; в сельской местности будут достигнуты более большие расстояния, чем в городской среде).
Важно отметить, что сигналы, модулированные с различными факторами расширения спектра, ортогональны друг другу. Это значит они могут передаваться по одному и тому же частотному каналу одновременно и не мешать друг другу. Сигналы с различными SF просто кажутся друг другу шумом.
Сигналы LoRa надежны и очень устойчивы как к внутриполосным, так и к внеполосным помам. Модуляция LoRa также обеспечивает невосприимчивость к искажениям при многолучевом распространении и сильному затуханию сигнала, доплеровскому сдвигу частоты, что делает ее идеальной для использования в городских и пригородных условиях, где доминируют оба механизма. Кроме того, отсутствие жестких требований к источникам синхронизации делает LoRa привлекательным решением для реализации концепции интернета вещей
Вышеописанное является частичным переводом статьи