Современная электроника №1/2020

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 13 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2020 Рис. 2. Модулированный сигнал LoRaWAN в сравнении с немодулированным нение пользовательских данных кон- трольными битами с целью успешно- го восстановления сообщения в случае потери его части, не путать с шифрова- нием) позволяют осуществлять приём полезной информации даже при отри- цательных значениях отношения сиг- нал/шум (SNR до –20 дБ). Б ОРЬБА С ВНУТРЕННИМИ КОЛЛИЗИЯМИ С целью экономии заряда батарей абонентских устройств и ёмкости сети датчики LoRaWAN выходят в эфир на одном из восьми частотных каналов без предварительной синхронизации с сетью (в отличие от, скажем, GSM, где каждому абоненту сеть выделяет на вре- мя разговора персональный таймслот на определённом частотном канале). Это создаёт вероятность внутрисете- вых «коллизий»: а вдруг две двери откро- ются одновременно и соответствующие сенсоры выйдут в эфир в один и тот же момент на одном частотном канале? Примет ли сеть сигнал от них, или они заглушат друг друга, или один заглушит другой? Давайте разбираться. Стандартом LoRaWAN [3] определе- ны так называемые Spreading Factors (SF), или «коэффициенты расширения спектра». Спецификацией [4] их пред- усмотрено всего шесть – от SF7 до SF12. SF – это «скорость» изменения часто- ты в ЛЧМ-импульсе: чем выше SF, тем медленней меняется частота (см. рис. 2б). Изменение SF на единицу означа- ет увеличение длительности импульса в 2 раза. Для SF7 и полосы 125 кГц дли- тельность импульса минимальна и составляет 1,024 мс. Чем выше SF, тем медленней переда- ются данные, но тем выше способность системы распознать их без ошибок. SF каждому абонентскому устройству назначает сетевой сервер (NS – Network Server) по алгоритму ADR (Adaptive Data Rate – адаптивная скорость переда- чи данных) на основании измерений отношения сигнал-шум (SNR), выпол- ненных базовой станцией. Если або- нентские терминалы находятся в раз- ных радиоусловиях относительно базо- вой станции (например, одно – рядом с БС, другое – далеко, или одно – у окна квартиры, второе – за капитальной сте- ной), то передавать данные они будут с разными SF. При этом они не будут друг с другом интерферировать даже в случае наложения сигналов друг на друга по времени на одном частотном канале. Магия? Вовсе нет, ведь в силу разной скорости изменения часто- ты у передатчиков с разными SF такие устройства будут представлять друг для друга лишь узкополосную помеху, что, как уже было сказано выше, легко ком- пенсируется канальным кодированием. А что будет, если базовая станция примет одновременные сообщения от двух устройств с одинаковым SF? Да, будет коллизия, и либо одно, либо оба сообщения будут потеряны в результате интерференции. Однако это произой- дёт только на ОДНОЙ базовой станции, в то время как сигнал от каждого або- нентского LoRaWAN в профессиональ- но спланированной и грамотно постро- енной сети принимают минимум три БС (именно такое количество базо- вых станций необходимо для коррект- ной работы опции геолокации мето- дом TDoA (Time Difference of Arrival)). И если на одной БС возникнет кол- лизия, то приём сообщения успешно пройдёт через другие базовые станции. В сетевом сервере LoRaWAN даже суще- ствует специальный таймер (длитель- ностью 250 мс), чтобы дождаться, пока сообщение от определённого абонент- ского устройства будет получено всеми возможными БС, с целью выбрать среди них наилучшую (с точки зрения SNR) на случай, если потребуется отправ- ка сообщения от сети к датчику (под- тверждение приёма или МАС-команда). В исследовании [5], проведённом компаниями MachineQ и Semtech, установлено, что восемь восьмика- нальных БС LoRaWAN за сутки в состо- янии принять 1 млн сообщений от абонентских устройств. А если надо больше? Ответ простой: увеличивать количество базовых станций. Ведь в отличие от сотовых систем связи, БС LoRaWAN не ведут постоянного веща- ния пилотных (как в LTE) или широ- ковещательных (как в GSM) сигналов, так что установка новых базовых стан- ций не приводит к повышению вну- трисетевой интерференции. Основ- ную часть времени БС LoRaWAN работают на приём, а режим переда- чи включается лишь в редких случа- ях отправки команды управления или подтверждения приёма на абонент- ское устройство. Также для покры- тия помещений можно использовать репитер LoRaWAN (его спецификация на момент написания этого материа- ла находится на финальном утверж- дении в техническом комитете LoRa Alliance). Репитер позволит улучшить Немодулированный сигнал Модулированный сигнал Время Время Импульс 2 Импульс 1 Частота Частота Обрыв BW Частота f B f H f O Время SF7 SF8 SF9 а б BW