Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Metoda zwiększenia odległości w sieciach WSN Transmisja wieloskokowa (ang. multi-hop) Sensor Koordynator / Brama 2

Transmisja radiowa Według Frank Karlsen, Nordic VLSI, Zalecenia projektowe dla tanich systemów, bezprzewodowej transmisji danych cyfrowych, EP 2/2002 str. 93-95 i EP 3/2002 str. 97-99 3

Najważniejsze parametry systemu RF dbm logarytmiczna jednostka miary mocy odniesiona do 1 Moc mw wyjściowa nadajnika (db odniesiony do mw stąd nazwa dbm). Moc wyrażona w dbm określa o ile decybeli moc ta jest większa (lub mniejsza) od mocy 1 mw. Przykładowo 100 mw przeliczona na dbm wynosi: 10 * log 10 (100mW/1mW) = 10 * log 10 (100) = 10 * 2 = 20 dbm Przy czym: P [dbm] 30 = [dbw] Moc wyjściowa nadajnika Czułość odbiornika Minimalna wartość mocy sygnał przy założonym współczynniku błędu w bitach BER (ang. Bit Error Rate zwykle 10-3) 4

Porównanie wybranych parametrów wybranych układów RF Typ układu Max. moc wyjściowa Czułość odbiornika Pasmo radiowe Prąd TX [ma] Prąd RX [ma] CC1000 +10 dbm -110 dbm < 1 GHz 26,7 9,6 CC1101 +12 dbm -116 dbm < 1 GHz 34,2 14,7 CC2500 +1 dbm -104 dbm 2,4 GHz 21,5 19,6 CC2420 0 dbm -95 dbm 2,4 GHz 17,4 18,8 CC1200 +15 dbm -123 dbm < 1 GHz 49 23 MRJ24J40 0 dbm -95 dbm 2,4 GHz 23 19 nrf24l01p 0 dbm -94 dbm 2,4 GHz 11,3 13,5 Si4455 +13 dbm -116 dbm < 1 GHz 18 10 Podane parametry układów RF poza pasmem (i z reguły poza mocą wyj.) zależą głównie od wybranego pasma i modulacji 5

Zysk energetyczny anteny Zysk energetyczny anteny (ang. antenna gain Gant) interpretuje się jako zdolność anteny do przekształcania mocy wyjściowej w emitowaną energię. Zysk anteny jest proporcjonalny do jej fizycznego rozmiaru Ae i odwrotnie proporcjonalny do kwadratu długości fali częstotliwości nośnej λ. Przykład dla uzyskania zysku anteny o wartości 1 (0 db) dla pasma 433 MHz (długość fali 0,69 m), potrzebna jest powierzchnia skuteczna anteny równa 0,038 mkw (np. 0,19 m x 0,19 m) zaś dla pasma 868 MHz (0,35 m) 0,001 mkw (np. 0,1m x 0,1m). Zwykle takie rozmiary są zbyt duże a mniejsza antena oznacza straty energii. Powszechnie stosowaną jest antena pętlowa, łatwa do wykonania bezpośrednio na płytce drukowanej. 6

Najważniejsze parametry systemu RF Energia generowana przez antenę izotropową Gęstość mocy generowanej przez nadajnik Energia otrzymywana przez odbiornik (Straty transmisyjne) Według Frank Karlsen, Nordic VLSI, Zalecenia projektowe dla tanich systemów, bezprzewodowej transmisji danych cyfrowych, EP 2/2002 str. 93-95 i EP 3/2002 str. 97-99 7

Przykład sieci - ZigBee Mesh Cluster Tree ZigBee Coordinator ZigBee Router ZigBee End Device 12-2016 Zygmunt Kubiak 8

Metoda zwiększenia odległości w sieciach LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network) LoRa - transmisja jednoskokowa (ang. single-hop) Sensor Koordynator / Brama 9

LoRa (ang. Long Range) protokół transmisji radiowej na duże odległości dla potrzeb IoT Sieć o konfiguracji gwiazdy jednoskokowa (ang. one-hop) Odległości do kilkunastu kilometrów Moc wyjściowa nadajników do +20 dbm (100 mw) Wysoka czułość odbiorników do -148 dbm (0,01µV/50Ω) Specjalna modulacja 10

LoRa (ang. Long Range) protokół transmisji radiowej na duże odległości dla potrzeb IoT Opatentowana metoda modulacji, oparta na technologii rozpraszania widma CSS (ang. Chirp Spread Spectrum) W Europie wykorzystywane jest pasmo 868MHz Maksymalna moc wyjściowa dozwolona w Europie przez ETSI wynosi +14 dbm, z wyjątkiem pasma G3, gdzie może wynosić do +27 dbm. Obowiązują również ograniczenia cyklu pracy LoRa definiuje dziesięć kanałów, z których osiem pracuje z prędkością od 250 b/s do 5,5 kb/s, jeden dla dużej prędkości 11 kb/s oraz jeden kanał z modulacją FSK i prędkością 50 kb/s 11

LoRa należy do osobistych sieci radiowych małej prędkości (ang. LR-WPANs - Low-Rate Wireless Personal Area Networks, nazewnictwo wg IEEE) LoRaWAN (ang. Long Range Wide Area Network) jest koncepcją rozległej komunikacji z wykorzystaniem Internetu i LoRa dla potrzeb Internetu Przedmiotów (IoT) 12

Architektura sieci LoRaWAN 13

Architektura sieci LoRaWAN Węzły LoRa nie są związane z określoną bramą transmisja może być jednocześnie odbierana przez kilka bram Węzły sieci są asynchroniczne i mogą transmitować dane gdy one będą gotowe do wysłania, wystąpiło kontrolowane przez węzeł zdarzenie według przyjętego harmonogramu 14

Architektura sieci LoRaWAN Każda brama przekazuje odebrany pakiet do serwera zarządzającego siecią Zadania serwera: filtruje pakiety usuwając nadmiarowe, przeprowadza kontrole bezpieczeństwa, realizuje potwierdzenia przez optymalne bramy, ustala prędkość transmisji itp. 15

Architektura sieci LoRaWAN Przyjęta zasada pracy węzłów końcowych w sieci LoRaWAN jest oszczędna dla baterii - węzły nie muszą się synchronizować co pochłania w innych sieciach sporo energii Brama musi mieć zdolność odbierania dużej liczby pakietów od węzłów końcowych - cel ten osiąga się przez dobór prędkości transmisji oraz przez wykorzystanie dostępnych kanałów 16

Architektura sieci LoRaWAN Klasy węzłów sieci LoRa Klasa A węzły z sensorami, zasilane bateryjnie (największe oszczędności energii ale należy liczyć się z możliwością wystąpienia większych opóźnień komunikacyjnych) Klasa B bateryjnie zasilanych węzłów z układami wykonawczymi - synchronizowana komunikacja w przydzielonych szczelinach czasowych co oznacza większe zużycie energii niż w klasie A ale zapewnia kontrolowane opóźnienia transmisji Klasa C - węzły z układami wykonawczymi, ze stałym zasilaniem, a dzięki możliwości ciągłego nasłuchu (poza krótkimi okresami nadawania) zapewnia najmniejsze opóźnienia transmisji 17

Architektura sieci LoRaWAN Bezpieczeństwo sieci - sprawdzenie autentyczności węzła w sieci Bezpieczeństwo warstwy aplikacji - operator sieci nie ma dostępu do danych aplikacji końcowego użytkownika Szyfrowanie AES z wykorzystaniem identyfikatora IEEE EUI 64 do wymiany kluczy 18

Architektura sieci LoRaWAN 19

Modulacja w technologii LoRa Świergotowe rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) Rozproszenie widma uzyskuje się poprzez zastąpienie sygnału reprezentującego bit danych przez sygnał sinusoidalny o narastającej częstotliwości świergocie (ang. chirp) CSS opracowano jeszcze w latach 40-tych ubiegłego wieku dla potrzeb radarów W systemach z rozpraszaniem widma stosuje się termin czip (ang. chip) na oznaczenie impulsu o czasie trwania krótszym, aniżeli czas trwania symbolu 20

Przykład modulacji FSK i GFSK Si4430/31/32 ISM TRANSCEIVER 21

Przykład modulacji DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z rozpraszaniem widma 22

Przykład demodulacji DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z rozpraszaniem widma 23

Przykład modulacji DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z rozpraszaniem widma Wielkość rozproszenia dla DSSS jest zależna od stosunku czipów przypadających na jeden bit Stosunek sekwencji czipów do żądanej szybkości transmisji danych, jest określana jako zysk przetwarzania GP (ang. Processing Gain) i jest zwykle wyrażana w db gdzie Duży zysk przetwarzania pozwala w odbiorniku poprawnie odzyskać transmitowane dane nawet wtedy, gdy SNR (stosunek sygnału do szumu w db) jest wartością ujemną Wprowadzenie kodu rozpraszającego powoduje wydłużenie transmisji 24

Modulacja w technologii LoRa Świergotowe rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) W modulacji świergotowej czipem nazywa się fragment sygnału świergotowego o czasie trwania T c zależnym od współczynnika rozproszenia SF {7,..., 12} według zależności: gdzie T s T s =2 SF T c jest czasem trwania symbolu Czip w modulacji LoRa może się zaczynać od dowolnej częstotliwości z obowiązującego zakresu, a gdy osiągnie maksimum, generowany jest sygnał od częstotliwości najniższej Czip w modulacji LoRa może się zaczynać od dowolnej częstotliwości z obowiązującego zakresu, a gdy osiągnie maksimum, generowany jest sygnał od częstotliwości najniższej 25

Modulacja w technologii LoRa Świergotowe rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) Przykładowy sygnał świergotowy i jego widmo 26

Modulacja w technologii LoRa Świergotowe rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) Rysunek przedstawia uproszczony przykład dla SF=2. Gwarantuje to pełen zakres częstotliwości dla każdego symbolu. 27

Modulacja w technologii LoRa Każdy symbol obejmuje więc pełen zakres częstotliwości pasma BW, stąd czas trwania symbolu T s definiuje się następująco: T s =2 SF /BW Stąd uzyskamy dla uzyskamy TC = 1/BW oraz szybkość modulacji RC = BW [czip/s] Szybkość bitowa Rb = SF/TS = SF/(2 SF /BW) Efektywna bitowa szybkość transmisji jest niższa uwzględnia współczynnik η, 28

Modulacja w technologii LoRa Świergotowe rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) - z patentu US7791415B2 Fractional-N synthesized chirp generator (publ. 7.9.2010) 29

Modulacja w technologii LoRa Świergotowe rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) - z patentu US7791415B2 Fractional-N synthesized chirp generator (publ. 7.9.2010) 30

12-2016 Zygmunt Kubiak 30

Obszar geograficzny Zasięg Pobór mocy Opóźnienia transmisji Szerokość pasma Liczba stacji bazowych Koszt abonamentu radiowego Koszt układu radiowego 31

IIPP 32

SX1272 - radiowy układ nadawczo-odbiorczy, niskiej mocy, dużego zasięgu, dla zakresu częstotliwości 860MHz do 1020MHz Modulacje: OOK, FSK, GFSK, MSK, LoRa Interfejs: SPI Czułość odbiornika: -137 dbm Moc wyjściowa nadajnika: do +20 dbm (100mW) Pobór prądu, nadawanie: +20 dbm 125mA, +7 dbm 18mA Pobór prądu, odbiór: ok. 11mA Szybkość transmisji: <300 kbps Zakres dynamiki RSSI: 127 db Wbudowany sensor temperatury Wbudowany wskaźnik niskiego napięcia baterii Prąd w stanie uśpienia: 1μA (typowo 0,1μA) Napięcie zasilania: 1,8V do 3,6V Cyfrowy syntezator częstotliwości z rozdzielczością 61 Hz 34

SX1272 - układ radiowy nadawczo odbiorczy realizujący funkcje modemu LoRa Maksymalna moc wyjściowa +20 dbm (100mW) Czułość odbiornika -137 dbm Zakres dynamiczny układu RF: 157 dbm (ang. maximum link budget) Programowalna szybkość transmisji do 300 kbs Prąd odbiornika: 10 ma Prąd nadajnika: 125 ma (+20 dbm), 18 ma (+7 dbm) Podtrzymanie rejestrów: 100nA Modulacje: FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK i LoRa Zakres dynamiczny RSSI: 127 dbm Długość pakietu do 256 bajtów łącznie z CRC Wbudowany sensor temperatury i wskaźnik baterii 36

Czułość odbiornika Pasmo 125 khz, SF = 6: -121 dbm Pasmo 125 khz, SF = 12: -137 dbm Pasmo 250 khz, SF = 6: -118 dbm Pasmo 250 khz, SF = 12: -135 dbm Pasmo 500 khz, SF = 6: -111 dbm Pasmo 500 khz, SF = 12: -129 dbm 37

Zakres współczynników rozpraszania (SF) 38

Sprawność kodu W systemie LoRa stosuje się nadmiarowy kod FEC (ang. Forward Error Correction) korygujący błędy Nadmiarowość CR określa się dla 4 bitów i przyjmuje z pięciu wartości CR {0,..., 4} Sprawność kodu η określa się następująco η=4/(4+cr) jedną 39

Wyjście układu SX1272 40

Wyjście układu SX1272 AFC ang. Automatic Frequency Correction AGC ang. Automatic Gain Control LNA ang. Low-Noise Amplifilter RSSI ang. Received Signal Strength Indicator 41

Struktura pakietu LoRa Preambuła domyślnie 12 symboli (od 6 do 65535 symboli) W zależności od trybu pracy dostępne są typy nagłówka (jawny i niejawny) Nagłówek zawiera informacje o: długości ładunku, kodzie FEC i opcjonalnie 16-bitowe pole CRC 42

Metoda rozpraszania widma z przeskokami częstotliwości FHSS (ang. Frequency Hopping Spread Spectrum) FHSS stosuje się zwykle aby ograniczyć czas zajętości kanału Fragmenty pakietu transmitowane są w różnych kanałach, zgodnie z przyjęta tabelą Czas pracy w danym kanale określony jest przez zmienną FreqHoppingPeriod, i jest całkowitą wielokrotnością okresu symbolu 43

Metoda rozpraszania widma z przeskokami częstotliwości (FHSS) w LoRa Przerwanie FhssChannelChange, generowane jest po przejściu do nowej częstotliwości 44

Przykłady modułów LoRa 45

Zygmunt Kubiak 54 12201 6