Связь в интернете вещей: LoRa против UNB. Часть 1: физика

Первая из двух статей, посвящённая описанию основных отличий технологий маломощной дальнобойной радиосвязи, получающей сейчас распространение в системах Интернета вещей: широкополосной связи LoRa от узкополосных (UNB, Ultra Narrow Band) систем, таких как Sigfox и «Стриж»

Тема маломощной радиосвязи, позволяющей, не выходя за рамки безлицензионных диапазонов (то есть, как правило, за мощность 25 мВт), передавать низкоскоростные данные на расстояния от 1-3 до 10-30 километров, в России начала бурно развиваться в последние полгода. То есть — говорили о ней и до этого, но практические применения встречались очень редко, а разработчиков и интеграторов, способных сделать проект на подобных технологиях, было крайне мало.

Сейчас мы на грани переломного момента: хотя крупные проекты по-прежнему лишь ожидаются в будущем (но уже можно прогнозировать, что это будущее — вопрос месяцев, а не лет), среди интеграторов и заказчиков появился серьёзный интерес к технологиям IoT-связи, причём выражающийся не только в словах, но и в непосредственном желании попробовать эти технологии в деле.

Основная конкуренция в этом сегменте сейчас — между широкополосной связью LoRa и узкополосной Sigfox (а конкретно в России — схожей с ней технологией «Стриж-Телематики»). В будущем к этому списку добавится UNB-протокол Weightless, а также сети, продвигаемые поставщиками классического оборудования сотовой связи — NB-IoT и LTE-M, но это случится года через два-три.

Итак, в чём же разница — и что выбрать для конкретного проекта? Поехали.
Общая черта всех перечисленных технологий — в том, что они позволяют организовать низкоскоростной беспроводной канал связи на дальностях в единицы, а иногда и в десятки километров, не выходя при этом за ограничения безлицензионных радиодиапазонов (как правило, такие системы работают в диапазоне 864—869 МГц с мощностью до 25 мВт). Технически — об ограничениях на использование, накладываемые бизнес-моделями владельцев технологий — поговорим в следующий раз — это позволяет решать довольно интересные задачи, например:

• беспроводной сбор показаний счётчиков в ЖКХ в масштабе крупного микрорайона и шире;
• беспроводной мониторинг состояния техники в реальном времени на крупных открытых площадках, от строительных площадок до карьерных разработок;
• замена дорогих в прокладке и обслуживании слаботочных сетей сбора данных на крупных объектах, особенно — рассредоточенных по территории масштаба квадратных километров;
• построение протяженных радиорелейных сетей вдоль ЛЭП, трубопроводов, железных дорог и т.п. объектов;
• организация сотовых сетей сбора телеметрии со сплошным покрытием и стоимостью на 1-2 порядка ниже, чем у классических сетей сотовой телефонной связи.

И всё это — дёшево, без необходимости получать лицензию на использование радиочастотного спектра и с возможностью питания конечных устройств от батареек или солнечных батарей небольшой площади.

Использование радиочастотного спектра

Однако в том, как именно работает эта связь, перечисленные выше технологии достаточно существенно различаются — фактически, они распадаются на две группы: широкополосные UWB (Ultra Wide Band, к ним из перечисленного относится только LoRa) и узкополосные UNB (Ultra Narrow Band, в нашем случае это Sigfox и «Стриж», а также пока разрабатывающийся Weightless). Из этого проистекает ряд отличий, за которые — не всегда честно — и цепляются желающие прорекламировать ту или иную технологи.

• UWB: один канал занимает полосу в эфире с шириной 125 или 250 кГц
• UNB: один канал занимает полосу в эфире с шириной 100 Гц

В России в диапазоне, условно именумом «868 МГц», для неспециализированных устройств официально доступны две полосы частот: 864,0-865,0 МГц с периодом активной работы не более 0,1 % и запретом на работу вблизи аэропортов и 868,7-869,2 МГц без таких ограничений. Говоря проще, в общем случае мы имеем всего лишь 500 кГц доступной нам полосы частот.

Каналов LoRa при ширине 125 кГц, очевидно, в эту полосу умещается всего три штуки. Каналов Sigfox или «Стриж» — многие сотни. Как правило, разработчиками UNB-систем этот факт подаётся как очевидное преимущество — в эфире могут сосуществовать сотни тысяч устройств, не мешая друг другу.

Однако на практике всё несколько сложнее.

В UNB-системах один приёмник базовой станции в один момент времени может принимать только один канал. Это достаточно очевидный и часто забываемый тезис. Термин «частотное разделение» относится к способности приёмника выцепить этот канал из общего эфира так, чтобы на него не накладывалась передача в соседних каналах — и если мы в данную секунду принимаем что-то по каналу N, то по каналам N+1 и N-1 мы принять в это же время ничего не можем.

В UWB-системах используется не только частотное и временное, но и кодовое разделение каналов. В сетях LoRa конечное устройство может выбрать определённую схему модуляции — и базовая станция LoRa конструируется так, что она способна разделять потоки данных от нескольких устройств, одновременно работающих на одном частотном канале с разными схемами модуляции. У этой схемы есть свои ограничения, и на практике речь идёт о способности БС декодировать сигнал одновременно всего от нескольких устройств — но, тем не менее, говорить, что в UWB-системах в каждый момент может работать только одно устройство, а в UNB — сотни, некорректно.

Теоретически преимущество UNB-систем может наблюдаться при разворачивании нескольких сетей в одном районе — их легко разнести по частотам. Однако, во-первых, до трёх сетей LoRa также можно разнести на разные частоты (а если мы делаем сеть, например, специально под ЖКХ и 0,1 % duty cycle нас полностью устраивают, то и вовсе вынести её в 864-865 МГц), во-вторых, частотное разнесение разных сетей в нерегулируемом спектре — это утопия, как знает каждый владелец Wi-Fi-роутера в многоквартирном доме.

Практический совет: услышав про преимущества UNB-сетей по использованию спектра, начинайте с пристрастием допрашивать рассказчика, как в продвигаемой им системе реализован frequency hopping, то есть возможность перестройки рабочей частоты устройств на лету.

UNB-системы крайне чувствительны к точности установки частоты. Тоже очевидный тезис — если у вас всей частотной полосы 100 Гц (Sigfox, «Стриж»), то даже крошечный уход частоты кварцевого резонатора конечного устройства выбросит его рабочую частоту за пределы указанной ему полосы. Далеко за пределы. Можете посчитать сами — очень хороший резонатор имеет погрешность 10 ppm, то есть 0,001 %, при комнатной температуре, и ещё 15 ppm (0,0015 %) сверху при изменении температуры от -40 до +85 °С. Числа кажутся крохотными — однако мы берём эти проценты от 868 000 000 Гц и сравниваем результат с 100 Гц…

Так что делать с тем, что передатчик в UNB-системах вещает непонятно в какой полосе? Это решается на уровне базовой станции: она должна уметь, увидев сигнал в широком спектре, быстро на него настроиться. К сожалению, реализовать такие же алгоритмы на уровне маленького, дешёвого и экономичного конечного устройства проблематично, поэтому двунаправленность связи в UNB реализуется не во всех системах и не во всех условиях. У того же Sigfox связь долгое время была строго однонаправленной.

UWB-системы обеспечивают симметричный канал связи. Благодаря полосе шириной в сотни килогерц, LoRa обеспечивает симметричную связь при уходе частоты аж на 25 % от ширины канала (31,25 кГц при ширине 125 кГц), что в диапазоне 868 МГц означает допустимую погрешность резонатора 35 ppm. Хороший, но вполне себе распространённый кристалл с базовой погрешностью ±10 ppm и температурной ±15 ppm позволяет конечному устройству LoRa нормально себя чувствовать в полном диапазоне температур -40...+85 °С.

Кроме того, существует такая неприятная для UNB-сетей вещь, как допплеровский эффект. Sigfox теряет стабильность работы уже на скорости движения конечного устройства в районе 5-10 км/ч, то есть, делать на Sigfox систему мониторинга велосипедов — уже занятие для настоящих энтузиастов своего дела. LoRa, в противовес, к скоростям чувствительна мало — хотя в общем случае стоит учитывать ускорения, т.к. к ним чувствительны кварцевые резонаторы.

Практический совет: услышав про преимущества UNB-сетей по использованию спектра, начинайте с пристрастием допрашивать рассказчика, насколько симметрична связь в этой системе и в каких условиях эта симметрия работает.

Скорость передачи данных

От теоремы Котельникова-Шеннона, увы, никуда не деться: нельзя просто так взять и впихнуть мегабитный поток в частотную полосу 100 Гц.

UNB-системы работают на фиксированной низкой скорости. Если говорить конкретнее, то у Sigfox скорость передачи данных 100 бит/с, у «Стрижа» — 50 бит/с.

UWB-системы работают на адаптивной скорости. В зависимости от силы сигнала, LoRa может работать на скоростях от 30 бит/с до 50 кбит/с. В сотовых сетях LoRaWAN скорость выбирается автоматически, в локальных сетях LoRa скорость может быть зафиксирована на уровне, обеспечивающем уверенное покрытие нужного объекта связью.

На практике это означает как большую гибкость применения UWB-систем, так и подспорье для них в избежании коллизий в эфире. Чем быстрее абонентское устройство передаст свои данные на БС — тем быстрее оно освободит эфир. Хотя у LoRa из-за сложной системы модуляции больше длина сетевого пакета, чем у UNB-систем (длиннее преамбула), это с лихвой компенсируется большей скоростью передачи данных.

На практике это приводит к довольно жёстким ограничениям у UNB-систем: так, в Sigfox максимальный объём пользовательских данных — 12 байт, их передача занимает несколько секунд, а условия подключения к сети Sigfox определяют, что один объект может передавать не более 140 сообщений в сутки.

Практический совет: услышав про миллионы одновременно работающих устройств, начинайте с пристрастием допрашивать рассказчика, сколько сообщений в сутки и какой длины способна принять одна базовая станция.

Дальность связи

В общем и целом — одинаковая. Дальность связи во всех подобных технологиях очень сильно зависит от условий на местности: так, если на открытой местности и при высоком расположении антенны БС LoRa обеспечивает дальность даже выше обещанных 30 км, то в густом лесу она падает до 1-2 км даже на минимальной скорости.

Преимуществом LoRa в этом вопросе является то, что на фоне конкурентов LoRa — довольно открытая технология, в мире есть много занимающихся ей компаний, а потому сравнительно нетрудно найти различные white papers и отзывы с указанием реальной достигнутой дальности.

В целом можно считать, что все перечисленные технологии обеспечивают дальность 1-3 км в городской застройке и 15-20 км на открытой местности. Дальность может быть увеличена за счёт выгодного расположения антенн: например, слова «в городской застройке» могут означать как абонентские устройства, расположенные в глубине зданий и оснащённые компактными печатными антеннами, так и управлемые уличные фонари с обычными штыревыми антеннами, стоящими на открытом воздухе и минимум в пяти метрах от земли.

Энергопотребление

Энергопотребление конечных устройств во всех перечисленных технологиях определяется двумя моментами — технологическим совершенством чипа передатчика и временем, которое он тратит на передачу.

В общем и целом, в любой из систем возможно обеспечить работу в течение как минимум 5 лет на одной батарейке. UWB-сети имеют преимущество над UNB при работе на небольших дистанциях, когда их скорость может превышать 1 кбит — что значительно сокращает время активности передатчка.

Итог

Хотя во многих случаях технологии UNB и UWB применимы в равной степени, между ними есть заметные отличия, которые могут сыграть в пользу того или иного решения. Так, на UNB-сетях может быть реализована быстрая перестройка рабочей частоты устройств (frequency hopping) для ухода от коллизий и помех — однако в случае с конкретными технологиями, будь то Sigfox или «Стриж», необходимо дополнительно выяснять, реализована ли она, а также как и в каких пределах работает.

С другой стороны, UWB-сети на технологии LoRa обладают существенно большей гибкостью параметров, что позволяет применять их в проектах, для которых UNB-сети малопригодны. Сети LoRa обеспечивают большие потенциальные скорости передачи данных, симметричную двунаправленную связь, менее чувствительны к перепадам температур и скорости движения конечного устройства.

Что интересно, это же распространяется и на возможные применения LoRa уже с коммерческой точки зрения — на данный момент эта технология фактически отдаёт бизнес-модель и детали технической реализации проекта на полное усмотрение заказчика. Но об этом — в следующей части.

Компания Unwired Devices занимается разработкой и производством модулей связи для ячеистых сетей 6LoWPAN и сетей дальней связи LoRa, а также датчиков и других оконечных устройств для данных сетей, включая как аппаратную часть, так и прошивки с поддержкой необходимых сетевых технологий. В случае с сетями LoRa мы разрабатываем все возможные топологии: ячеистые и статические радиорелейные сети, объектовые сети типа «звезда» с одной БС и устройства для глобальных сетей LoRaWAN.

Автор: Unwired Devices LLC

Источник