Duży zasięg komunikacji w nielicencjonowanym paśmie radiowym, czyli nowe technologie WAN

Przez wiele lat moduły komunikacyjne pracujące w technologii GPRS (2G) i komunikujące się poprzez sieć komórkową były podstawą komunikacji bezprzewodowej. Wraz z popularyzacją szybkiej komunikacji w telefonii komórkowej 3G i 4G wiele z równoważnych rozwiązań staje się zbyt skomplikowanych i tym samym zbyt drogich z punktu widzenia potrzeb wielu urządzeń.

Co więcej, duża część sprzętu transmituje niewiele danych, a szybkość komunikacji jest dla nich praktycznie bez znaczenia. W rezultacie umieszczenie w sprzęcie IoT modemu komórkowego 3G lub 4G nie ma sensu od strony technicznej i ekonomicznej.

Komunikacja z dużą prędkością jest też nieoptymalna od strony energetycznej, bo zasięg elementarnych stacji bazowych jest mniejszy, częstotliwości pracy wyższe itd. Wszystkie te zjawiska i problemy stają się jeszcze bardziej dokuczliwe w środowisku przemysłowym, gdzie komunikacja jest narażona na zakłócenia.

Z tego powodu powstają nowe technologie komunikacyjne i standardy, które omijają lub likwidują te niedogodności. W niniejszym artykule zostaną przedstawione dwa rozwiązania, które wchodzą na rynek i mają niezły potencjał dający nadzieję na przebicie się i popularyzację.

Niski pobór mocy i duży zasięg

Tabela 1. Porównanie cech dla LoRa i Sigfox

Oba rozwiązania są zaliczane do kategorii Low-Power Wide-Area Network (LPWAN), a więc sieci komunikacji bezprzewodowej o dużym zasięgu i jednocześnie o małych potrzebach energetycznych. Termin ten wydaje się być pewnym paradoksem, bo wiadomo ogólnie, że do komunikacji na dalekie odległości konieczny jest silny sygnał radiowy, a nie słaby.

Niemniej w obu przypadkach bierze się to stąd, że komunikacja jest relatywnie wolna po to, aby ograniczyć podatność na zakłócenia i wykorzystuje wąskie pasmo po to, aby poprawić warunki odbioru sygnału (lepszy stosunek sygnału do szumu). Sieci LPWAN są zatem zoptymalizowane pod kątem niskiego wydatku energetycznego i dużego zasięgu wymaganego w aplikacjach IoT i M2M, a nie szybkości komunikacji.

Koncepcyjnie obie sieci są podobne do telefonii komórkowej: mają topologię gwiazdy, w której terminale łączą się z siecią i między sobą za pomocą stacji bazowych BTS (Base Transceiver Station).

Koszty i zyski

Stacje BTS sieci LPWAN pracują w zakresie nielicencjonowanych częstotliwości dostępnych w ramach pasma ISM, dzięki czemu nie ma konieczności wnoszenia opłat za wykorzystanie widma radiowego. Ale niestety do działania wymagane jest zbudowanie infrastruktury, co wymaga nakładów finansowych i wysiłku organizacyjnego a także czasu.

Zasięgu nie ma zatem wszędzie, podobnie jak było to na wczesnym etapie rozwoju sieci telefonii komórkowej, pojawia się on powoli i rozszerza na poszczególne rejony. Stan na dzisiaj jest taki, że sieci LPWAN są już alternatywą dla innych rozwiązań i potencjalnym medium komunikacyjnym dla producentów urządzeń elektronicznych. Obie te wspominane sieci to Sigfox i LoRa.

Sigfox

Rys. 1. Zasięg sieci Sigfox (październik 2016)

Sieć Sigfox pokrywa swoim zasięgiem aktualnie Francję, Hiszpanię, Wielką Brytanię i Holandię i jest dostępna dla klientów od początku 2015 roku. Prace przygotowawcze trwają w Portugalii, Danii, Belgii i USA, gdzie zasięg sieci będzie dostępny już niedługo (rys. 1). Docelowo ma on objąć do 2020 roku 60 krajów. We Francji sieć ta tworzy lokalny własny system, w którym można wykupić abonament, w innych działa poprzez partnerów (SNO - Sigfox Network Operator).

Firma OEM, która chce wykorzystać Sigfox, potrzebuje modułu komunikacyjnego pracującego na 868 MHz z modulacją DBPSK (Diff erential Binary Phase-Shift Keying) dla kanału uplink i GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) dla kanału downlink. Taki moduł można kupić jako gotowy, bo na rynku są produkty oznaczone znakiem Sigfox Ready lub zbudować samodzielne w oparciu o dostępny stos programowy i układy.

Bramki dostępowe i aplikacje sieciowe zapewniając transport danych sieci, co jest gwarancją zawsze tej samej jakości usług niezależnie od kraju. Według danych operatora sieci zasięg do stacji bazowej od urządzenia w otwartej przestrzeni przekracza 15 km, co pozwala na działanie przy niewielkiej liczbie stacji przekaźnikowych.

Gdy nadajnik znajduje się w zasięgu kilku stacji przekaźnikowych, wykorzystuje się mechanizm przekazywania przez nie między sobą odebranych pakietów po to, aby poprawić jakość komunikacji i zmniejszyć wpływ zakłóceń. Stacje bazowe wymieniają między sobą wówczas dobre pakiety i razem kompletują dane.

Odstęp częstotliwości międzykanałowych w sieci jest mały, co wymusza stosowanie selektywnych odbiorników o dużej czułości rzędu -126 dBm, czyli 0,1 µV/50 Ω, niemniej dzięki oparciu ich na koncepcji tzw. radia realizowanego przez oprogramowanie - SDR (Software Defined Radio) koszt implementacji sprzętowej jest tutaj niewielki.

Sigfox nie wykorzystuje własnościowego protokołu, dzięki czemu układy mogą produkować różne firmy bez umów i formalności, wystarczy, że spełnią specyfikację techniczną Sigfox. Takie układy ma na przykład Atmel. Rodzina ATA8520x to zgodne z Sigfox produkty komunikacyjne tego producenta, a niedługo na rynku pojawi się też kompletny transceiver w.cz. o mocy wyjściowej 14 dBm (25 mW).

Sigfox - wydajność, koszty i ograniczenia

Sieć Sigfox limituje komunikację do 140 komunikatów wysyłanych jednego dnia, każdy zajmujący do 12 bajtów i tylko 8 bajtów dla komunikatu zwrotnego. Opóźnienie sięga 3-5 ms.

Wskazuje to, że Sigfox nadaje się do aplikacji, które stosunkowo rzadko się komunikują, takie jak na przykład rozproszone mierniki wysyłające co jakiś czas wyniki pomiaru, temperatury, napięć, zużycia mediów czy innych danych fizycznych dla potrzeb automatycznej rozproszonej sieci pomiarowej. Użytkownicy sieci Sigfox płacą roczny abonament za każdy węzeł sieci. Aktualna opłata zależy od konkretnego kraju.

Implementacja sieci LoRa

Rys. 2. Architektura sieci LoRa WAN z siecią dołączoną do chmury obliczeniowej

LoRa (skrót od Long Range) jest siecią o nieco odmiennych właściwościach. Bazuje ona na technologii rozpraszania widma CSS (Chirp Spread Spectrum) o zmiennym zakresie tworzonego rozproszenia (pomiędzy 6 a 12 bitów). To rozproszenie tworzy pasmo pracy o zmiennej szerokości takiej która zapewnia prędkość transmisji od 20 b/s do 41 kbitów/s.

Wykorzystywany jest asynchroniczny protokół, pozwalający na tworzenie wydzielonych sieci prywatnych lub sieci publicznych. Zastosowana modulacja pozwala na odbiór sygnałów 22 dB poniżej progu szumów, a konstrukcja odbiornika gwarantuje selektywność pozwalającą na tłumienie o 69 dB z kanału sąsiedniego odległego o 25 kHz. Wiele transceiverów FSK ma ten parametr dla pasma 868 MHz rzędu 30 dB.

Warto zauważyć, że większość dostępnych na rynku transceiverów ISM pracujących poniżej 1 GHz ma zasięg nieprzekraczający 2 km w otwartej przestrzeni. A dla porównania jeden z układów firmy Semtech SX1272 pracujący w technologii LoRa ma zasięg do 15 km pomiędzy węzłem a punktem dostępowym. Pracuje on w paśmie 868 MHz-1,02 GHz. Jest też układ działający w szerszym paśmie 137 MHz-1,02 GHz (SX1276) i o czułości maksymalnej aż -148 dBm (0,01 µV/50 Ω)!

W sieci LoRa komunikacja realizowana jest dwukierunkowo w półdupleksie, a sieć ma topologię gwiazdy. Liczba węzłów dołączonych do koncentratora zależy od parametrów tego urządzenia - do koncentratora zbudowanego na parze układów firmy Semtech SX1301 (odpowiedzialny za tzw. baseband) i dwóch SX1257 (modulator I/Q) można dołączyć 10 tys. węzłów.

LoRa Alliance

Rys. 3. Szyfrowanie i autentykacja transmisji za pomocą 128-bitowego AES jest integralną częścią LoRa WAN

Firma Semtech razem z IBM i Activity oraz stowarzyszeniem LoRa Alliance opracowała stos protokołu do sieci bazujących na koncepcji LoRa, ale w większej skali - LoRa WAN. Bazują na komunikacji klient-serwer i pakietowej transmisji danych (rys. 2). Wielu producentów układów i firm OEM pracuje nad układami i modułami realizującymi komunikację oraz oprogramowaniem do obsługi sieci.

Wyniki tych działań niedługo powinny pojawić się na rynku w ofertach firm Semtech, IMST, Microchip, MultiTech, Link Labs i Embit (tworzące LoRa Alliance), a po stronie oprogramowania dla LoRa WAN także IBM and Actilit, które włączyły się w prace.

Firmy te są przekonane, że dostępność wszystkich elementów niezbędnych do budowy infrastruktury sieci (stos protokołu, koncentratory, platformy sprzętowe dla BTS) przyspieszy rozwój i zwiększy liczbę sieci opierających się na LoRa i pozwoli obniżyć ceny. Dotyczy to też sieci o charakterze prywatnym, bazujących na własnej zgodnej infrastrukturze. Takie rozwiązania nie mogą być tworzone w ramach sieci Sigfox, gdyż tam twórcy nie dają takiej możliwości.

Podobnie jak dla konkurencyjnego rozwiązania zasięg komunikacji między węzłem a punktem dostępowym sięga 15 km w otwartej przestrzeni. W efekcie komórki sieci są relatywnie duże, a koszty budowy umiarkowanie niskie. Pierwsze projekty sieci tworzonych w dużej skali też już są, np. we Francji Orange w oparciu o LoRa buduje sieć dla projektu Smart City.

Wymiana danych w LoRa jest szyfrowana za pomocą 128-bitowego AES (rys. 3), a protokół realizuje tzw. adaptacyjne dostosowanie mocy nadajnika i szybkości transmisji do aktualnych warunków propagacyjnych, co sprzyja niskiemu poborowi mocy przez sieć.

W tabeli 1 pokazano podobieństwa i różnice pomiędzy dwoma najpopularniejszymi technologiami zaliczanymi do LPWAN wraz z najważniejszymi cechami charakterystycznymi.

Future Electronics Polska
www.futureelectronics.com