Long-Range IoT 

Nowsze technologie bezprzewodowe znane jako LWPAN oferują tańszą opcję dla aplikacji Internet of Things, które wymagają połączeń o dłuższym zasięgu.

 

Większość inżynierów uważa Internet Rzeczy (IoT) za zbiór bezprzewodowych technologii krótkiego zasięgu, które łączą urządzenia z Internetem w jakimś użytecznym celu. I większość obecnych aplikacji IoT zdaje się należeć do tej kategorii. Jednak ten sposób myślenia się zmienia.

 

Wiele standardów bezprzewodowych jest ograniczona ich zasięgiem, co jest problematyczne w przypadku wielu użytecznych aplikacji wymagających znacznie dłuższych połączeń. Aby pokonać tę przeszkodę, pojawił się zbiór nowych technologii bezprzewodowych dalekiego zasięgu. Nazywane sieciami rozległymi o małej mocy (LPWAN), łącza te wypełniają lukę pomiędzy tradycyjnymi technologiami krótkiego zasięgu i bardziej kosztownymi alternatywami M2M (patrz tabela). 

 

Co to jest Long Range?

 

 

Nie ma formalnej definicji dla dalekiego zasięgu, ale dzisiejsze najpopularniejsze technologie zasadniczo wprowadziły swoje parametry. Jeden znaczący maksymalny zasięg to 10-30 metrów. Technologie Bluetooth, ZigBee i 802.15.4 wykorzystują tę liczbę jako wskazówkę, ale w korzystniejszych warunkach możliwe są również dłuższe zakresy. Mówi się, że Wi-Fi ma maksymalny użyteczny zasięg 100 metrów, ale zwykle jest to mniej. Jeszcze mniejszy zasięg mają standardy takie jak IrDA, NFC i RFID maksymalnie do kilku metrów.

 Wszystkie te standardy są przydatne, o czym świadczą dotychczasowe sukcesy IoT. Niemniej jednak, niektóre aplikacje przemysłowe i użyteczności publicznej po prostu potrzebują większego zasięgu.

 

W tym artykule definiuję długi zasięg jako coś większego niż kilkaset metrów, mówimy o zasięgu do 50 - 70 km. Dostawca LPWAN  definiuje najczęściej długi zasięg na odległość do 10 km, ale to zależy od konfiguracji toru antenowego. Aplikacje wymagające takiego zasięgu obejmują monitorowanie i / lub sterowanie niektórymi urządzeniami lub systemami. Przykłady obejmują smart grid, energię elektryczną. wywóż śmieci, wodę użytkową lub pomiar gazu. Inne zastosowania o dłuższym zasięgu obejmują kontrolę oświetlenia miejskiego i monitorowanie rolnictwa. Większość dostępnych technologii krótkiego zasięgu nie może niezawodnie dostarczyć zasięgu niezbędnego dla tych aplikacji.

Osiągnięcie dłuższego zasięgu

 

Zasięg sygnału radiowego zależy od wielu czynników: częstotliwości działania, mocy nadajnika, wzmocnienia anteny, czułości odbiornika, wysokości anteny, fizycznych przeszkód (np. Budynków i drzew), szybkości transmisji danych oraz szumów i interferencji. Podczas gdy wszystkie są ważne, prawdopodobnie największą wagę ma częstotliwość. Podstawowa fizyka bezprzewodowa mówi, że niższe częstotliwości podróżują dalej niż wyższe częstotliwości. Odległość zasięgu jest wprost proporcjonalna do długości fali (λ), gdzie długość fali wynosi:

 

λ = 300 / fMHz

 

Gdy częstotliwość się zmniejsza, zasięg się wydłuża. Dotyczy to sygnałów z propagacją liniowości (LOS). LOS informuje, że antena nadawcza "widzi" antenę odbiorczą. Sygnały powyżej około 50 MHz mają tę charakterystykę, ale są bardziej wyraźne na częstotliwościach UHF, mikrofalowych i fal milimetrowych.

 

Częstotliwości poniżej 1 GHz wykazują pewne cechy inne niż LOS (co oznacza, że ​​mogą w pewnym stopniu przenikać ściany i drzewa), czyniąc je pożądanymi, gdy bezpośredni LOS nie jest możliwy. To jeden z powodów, dla których częstotliwości komórkowe w zakresie od 800 do 1000 MHz są tak pożądane. I właśnie dlatego wiele nowo przydzielonych pasm 600 i 700 MHz sprzedaje się operatorom komórkowym.

 

Możesz także zobaczyć ten zakres w zależności od częstotliwości, patrząc na równanie utraty sygnału radiowego.

 

Strata ścieżki dB = 37 dB + 20 log (f) + 20 log (d)

 

Odległość (d) jest wyrażona w kilometrach, a częstotliwość (f) w MHz.

 

Teraz zastanów się nad lokalizacją najpopularniejszych technologii IoT na nielicencjonowanym paśmie 2,4 GHz. Nowsze wersje Wi-Fi, takie jak 11ac i 11ax, wykorzystują 5 GHz. Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee i produkty pochodne 802.15.4, takie jak Thread, ISA100a i inne, używają pasma nielicencjonowanego 2,4 GHz. Poziom mocy jest również ograniczony - nic dziwnego, że zasięg jest ograniczony. W niektórych aplikacjach sieci typu mesh, mogą pomóc w rozszerzeniu zasięgu, ale w szczególnych przypadkach wymagających wielu węzłów.

 

Inne kluczowe czynniki wpływające na zakres to szybkość transmisji danych i szum. Wyższe prędkości mają tendencję do ograniczania zasięgu, a szum odgrywa ważną rolę w bitowej stopie błędu (BER). Niższe szybkości transmisji danych zużywają mniej pasma, a mniejsza przepustowość ogranicza szum, tworząc niezawodne połączenie. Stosowanie wyższych poziomów modulacji (na przykład QAM) zwiększa prędkość, jest jednak bardziej podatny na hałas, przez co łącze jest mniej odporne. Zasięg automatycznie rośnie wraz ze spadkiem szybkości transmisji danych, ponieważ generalnie jest bardziej odporny na zakłócenia.

 

Większość technologii LPWAN działa z całkowitą utratą zasięgu w zakresie od -130 do -180 dB, znacznie większą niż typowa utrata sygnału w zakresie -90 dB tradycyjnych technologii bezprzewodowych. Wymaga to czułości odbiornika na poziomie -130 dBm lub lepszej dla dobrego połączenia. Takie poziomy czułości są możliwe dzięki węższym pasmom i niższym przepływnościom danych produktów LPWAN.

 

Podczas gdy większy zasięg jest kluczową cechą LPWAN, podstawową cechą jest niższa przepływność danych i niskie zużycie energii. Jak niska jest szybkość transmisji danych? Jedna definicja mówi, że jest to mniej niż 5 kb / s, i mniej niż 200 bajtów na wiadomość. Może wynosić zaledwie kilkaset bitów na sekundę lub nawet 100 KB / s. Jeszcze wyższe prędkości są możliwe przy zmniejszonym zasięgu.

 

Kolejnym ważnym czynnikiem jest bardzo niskie zużycie energii. Większość aplikacji zakłada węzły zasilane z baterii w tym kontekście. Aby sprawić, by LPWAN było wydajne, żywotność baterii ma kluczowe znaczenie - musi to być kilka lat, a nawet pięć do dziesięciu lat według niektórych standardów.

 

Większość nowszych technologii dalekiego zasięgu uwzględnia te cechy i może zapewnić rozbudowane łącza wymagane przez wiele aplikacji. Rzućmy okiem na to, co jest dostępne:

 

Pasma ISM

 

 

Większość omawianych tu norm wykorzystuje nielicencjonowane pasma przemysłowe-naukowe-medyczne (ISM). Najpowszechniej stosowane pasmo ISM to 2,4 do 2,483. Pasmo GHz, które jest domeną Wi-Fi, Bluetooth, radia 802.15.4 i wielu innych. Inne popularne częstotliwości ISM to 315 MHz dla otwierania drzwi garażowych i zdalnego dostępu bez kluczy (RKE) oraz 433 MHz dla zdalnego monitorowania temperatury. W Wielkiej Brytanii i Europie popularne są częstotliwości 169 MHz i 868 MHz.

Wiele prostych aplikacji bezprzewodowych nie wymaga złożonych połączeń sieciowych, zabezpieczeń ani innych niestandardowych funkcji, co umożliwia projektowanie prostych, zastrzeżonych protokołów. Wielu dostawców nadajników-odbiorników w paśmie ISM oferuje standardowe protokoły obsługi i systemy programistyczne, które można wykorzystać do opracowania protokołu dla konkretnej aplikacji.

 

Na przykład Microsemi opracował nadajnik / odbiornik ZM70550 ISM (ryc. 1) dla produktów LPWAN. Może działać na dowolnej częstotliwości w zakresie od 779 do 965 MHz, dzięki czemu jest przydatny w USA i większości innych krajów. Moc nadawania wynosi 0 dBm, a czułość odbiornika wynosi -106 dBm. Można wybrać szybkości przesyłania danych 50, 100 lub 200 kb / s. Chip zawiera protokół Z-Star, warstwę MAC, która eliminuje potrzebę zaangażowania zewnętrznego procesora w przetwarzanie pakietów.

 

LoRa

 

LoRa, co oznacza długi zasięg, to stosunkowo nowa technologia bezprzewodowa firmy Semtech Corp., która została zaprojektowana w celu rozszerzenia zasięgu LPWAN dla aplikacji IoT i M2M. LoRa używa pasma nielicencjonowanego od 902 do 928 MHz w paśmie USA i 868 MHz w Europie. Typowe częstotliwości robocze to 915 MHz dla USA, 868 MHz dla Europy. i 433 MHz dla Azji.

 

Warstwa fizyczna LoRa (PHY) wykorzystuje unikatową formę widma rozproszonego FM, wraz z dodatkowym korygowaniem błędów (FEC). Ta modulacja spektrum rozproszonego pozwala wielu radiotelefonom na korzystanie z tego samego pasma, jeśli każde radio ma inną częstotliwość chirp i danych. Szybkości transmisji danych wynoszą od niskiego poziomu 290b / s do 50 kb / s. Kluczową cechą jest bardzo niskie zużycie energii. Typowy zasięg wynosi od 2 do 5 km i możliwe jest do 15 km (w zależności od lokalizacji i charakterystyki anteny) - o wiele więcej niż w przypadku większości innych technologii krótkiego zasięgu.

 

Wyjątkowym produktem LoRa jest moduł ETH-M-LORA-AX firmy Ethertronics (rys. 2), który zawiera transceiver SemXech SX1272 LoRa i mikroukład tunera antenowego Ethertronics EC686. Zapewnia aktywne sterowanie wiązką w celu generowania wielu wzorców promieniowania, optymalizując połączenie łącza i zapewniając niezawodność łącza.

2. 868 / 915 LoRa / LoRaWAN module - SODAQ

 

Sieci Komórkowe

 Sieci komórkowe do zastosowań IoT są ogólnie znane jako sieci typu maszyna-maszyna (M2M). Wielu dostawców oferuje moduły telefonii komórkowej do osadzania w innych produktach, a większość głównych operatorów komórkowych zapewnia usługi połączeń M2M w porównaniu ze standardowym spektrum licencjonowanym.

 

Chociaż popularna była technologia 2G, taka jak GSM / GPRS / EDGE, niektórzy operatorzy już teraz wycofują się z operacji 2G. Jednak większość operatorów nadal obsługuje technologie 3G, takie jak WCDMA i cdma2000 z szybkością transmisji danych do kilku megabitów na sekundę. Zasięg jest po prostu odległością od strony komórki i może wynosić nawet kilka kilometrów. Łączność komórkowa jest oczywiście opcją, chociaż sprzęt i usługa są droższe niż większość innych opisanych tutaj systemów LPWAN. Główną zaletą sieci komórkowej jest to, że daje abonentowi globalną sieć.

 

Praktycznie wszyscy operatorzy komórkowi korzystają z technologii LTE lub Long Term Evolution, obecnej technologii 4G. Jest szeroko stosowany w USA i na całym świecie. Ze swoimi megabitowymi szybkościami transmisji danych LTE jest przesadą dla większości aplikacji IoT / M2M.

 

Nowe wersje LTE, oznaczone jako Cat 0 i Cat 1, są wersjami o obniżonej funkcjonalności LTE zaprojektowanymi dla małej mocy i niskiej prędkości, aby dopasować je do potrzeb zastosowań IoT / M2M. Te aplikacje wykorzystują istniejącą sieć komórkową w spektrum licencjonowanym, a nie w bezprzewodowej sieci krótkiego zasięgu i w Internecie. Cat 0 i Cat 1 wykorzystują istniejące przepustowości LTE, z modulacją ortogonalnego wielodostępu z podziałem częstotliwości (OFDMA). Jest to rozwiązanie dalekiego zasięgu zdolne do przejechania kilometrów. Najbardziej popularne standardy LTE to LTE-M i NB-IoT.

 

LTE-M dla maszyny wykorzystuje kanał 1,4-MHz i standardowe bloki zasobów LTE z odstępami podnośnymi 15-kHz. Uplink wykorzystuje OFDMA i do 16QAM, aby osiągnąć szczytową szybkość transmisji danych do 1 Mb / s. Łącze pobierające używa SC-FDMA dla maksymalnej szybkości 1 Mb / s. Tryby o niskiej mocy sprawiają, że nadaje się on do wielu zastosowań IoT / M2M.

 

Wbudowany Internet Rzeczy lub NB-IoT wykorzystuje jeden blok zasobów dwunastu 15-kHz podnośnych LTE. Ma szerokość 180 kHz w kanale 200 kHz. Szybkości danych osiągają szczyt przy łączu nadawczym 250 kb / s i łączu nadawczym 170 kb / s z modulacją łącza w dół OFDMA i łącza nadawczego SC-FDMA. Ten dodatkowy uproszczony standard umożliwia bardzo niskie zużycie energii w urządzeniach.

 

NB-IoT jest wdrażany w dowolnej sieci LTE jako nakładka programowa. Blok zasobów NB-IoT dobrze pasuje do standardowego kanału LTE lub do pasma ochronnego. Figura 4 pokazuje typowy moduł NB-IoT dla pasma komórkowego 900 MHz. Ten model u-blox ma szczytowe szybkości przesyłania danych łącza nadawczego 62,5 kb / s i łącza nadawczego 27,2 kb / s.

4. The SARA-N200 module is u-blox’s NB-IoT module for the 900-MHz cellular band. It comes in a 16- × 26-mm package.

SigFox

Sigfox to technologia bezprzewodowa, a także usługa sieciowa. SigFox to francuska firma oferująca technologię bezprzewodową oraz lokalny LPWAN dla aplikacji IoT lub M2M o większym zasięgu. Działa w paśmie ISM 868 i 915 MHz, ale zużywa bardzo mało przepustowości i mocy.

 

Radia SigFox wykorzystują technikę zwaną modulacją ultra-wąskopasmową (UNB) w postaci binarnego kluczowania z przesunięciem fazowym (BPSK), która tylko czasami nadaje krótkie wiadomości przy niskich szybkościach transmisji danych. Szybkości transmisji danych w kanale 200 kHz mogą wynosić od 100 do 1000 b / s. Wiadomości mogą mieć długość do 12 bajtów, a węzeł może wysyłać do 140 wiadomości dziennie. Ze względu na wąską przepustowość, krótkie wiadomości i budżet łącza 162-dB możliwe są dalekie odległości od 30 do 50 km.

Ingenu

Ingenu to technologia i sieć. Podobnie jak Sigfox, Ingenu buduje sieci w określonych obszarach zasięgu, zapewnia sprzęt i oprogramowanie do obsługi aplikacji. W przeciwieństwie do większości innych dostawców LPWAN, Ingenu używa pasma nielicencjonowanego 2,4 GHz. To ogranicza zasięg, ale technologia wdraża techniki kodowania, które zapewniają bardzo wysokie wzmocnienie przetwarzania, co skutkuje super wrażliwymi odbiornikami, które pomagają zwiększyć zasięg.

 

Technologia Ingenu nazywa się wielokrotnym dostępem w trybie losowym (RPMA). Wykorzystuje widmo rozproszone o bezpośrednim rozkładzie (DSSS) i różnicową modulację BPSK i osiąga szczytową prędkość transmisji danych 634 kb / s. Funkcja wielokrotnego dostępu z podziałem kodowym (CDMA) służy do obsługi wielu użytkowników wspólnego kanału. Oprócz dostarczania własnej sieci, Ingenu twierdzi, że obszar zasięgu jest znacznie większy niż większość innych metod LPWAN i może pomieścić znacznie więcej użytkowników na punkt dostępowy (bramę).

Symphony

Symphony to oferta LPWAN LinkLabs. Wykorzystuje on algorytm LoRa PHY, ale zawiera niestandardową warstwę oprogramowania do kontroli dostępu do nośnika (MAC). Podczas gdy PHY dostarcza niezawodne łącze, to MAC zapewnia, że stworzona sieć może zarządzać połączeniami wymaganymi od aplikacji. Cechy Symphony MAC obejmują to, że jest to standard otwarty, wzmacniacze są używane do wspomagania zasięgu w razie potrzeby, ma on adaptacyjną szybkość transmisji danych i oferuje skalowalną pojemność. Inne cechy to pakietowanie warstwy MAC, 100% potwierdzenie wiadomości, kontrola mocy łącza w górę i niskie opóźnienie łącza w dół.

Weightless

Weightless to rodzina otwartych standardów technologii bezprzewodowych ukierunkowanych na aplikacje IoT. Trzy wersje dotyczą różnych segmentów rynku LPWAN. Najprostszą wersją jest Weightless-N dla aplikacji o niskich kosztach, takich jak simpleks lub zastosowania jednokierunkowe, takie jak monitorowanie czujników. Modulacja dla tej technologii, która działa w ISM bez sub-1-Gbit, jest różnicowa BPSK z wykorzystaniem techniki przeskoku częstotliwości, aby zminimalizować zakłócenia. Jedną z kluczowych funkcji jest 128-bitowe szyfrowanie AES z pełnym uwierzytelnianiem. Przy niskich prędkościach transmisji i wąskich kanałach możliwy jest zasięg do 5 km. Niski pobór mocy pozwala na żywotność baterii nawet do 10 lat.

 

Jeśli potrzebna jest wyższa wydajność przy dwukierunkowej komunikacji, Weightless-P może być dobrym wyborem. Wykorzystuje połączenie FDMA i TDMA do zarządzania dostępem do wielu kanałów o szerokości 12,5 kHz. Szybkości transmisji danych mogą być w zakresie od niskiego 200 b / s do 100 kb / s przy użyciu Gaussian minimum shift keying (GMSK) i offsetowej modulacji kwadraturowo-przesunięcie fazowe (QPSK). Typowy maksymalny zasięg wynosi około 2 km. Szyfrowanie i uwierzytelnianie AES 128/256 są używane dla bezpieczeństwa.

 

Wreszcie Weightless-W jest zaprojektowany do pracy w "białych"( wolne częstotliwości ) przestrzeniach telewizyjnych. Białe przestrzenie to kanały o szerokości 6 MHz używane wcześniej przez stacje telewizyjne w paśmie od 470 do 790 MHz. Możliwe jest osiągnięcie szybkości transmisji danych od 1 kb / s do 10 Mb / s, w zależności od budżetu łącza. Zakres 5 km lub więcej jest możliwy w sytuacjach braku widoczności. Korzystanie z białych przestrzeni TV wymaga od stacji bazowych odwoływania się do głównej bazy danych pasm TV i częstotliwości mikrofonów bezprzewodowych i wybrania nieużywanego pasma, aby uniknąć zakłóceń. Weightless to wolny od opłat adres IP, który pomaga zminimalizować koszty.

Wi-Fi

Standardowe wersje Wi-Fi, takie jak 802.11a / b / g / n / ac / ax, mogą być używane do IoT, ale zazwyczaj nie jest to optymalny wybór. Zużycie energii jest na ogół wysokie, a dostępna przepustowość wykracza znacznie poza to, co jest wymagane w przypadku większości aplikacji. Jednak dwie wersje Wi-Fi dobrze pasują do zastosowań dalekiego zasięgu.

 

Biały-Fi lub 802.11af został zaprojektowany do korzystania z białych lub nieużywanych kanałów telewizyjnych od 54 do 698 MHz. Te kanały o szerokości 6 MHz są idealne do obsługi transmisji dalekiego zasięgu i bez linii widzenia. Standard wykorzystuje kognitywną technologię radiową, aby nie zakłócać lokalnych sygnałów telewizyjnych. Stacja bazowa wysyła zapytanie do bazy danych, aby zobaczyć, które kanały są dostępne lokalnie do transmisji danych. Modulacja to OFDM z wykorzystaniem BPSK, QPSK lub QAM. Maksymalna szybkość transmisji danych na kanał 6-MHz wynosi około 24 Mb / s, a zakresy do kilkudziesięciu mil są oczekiwane na niższych częstotliwościach VHF TV.

 

Inna wersja Wi-Fi przyjazna IoT nazywa się HaLow. Standard, oznaczony jako 802.11ah, wykorzystuje wolne od licencji pasmo od 902 do 928 MHz w USA i podobnych pasmach poniżej 1 GHz w innych krajach. To dobra wiadomość, ponieważ na tych niższych częstotliwościach można używać małej mocy, umożliwiając w ten sposób zasilanie bateryjne. Podczas gdy większość urządzeń Wi-Fi ma maksymalny zasięg 100 metrów w idealnych warunkach, HaLow może osiągnąć nawet kilometr za pomocą prawej anteny.

 

Modulacja dla 11ah jest OFDM z wykorzystaniem 24 podnośnych w kanale 1 MHz i 52 podnośnych w większych szerokościach pasma. Modulacja może być BPSK, QPSK lub QAM, zapewniając szeroki zakres szybkości transmisji danych. W większości przypadków wystarczą prędkości od 100 kb / s do kilku megabitów na sekundę. Jego prawdziwym celem była niska moc. Sojusz Wi-Fi twierdzi, że do 2018 r. Wdroży program testowania i certyfikacji 802.11ah.

 

Oba standardy 11af i 11ah są kompletne. Jednak nie ma odpowiedniego krzemu, więc istnieje tylko garstka adopcji. Są to dobre alternatywne rozwiązania dla sytuacji dalekiego zasięgu.