+7 (495) 240-82-42 Оставить заявку

Сравнение технологий «СТРИЖ» и LoRa

Ключевой параметр в беспроводной коммуникации — дальность связи. Один из основных факторов, от которого зависит дальность является скорости передачи данных. Если рассматривать телеметрию приборов учета: счетчиков воды, электричества, газа или тепла, где требуется передача небольших пакетов данных до 8 байт, во главу угла встает дальность передачи показаний.

Содержание

  1. Технические возможности увеличить дальность связи
  2. Как работает технология «СТРИЖ»
  3. Сложности использования узкополосного метода
  4. Как работает LoRa
  5. Сложности использования широкополосного кодирования
    1. Использование спектра
    2. Снижение помехоустойчивости от смежных устройств
    3. Увеличенное время передачи данных
  6. Почему LoRa легко «заглушить»
  7. Резюме

Технические возможности увеличить дальность связи

Есть несколько технических возможностей увеличить дальность за счет снижения скорости передачи. Сегодня при передаче данных в LPWAN используются два подхода:

  • Сужение полосы спектра с целью снижения уровня помех на приемнике — узкополосный подход, который использует «СТРИЖ»;
  • Использование широкополосного кодирования на более высоких битовых скоростях для борьбы с бóльшим уровнем шума в приемнике — подход LoRa в сетях LoRaWAN.

Как работает «СТРИЖ»

На физическом уровне для передачи сигнала в сети «СТРИЖ» используется модуляция DBPSK.

Ширина полосы канала передающего устройства при этом составляет 100 Гц, при минимальном битрейте в 50 бод. Узкополосный сигнал в 100 Гц и высокая энергетика на каждый бит передаваемой информации обеспечивает превосходный энергетический потенциал канала связи (link budget) и высокую помехоустойчивость.

Использование в устройствах «СТРИЖ» качественных комплектующих с низким потреблением и высоким КПД позволяет добиться высокой энергоэффективности и длительного времени автономной работы устройств от батареи. А базовые станции нового поколения с оптимизированным запатентованным методом блочного кодирования  и дополнительными математическими алгоритмами дают на приеме чувствительность -154 дБм.

Анализ спектра узкополосного сигнала СТРИЖ
Более 200 сигналов СТРИЖ: частотный ресурс задействован менее чем на 5%, коллизий нет.

Сложности использования узкополосного метода

Высокие требования к стабильности кварцевого генератора традиционно являлись препятствием для использования узкополосных систем. Ошибки на генераторе приводят к дрейфу частоты из полосы приема.

Сегодня показатели точности коммерчески доступных кварцевых генераторов значительно улучшены, что дает возможность использовать узкополосный подход с минимальными затратами на комплектующие, при значительной экономии имеющегося частотного ресурса.

Как работает LoRa

LoRa — использует собственный метод модуляции, основанный на технике расширения спектра (spread spectrum modulation) и вариацию линейной частотной модуляции (chirp spread spectrum, CSS), при которой данные кодируются широкополосными импульсами.

Такое решение, в отличие от технологии прямого расширения спектра, делает приемник устойчивым к отклонениям частоты от номинального значения и упрощает требования к тактовому генератору, что позволяет использовать недорогие кварцевые резонаторы.

Спектр Lora
Порядка 10 сигналов Lora: частотный ресурс задействован на 30%, имеются коллизии.

Сложности использования широкополосного кодирования

За счет кодовой манипуляции LoRa позволяет демодулировать сигналы на уровне до -20 дБ относительно уровня шумов, но при этом провоцирует ряд негативных факторов, которые в конечном счете влияют на радиус действия сети.

Использование спектра

Основной недостаток применения широкополосной кодовой манипуляции — низкая эффективность использования частотного спектра. Такой подход уменьшает количество устройств способных работать в определенном частотном диапазоне.

В полосе 125 кГц, которая требуется LoRa для кодирования одного канала, используя узкополосный метод можно получить до 1250 каналов. А значит использовать до 1250 устройств «СТРИЖ», без ухудшения характеристик, вместо одного устройства LoRa.

Размен большей чувствительности на меньшую эффективность спектра (более широкую частотную полосу) идет вразрез с отечественными регламентами и мировой практикой по рациональному использованию частотного ресурса. Возрастающие потребности беспроводных устройств, в том числе и LPWAN-датчиков будут стимулировать потребность в экономии частотного ресурса по всему миру. Именно поэтому «СТРИЖ» выбрал подход узкополосной модуляции.

Снижение помехоустойчивости от смежных устройств

Помехозащита в случае использования широкополосного сигнала обеспечивается лишь за счет кодирования.

Устройства с широкополосными сигналами при одновременной работе в одном канале позволяют добиться защиты от помех на уровне 10 — 20 дБ. Трансиверы, используемые «СТРИЖ», дают до 65 дБ защиты от помехи на соседнем канале —  45 дБ разницы по сравнению с LoRa. 45 дБ дают огромную разницу по надежности и помехоустойчивости в реальных условиях.

При большом времени передачи система становится уязвимой к помехам от других устройств, работающих в этой же полосе. Для широкополосной связи резко повышается вероятность коллизий с сигналами от таких устройств. Эту ситуацию уже невозможно компенсировать улучшенным кодированием. Результат — резкое снижение дальности стабильной работы такой системы; устройства, находящиеся на предельно дальней дистанции уже «не будут услышаны».

Диаграмма помехозащищенности СТРИЖ и LoRa
Наложение узкополосных сигналов на сигнал с широкополосным кодированием

Увеличенное время передачи данных

В отличие от узкополосного подхода «СТРИЖ», где сигнал на приемнике четко различим и может быть принят с использованием преамбулы в 3 байта, сигнал LoRa невидим на фоне шумов. Для того что бы вычленить релевантный сигнал необходима точная синхронизация схемы кодирования, что в свою очередь требует длинной преамбулы, прежде чем будут приняты полезные данные.

Длинная преамбула имеет негативное влияние на срок работы источника питания, так как значительная часть энергии будет израсходована на неё еще до того, как будет передана полезная информация.

Почему LoRa легко «заглушить»

Принимающие станции LoRa могут определять преамбулы на всех скоростях всех каналов IF3 — IF10. Однако, они не могут демодулировать более чем 8 пакетов одновременно. Это происходит в связи с архитектурными особенностями, когда определение преамбулы, выделения полезных данных и демодуляция сигнала происходят раздельно.

Количество одновременных демодуляций равно 8. Станции LoRa могут определить принадлежность пакета только после того как они демодулируют его. Поэтому станция LoRa принимает все пакеты, а «свои» выделяет после демодуляции. Любой пакет данных даже из «чужой» сети, принятый «своей» станцией блокирует получение любого «своего» пакета на этом же канале до тех пор, пока он не будет полностью принят.

Таким образом, любой желающий может вполне легитимно, отправляя с восьми LoRa-модемов произвольные данные, без остановки, заблокировать все 8 каналов в любой сети LoRa в любом городе. Станция будет вынуждена принимать пакеты, идущие от «чужих» модемов в ущерб пакетам из «своей» сети.

Резюме

Узкополосная модуляция, используемая «СТРИЖ» для увеличения дальности действия системы, позволяет экономно расходовать частотный ресурс, обеспечить масштабируемость на определенной территории без потери надежности доставки сообщений. Более высокие требования частоте передачи при таком подходе, компенсируются возможностями современных кварцевых генераторов.

Метод широкополосного кодирования не требователен к параметрам тактового генератора, и при передачи данных на большие расстояния позволяет добиться большей чувствительности на приеме. Однако, такой подход приводит к нерациональному использованию спектра, ухудшению электромагнитной совместимости и как следствие снижению максимального количества устройств, работающих в определенном радиусе.

Сравнивая показатели на приеме, отмечаем чувствительность базовых станций «СТРИЖ» -152 дБм, против -132 дБм у провайдеров решений на LoRa (см. LoRa Basestation — Link Labs). Теория распространения радиоволн говорит нам о том, что 20 дБм в открытом пространстве дают в 10 раз более длинную дистанцию, или две дополнительные стены в городе.

Ищите больше информации по технологии LPWAN?

Скачайте брошюру с детальным обзором технологий XNB и LoRa — 6 стр.

Растущая популярность Интернета вещей привлекает внимание к беспроводным технологиям дальнего радиуса действия LPWAN. На российском рынке представлены две технологии: отечественная «СТРИЖ» — протокол XNB и американская LoRa. Мы досконально сравнили их и описали на 6 страницах нашей брошюры.

Из этой брошюры вы узнаете:

  • Что такое LoRa, LoRaWAN и LoRa® Alliance
  • На чем зарабатывает и сколько стоит LoRa
  • Технические особенности: модуляция, спектр, помехозащищенность и селективность
  • Как любой желающий может «заглушить» LoRa
  • Почему LoRa плохо подходит для использования в России
  • Детальное сравнение XNB и LoRa

Скачайте материал

Заполните форму ниже, и мы вышлем вам материал на почту.

Copyright © 2014-2017
«СТРИЖ» — телематика на базе LPWAN для Интернета вещей, ЖКХ и промышленности.