СТАНДАРТЫ РАДИОСВЯЗИ

     интересные РАДИОСХЕМЫ самодельные


» ПОИСК СХЕМ



» РАДИОБЛОГИ
Усилитель для петличного конденсаторного микрофона
Модуль повышающего преобразователя на UC3843A
USB-C: вывод питающего напряжения и распайка разъёма
Простой регулятор цветов светодиода RGB
Схема стабилизатора напряжения с 6,3 В на 5 В USB
Регулируемый источник питания до 24 Вольт
Как определить по виду модель светодиода Cree
Стабилизаторы тока с малым падением напряжения

СТАНДАРТЫ РАДИОСВЯЗИ


Популярность мобильных устройств и развитие Интернета вещей (IoT) означают, что современная электроника не может обойтись без радиосвязи. Более того, часто недостаточно реализовать только один из стандартов - нужно несколько, чтобы удовлетворить все потребности пользователей. Давайте обсудим действующие стандарты радиосвязи, узнаем чем они отличаются, и когда использовать какие из них.

Сети PAN, LAN, MAN, WAN

Радиосвязь делится на группы, в основном в зависимости от расстояния на котором должна вестись передача. Существуют сети PAN, LAN, WAN и MAN, в которых преобладают определенные типы протоколов.

  • Персональные сети (PAN) создаются с использованием всевозможных беспроводных интерфейсов, дальность передачи которых достигает нескольких метров. Bluetooth доминирует в этой области, но благодаря его развитию новые версии этого протокола также позволяют создавать гораздо более обширные сети.
  • LAN (Local Area Network) позволяет подключать устройства, расположенные в одной квартире или доме. Среди беспроводных решений наиболее очевидным протоколом для такой сети будет Wi-Fi, но все чаще, особенно в случае небольших энергоэффективных устройств, используются новые версии стандартов, такие как Bluetooth или другие облегченные радиоинтерфейсы.
  • WAN (Wide Area Network) обычно понимается как Интернет-интерфейс. В типичных реализациях для обеспечения подключения к глобальной сети используются проводные или сотовые сети.
  • MAN (Metropolitan Area Network), который уже потерял смысл, в основном из-за развития вышеупомянутых технологий. Идея сети MAN состоит в том, чтобы организовать собственную коммуникацию в районе многих зданий или даже всего города.

Bluetooth

Сегодня Bluetooth очень популярный протокол. Ежегодно создается 4 миллиарда устройств, совместимых с этим стандартом, а организация Bluetooth SIG объединяет 34 000 компаний. Хотя изначально создатели Bluetooth решили что это не будет универсальным протоколом, сейчас ситуация совсем иная. Стандарт Bluetooth Special Interest Group развился до версий 1.0, 1.2, 2.0, 2.1, 3.0, 4.0, 4.1, 4.2 и 5.0, а теперь есть и версия 5.1.

Решетчатая топология Bluetooth 5.0

Bluetooth работает в диапазоне ISM (промышленный, научный, медицинский; нелицензированный) на частотах около 2,4 ГГц. Его можно использовать, например, для передачи аудиосигналов на наушники или микрофоны, для связи с клавиатурами или мышками ПК; все эти функции заимствованы из старых времен Bluetooth Classic, то есть из периода до введения полностью инновационного расширения в виде Bluetooth Low Energy, доступного с момента появления версии Bluetooth 4.0. Именно технология Low Energy (теперь известная как Bluetooth Smart) обеспечила Bluetooth прочную позицию на рынке беспроводной связи.

Bluetooth Smart

Bluetooth 4.0 LE решил две основные проблемы, с которыми сталкивались пользователи этого интерфейса, из-за которых инженеры просто отказались от его реализации или стали искать альтернативы, такие как ZigBee или ANT.

Во-первых, было значительно снижено энергопотребление за счет уменьшения необходимости поддерживать соединение, и отпала необходимость в постоянном сопряжении устройств, которые уже были соединены вместе. Это сделало Bluetooth доступным для всех видов устройств, которые общаются только время от времени, передавая небольшие порции информации - и это тип связи, который является общим для многих устройств IoT. Bluetooth 4.0 LE сделан так, что производители электронных устройств сочли более невыгодным разрабатывать собственные коммуникационные технологии и искать альтернативы.

В настоящее время устройства все еще должны реализовать поддержку профилей BT, но это делается по гораздо более простому принципу, при котором отдельные устройства Bluetooth объявляют свои услуги единообразно. В результате, допустим, шагомер нового поколения сможет обмениваться данными не только с браслетом того же производителя, но и с любым другим диапазоном, поддерживающим Bluetooth 4.0 LE или новее. Для пояснения стоит добавить, что на рынке все еще существует термин Bluetooth Smart Ready, который включает самые универсальные устройства, то есть те, которые могут связываться как с гарнитурами работающими в соответствии с Bluetooth Classic, так и с датчиками Bluetooth Smart.

Методы AoA и AoD в Bluetooth 5.1

Спецификация Bluetooth 4.0 была представлена в 2010 году и постепенно обновлялась. При выборе коммуникационного модуля важно учитывать, с какой версией протокола он совместим. Некоторые из них просто имеют важные новые функции, а некоторые могут иметь большое значение из-за специфики конкретного проекта. В то же время на рынке доступны модули различных стандартов, но иногда производитель заявляет о возможности программного обновления данного модуля, чтобы он соответствовал более новому стандарту в будущем. 

Бывает и почти обратное - модуль будет изготавливаться по проекту стандарта который еще официально не утвержден. Здесь играет роль репутация производителя, потому что при нынешнем множестве поставщиков легко найти компанию которая больше заботится о временной прибыли, чем о долгосрочной.

Итак, в 2013 году был выпущен Bluetooth 4.1, который включал в протокол многочисленные программные изменения, но ни одно из них не было революционным. К наиболее важным относятся: ограничение помех в сотовых сетях 4G, автоматическое включение и выключение устройств, а также возможность одновременной работы в режиме сетевых хабов и периферийных устройств. Это может быть актуально для некоторых систем IoT, поскольку эти модификации Bluetooth позволяют называть его настоящим сетевым протоколом. Чуть более крупные изменения с точки зрения текущих приложений появились в версии 4.2, которая была разработана именно для Интернета вещей и опубликована в 2014 году. Были также введены механизмы для облегчения связи между устройствами Bluetooth и Интернетом.

Принцип работы сети 6LoWPAN

В 2017 появился стандарт Bluetooth 5.0, который легко найти в сетевых модулях и системах, доступных на рынке. Помимо очередного увеличения пропускной способности, увеличения скорости передачи и уменьшения задержек, была реализована поддержка сетей с ячеистой топологией. Таким образом, вероятно, была реализована последняя из функций, которая могла бы убедить некоторых дизайнеров использовать альтернативные решения. Поддержка ячеистых сетей (иногда называемых решетчатыми) сделала Bluetooth таким же высокоразвитым сетевым протоколом. Что также позволяет значительно расширить диапазон связи.

Внедрение Bluetooth 5.0 в группе устройств, распределенных достаточно равномерно на большой площади, обеспечивает связь между любыми из них, даже если расстояния между ними превышают максимальный диапазон прямой двухточечной передачи. Более того, данные больше не должны проходить через какой-либо центральный концентратор, а могут проходить по кратчайшим путям между любой парой устройств.

Протокол потока в модели OSI

Кстати, дальность передачи не только увеличилась, но и настраивается индивидуально. Разработчик может выбрать, предпочитает ли он снизить энергопотребление и, таким образом, уменьшить диапазон, или увеличить дальность передачи за счет увеличения потребления энергии. Допустимое расстояние и потребляемая мощность также зависят от пропускной способности, которой тоже можно управлять в стандарте Bluetooth 5.0.

Bluetooth 5.1

Последнее расширение, Bluetooth 5.1, было выпущено в 2019 году. Основное новшество - внедрение механизмов определения пространственной ориентации по входящим радиосигналам. Модуль BT 5.1 должен иметь возможность определять углы с которых приходят радиосигналы, благодаря чему устройства смогут определять не только расстояние, но и направление в котором находится другое устройство.

В идеале комбинация этих функций должна позволять позиционировать объекты с точностью до сантиметра. Но для этого потребуется соответствующая конструкция антенн. Одно из устройств должно быть оборудовано несколькими антеннами, и в зависимости от того, есть ли они у передатчика или приемника, Будет использоваться техника «Угол прихода» (AoA) или «Угол вылета» (AoD). Несомненно, хорошее использование этих новинок потребует от конструкторов больших навыков и, вероятно, стоит использовать готовые модули с правильно спроектированными антеннами. Тогда Bluetooth должен обеспечить точную навигацию в зданиях, например, в торговых центрах.

Еще одна новая функция - увеличение объема информации хранящейся в памяти, включая функции других устройств Bluetooth находящихся поблизости. Также был улучшен механизм объявления о доступности устройства, который в версии 5.0 требовал циклического переключения каналов 37, 38 и 39. В версии 5.1 порядок является случайным, поэтому вероятность того, что два устройства будут постоянно мешать их доступности, составляет значительно уменьшено. Более того, в протоколе Bluetooth 5.0 устройство могло предоставить другому информацию о расписании вещания своей службы. Это позволяет ограничить прослушивание этой информации определенными временными окнами и значительно сэкономить энергию. Правда принимая во внимание специфику и энергоэффективность самых маленьких устройств IoT, версия 5.1 вводит возможность передачи информации о расписаниях третьих устройств, поэтому, например, смартфон может узнать от одного датчика о том, когда следует прослушивать информацию от другого датчика.

ZigBee

ZigBee - прямая альтернатива Bluetooth версии 5.0 и выше. Хотя он восходит ещё к 2002 году, а первые продукты, совместимые с ZigBee, появились в 2006 году, этот стандарт в значительной степени далек от проторенного пути - за пределами основной области интереса для большей части электроники. Есть много причин для этого.

ZigBee сеть

В течение нескольких лет ZigBee использовался в умных домах, общественных зданиях, фабриках, умных городах и других крупных установках и транспорте. Но все время это были скорее промышленные устройства, и у них были свои правила. В промышленности внедрение новых электронных технологий происходит медленнее чем на потребительском рынке, а беспроводные технологии начали приниматься в промышленной среде намного позже, чем в устройствах, надежность которых не критична. Но в эпоху Интернета вещей ZigBee кажется сенсационным, готовым решением. Особенно выгодна возможность работы в ячеистых сетях, которая позволяет создавать очень обширные и надежные установки без строгого планирования архитектуры такой сети и обеспечения прямого подключения к шлюзам. Стандарт Bluetooth получил аналогичную возможность только в версии 5.0, а это означает, что подавляющее большинство устройств на рынке, которые используют Bluetooth, не могут использоваться для создания решетки. В случае ZigBee можно подключиться к существующей сети домашней автоматизации и использовать ее шлюзы.

Архитектура сети LoRaWAN

Кроме того, текущая версия стандарта, представленная в начале 2016 года и известная как ZigBee 3.0 или просто ZigBee, была разработана непосредственно с учетом приложений IoT. Это позволяет разработчикам продуктов и владельцам инфраструктуры создавать надежные сети и выбирать правильный баланс между сложностью безопасности и простотой установки.

ZigBee полезен для Интернета вещей и потому, что это открытый стандарт. Одни и те же продукты можно использовать практически во всем мире, что дает покупателям большой выбор. Многие поставщики компонентов в этой системе, которые работают вместе, гарантируют, что они не ограничены какой-либо конкретной торговой маркой или конкретными производителями полупроводников. ZigBee прост в установке и обслуживании, поскольку он основан на самоорганизующейся и самовосстанавливающейся топологии сети. Он шумостойкий, недорогой и легко масштабируется.

Максимальная скорость передачи данных в ZigBee составляет примерно 250 кбит / с на частоте 2,4 ГГц. Это означает, что ZigBee работает медленнее, чем другие популярные стандарты беспроводной связи, такие как Wi-Fi или Bluetooth, но это не имеет значения для типичных приложений IoT. ZigBee предназначен для передачи небольших пакетов данных в течение относительно длительных интервалов времени, которых обычно достаточно для сбора данных с датчиков температуры, датчиков безопасности, систем мониторинга качества воздуха и подобных подсистем. Между тем, низкая пропускная способность влияет на низкое энергопотребление, необходимое для работы системы, поэтому узлы ZigBee обычно могут работать в течение многих лет от одной батареи.

Типичный диапазон передачи одного устройства ZigBee составляет примерно от 10 до 15 метров, при этом если на пути сигнала нет препятствий. Но их можно легко обойти передав данные через другие сетевые узлы. ZigBee, особенно в версии 3.0, также безопасен благодаря использованию шифрования данных, аутентификации и проверки целостности с использованием 128-битного алгоритма AES-CCM, а также благодаря использованию других алгоритмов безопасности.

Также стоит упомянуть ZigBee Pro, который может одновременно работать в двух диапазонах ISM: 800-900 МГц, в соответствии с местными правовыми нормами, и 2,4 ГГц - во всем мире. Нижняя полоса облегчает передачу сигнала через препятствия в зданиях. ZigBee Pro позволяет производителям готовить устройства, которые работают в одной сети, но работают в разных диапазонах, благодаря чему они могут лучше справляться с проблемами, возникающими в их среде.

Z-Wave

Другой довольно старый протокол, но набирающий популярность только благодаря IoT, - это Z-Wave. Он восходит к прошлому веку, когда был разработан датской компанией Zensys для управления освещением. В настоящее время Z-Wave Alliance отвечает за разработку протокола, а Silicon Labs отвечает за техническую сертификацию.

Z-Wave сети

В Z-Wave используются частоты около 900 МГц, в зависимости от страны, в которой устройство будет работать. Скорость передачи может достигать 100 кбит / с, а дальность - 40 метров. Сеть имеет решетчатую топологию с этим источником сигнала, определяющим, где пакеты должны прибыть в пункт назначения. Разработка Z-Wave продолжается. В 2017 году уровень безопасности протокола был повышен. Количество продуктов, совместимых с Z-Wave, также быстро растет. Если два года назад их было 1700, то сейчас количество устройств Z-Wave уже перевалило за 2800.

6LoWPAN и Thread

На основе MAC-уровня протокола ZigBee были созданы другие решения, предназначенные для оптимизации связи между устройствами и Интернетом. Одним из них является 6LoWPAN (IPv6 по беспроводным персональным сетям с низким энергопотреблением), который позволяет каждому устройству назначать IP-адрес. Сам протокол 6LoWPAN реализует только один уровень связи, и на нем могут быть построены более полные протоколы, примером которых является Thread - стандарт, очень похожий на ZigBee.

Точность позиционирования в зависимости от срока службы батареи с использованием различных методов геолокации

И Thread, и ZigBee позволяют создавать беспроводные сети LAN с ячеистой топологией на основе решений, типичных для сетей PAN. Они используют один и тот же MAC-уровень (IEEE 802.15.4) на частоте 2,4 ГГц, что означает, что часто один и тот же радиочип может использоваться как для ZigBee, так и для Thread - все, что вам нужно сделать, это изменить программное обеспечение. Оба стандарта открыты и предназначены для аналогичных приложений и потребляют одинаковое количество энергии. Однако между ними есть существенные различия.

Thread использует более традиционный способ адресации устройств, чем ZigBee. Использование IPv6 в потоке означает, что адрес устройства можно использовать непосредственно в облаке, вместо того, чтобы переводить его в какой-либо другой локальный идентификатор, доступный на IP-адресе шлюза. Кроме того, ZigBee определяет специфику уровня приложения, который сообщает как приложения должны взаимодействовать друг с другом.

Если цель - создать устройство которое будет работать с другим устройством ZigBee, становится очевидным достижение ZigBee, но если в этом нет необходимости, то использование Thread предоставит нам больше возможностей. Он ничего не определяет на уровне приложения. Передаваемые пакеты могут содержать любую информацию без заранее определенного формата. Это делает стек потоков проще, чем в ZigBee. Во всяком случае это было одной из причин разработки этого протокола. Из-за своей сложности ZigBee работает немного медленнее, занимает больше памяти и, следовательно, может потребовать более крупный микроконтроллер, что не только увеличит стоимость, но может увеличить и энергопотребление.

Говоря о стоимости, следует упомянуть сертификацию. Чтобы создать устройство официально совместимое с ZigBee или Thread, необходимо получить соответствующий сертификат. Стоимость этой операции варьируется, и за нее несут ответственность другие организации. Для ZigBee это ZigBee Alliance, а для Thread: Thread Group.

LoRa и LoRaWan

LoRa - протокол канального уровня, который отлично подходит для беспроводной связи P2P между небольшими устройствами. Он основан на технологии CSS (Chirp Spread Spectrum). Этот метод десятилетиями использовался в военной сфере и в космонавтике. Его ключевое преимущество - возможность получения большой дальности передачи и устойчивость к помехам. Передача осуществляется в нелицензионных диапазонах, на частоте 868 МГц в Европе и 915 МГц в Америке. На практике LoRa используется в основном в сети LoRaWAN, спецификация которой также включает сетевой уровень и, таким образом, определяет метод обмена информацией между несколькими устройствами. LoRaWAN оптимизирован для минимизации потребления энергии.

LoRaWAN определяется как LPWAN (Low Power Wide Area Network), основана на звездообразной архитектуре. Это существенное отличие от ZigBee и Thread. Базовым элементом инфраструктуры этой сети является шлюз. Он обменивается данными по беспроводной сети с конечными узлами сети, то есть с конечными модулями IoT. С другой стороны, он использует более стандартные протоколы (такие как Ethernet, Wi-Fi или 3G) для подключения к сетевым серверам (облакам). Для конечных узлов шлюзы прозрачны - они только передают сообщение между устройствами и центральным сервером. Связь между узлами и шлюзами является двунаправленной, но также возможен многоадресный обмен сообщениями, то есть многим получателям одновременно. Безопасность данных гарантируется шифрованием 128-битным ключом AES128.

Архитектура сети LoRaWAN во многом напоминает сотовые телефонные сети, которые также основаны на сети базовых станций, постоянно расположенных в данной зоне. Только в отличие от GSM, модули LoRaWAN не устанавливают соединение с одной выбранной базовой станцией. Сигнал, передаваемый оконечным устройством, достигает всех станций в пределах диапазона передачи и обрабатывается ими. Это увеличивает устойчивость сети к ошибкам и сбоям, вызванным отказом одного элемента инфраструктуры. Только сетевой сервер устраняет повторяющиеся пакеты. Сервер, помимо фильтрации пакетов, также занимается определение скорости передачи данных, контроль безопасности и выбор оптимальных шлюзов для реализации передачи по нисходящей линии связи.

К основным преимуществам LoRaWAN можно отнести большой диапазон базовых станций - от примерно 15 км в неосвоенных районах, до 2-5 км в сильно урбанизированных. Одна базовая станция также может поддерживать до 20 000 конечных устройств. Скорость передачи данных в сети можно регулировать в диапазоне от 0,3 кб / с до 50 кб / с, в зависимости от наличия среды связи.

Карта станций The Things Network

В 2017 году была опубликована техническая спецификация протокола LoRaWAN 1.1, что повысило его привлекательность. Внесены три основных изменения: поддержка роуминга передачи обслуживания, геолокации модуля и нового класса конечных узлов (класс B).

Новый активный роуминг является альтернативой ранее использовавшемуся пассивному роумингу. Конечные узлы сети назначаются определенной домашней сети. Если они находятся за пределами диапазона этой сети, находясь в пределах диапазона другой сети LoRaWAN, для установления соединения им придется использовать инфраструктуру этой новой сети, то есть роуминг. 

Текущая спецификация LoRaWAN позволяла только поддерживать ситуацию, когда контроль над конечным устройством по-прежнему осуществлялся сервером домашней сети, и связь с устройством должна была быть перенаправлена на него. Начиная с версии 1.1, можно полностью передать управление конечным устройством в чужую сеть. Роль сервера домашней сети берет на себя сервер внешней сети.

Внедрение функции геолокации было вполне очевидным шагом, поскольку оно просто использовало тот факт, что в сети LoRaWAN сигнал передаваемый конечным узлом принимается и обрабатывается всеми базовыми станциями в пределах досягаемости. К кадру, передаваемому модулями, была добавлена ??отметка времени, на основе которой базовые станции, такие как, например, приемники системы спутниковой навигации, могут вычислить разницу между временем передачи и временем приема кадра. Исходя из этого, используя показания с четырех базовых станций (с синхронизированными часами), сервер может точно определить местоположение модуля. Благодаря этому использование сети LoRaWAN позволяет отказаться от приемника GNSS, поскольку требования к точности и доступности местоположения невелики.

Классы и типы устройств LoRaWAN

Теперь про разделение устройств LoRaWAN на классы. Сетевые узлы могут относиться к одному из трех классов, в зависимости от их применения. Классы определяют время прослушивания, когда это устройство может получить сообщение от базовой станции. Увеличение времени прослушивания передачи уменьшает задержку с которой можно связаться с модулем, но увеличивает потребность в электроэнергии, таким образом сокращая время работы при использовании энергии батареи. Напротив, связь по восходящей линии связи (от узлов к базовой станции) инициируется в каждом конкретном случае (независимо от класса узла) конечными устройствами в зависимости от их потребностей.

  • К классу А относятся устройства с наиболее низким энергопотреблением, то есть с наименьшей доступностью. Они слушают сигналы только сразу после того, как их собственная передача закончилась. Этот класс в основном используется для различных типов датчиков.
  • Класс B был введен в протокол LoRaWAN 1.1. Устройства этого класса, как и в случае класса A, могут принимать непосредственно после окончания своей собственной передачи, но, кроме того, они также открывают окна приема в заранее запланированное время. Чтобы базовая станция могла обмениваться данными с модулем во время этого дополнительного окна, необходима временная синхронизация между устройствами.
  • Устройства класса C способны принимать сигнал почти все время, кроме случаев когда они передают сами. Это связано с самым высоким энергопотреблением, но обеспечивает немедленную двустороннюю связь без каких-либо дополнительных задержек.

Помимо конечных устройств, существуют также шлюзы, сетевые серверы и серверы приложений. Шлюзы также известны как модемы и точки доступа, поскольку они получают данные передаваемые конечными узлами, используя LoRaWAN. Эти сообщения часто преобразуются в пакеты, которые можно отправлять по традиционным IP-сетям. Таким образом, шлюз подключается к веб-серверу, на который он пересылает все сообщения. Все сложные операции и интеллектуальные алгоритмы реализованы на веб-сервере. Именно здесь происходят более сложные процессы, связанные с обработкой данных. Он отвечает за перенаправление и передачу данных в соответствующие приложения. Определяет, какой шлюз лучше всего подходит для маршрутизации сообщения, пересылаемого на выбранный узел, и удаляет повторяющиеся сообщения, если есть случаи, когда данные от узла были переданы на сервер через более чем один шлюз. Он также расшифровывает сообщения отправленные с конечных узлов и шифрует информацию, отправляемую узлам. Шлюзы обычно подключаются к веб-серверу с помощью зашифрованного IP-соединения (интернет-протокола). Сеть обычно включает в себя интерфейс для наблюдения за работой и установкой новых шлюзов, позволяющий сетевому контроллеру управлять ими, устранять проблемы, обнаруживать сбои, отслеживать возникающие аварийные сигналы.

Наличие базовых станций означает, что LoRaWAN может быть связан с сотовыми сетями. А по сути - уже созданы сервисы, под которые пользователи могут пользоваться готовой инфраструктурой, а не сами ее организовывать. Вероятно самая известная сеть такого типа - The Things Network. Она создана сообществом дизайнеров, которые решили добавить свои инсталляции в эту глобальную сеть. Альтернативной сетью является поддерживаемая Netemer, но небольшая сеть.

Sigfox

Если The Things Network кажется привлекательным решением для создаваемого приложения, но не охватывает область в которой должны работать разработанные устройства, и создание собственных базовых станций не является вариантом, стоит обратить внимание на сеть Sigfox. Это и название стандарта, и название французской компании, которая разработала и внедрила такую сеть, а теперь предоставляет с ней платные услуги. Сеть Sigfox изначально была разработана для подключения устройств передающих небольшие пакеты данных. Структура сети аналогична структуре сотовой телефонной сети. Устройства взаимодействуют с использованием технологии UNB (Ultra Narrow Band) в нелицензируемом диапазоне 868 МГц. Создатели стремились использовать полосу с максимально возможной длиной волны, что позволяет получить максимально возможную дальность действия без использования промежуточных устройств. Компания заявляет что сообщения, отправленные устройствами Sigfox, могут в идеальных условиях перемещаться на расстояние до 1000 километров, и каждая базовая станция может обрабатывать до миллиона объектов, потребляя лишь 1/1000 энергии, необходимой для типичной базовой станции используемой в мобильной телефонии.

Принцип работы сети Sigfox

Основное различие между сетью Sigfox и решениями, предлагаемыми операторами связи, заключается в том что она была предназначена для небольших пакетов данных, в то время как другие сети по определению ориентированы на передачу больших объемов данных с оптимальным использованием ресурсов. Базовые станции Sigfox могут обрабатывать сообщения длиной 12 байт, но не более 140 сообщений в день, отправляемых одним устройством. Это немного, но давайте посмотрим на длину сообщения под другим углом: 12 байтов позволяют записать целое число в диапазоне от 0 до 4096. Если решим, что одно число является контрольным кодом или результатом измерения, такое ограничение не будет проблемой. Фрейм Sigfox вместе с данными необходимыми для управления передачей не превышает 26 байт. Для сравнения, протокол IP имеет 40-байтовый заголовок - даже когда передается только 12 байтов фактических данных. Это приводит к снижению энергопотребления и увеличению срока службы батареи. Компания заявляет, что используемые таким образом передающие модули могут проработать до 20 лет при питании от двух батареек AA.

Расширение сети Sigfox началось во Франции. В настоящее время компания работает более чем в 60 странах мира, большинство станций находится в Западной Европе. В некоторых странах она действует не напрямую, а через третьи компании, выступающие в качестве официальных операторов и посредников. Вероятно это связано с быстрым развитием сотовых технологий LTE для небольших устройств.

Бизнес-модель принятая Sigfox предполагает, что предприятие будет оператором сети и ее серверов. Устройства, используемые в сети, должны быть сертифицированы, а сам сертификат легче получить при использовании предварительно сертифицированных модулей. Их выпускают несколько производителей. Принятая стратегия заключается в том, чтобы поддерживать низкие цены на устройства, взаимодействующие с сетью, что привлечет пользователей. Сама компания Sigfox зарабатывает деньги как оператор сети и серверов, взимая с пользователей сети небольшую абонентскую плату, которая умноженная на количество устройств, дает соответствующий финансовый результат. Другими словами Sigfox не занимается сетевым оборудованием и не хочет зарабатывать на нем деньги, а только сосредоточивается на своей роли стандартного разработчика и оператора сети. В результате принятия такой модели работы, любой пользователь, желающий использовать сеть Sigfox в своем приложении, должен работать напрямую с Sigfox или его официальным представителем - другого варианта нет. Это существенное отличие от технологии LoRa и сети LoRaWAN.

Сетевые сервисы Sigfox выполняются в облаке. Клиенты и партнеры Sigfox используют облако для получения сообщений, а также для управления сетевыми объектами. Доступ к данным, выставлению счетов, управлению устройствами и пользователями, картам и другим функциям доступен в облачном сервисе Sigfox с помощью трех интерфейсов - веб-портала, API, который позволяет автоматический доступ ко всем службам портала с помощью скриптов и функций обратной связи, которые позволяют автоматически получать информация о новых событиях в режиме PUSH.

У Sigfox есть прямые конкуренты. Одной из компаний, которые пытались действовать по аналогичному принципу, была Neul, в которой Huawei играла ключевую роль. Формально компания все еще существует, но все указывает на то, что она отказалась от своей деятельности в пользу сотовой передачи 4G и 5G.

Еще одна компания которая позиционирует себя как прямых конкурентов Sigfox, - это Link Labs. Модули, разработанные специально для этой сети - Symphony Link. Она рекламируется как более надежная чем Sigfox, из-за 100% подтверждений всех переданных пакетов. Конечно, это также более дешевое и более энергоэффективное решение, чем использование сотовых сетей, и связь осуществляется на частотах 868 МГц или 915 МГц.

Wi-Fi

Все описанные до сих пор стандарты ориентированы на низкое потребление энергии за счет сильно ограниченной пропускной способности. Если доступ к электричеству не является проблемой или устройство требует более быстрой передачи данных, стоит обратиться к Wi-Fi. На рынке параллельно действуют несколько поколений этого стандарта. Самые дешевые модули будут совместимы со стандартом IEEE 802.11n и его старыми версиями. Спецификация IEEE 802.11n была выпущена в 2009 году, но она была такой новой и довольно хорошо доработанной, и поэтому очень успешной. В результате, несмотря на то, что ей уже 10 лет, она по-прежнему популярна.

Wi-Fi сеть

IEEE 802.11n поставляется в нескольких версиях, которые в разной степени используют MIMO. Умножение потоков передачи позволяет увеличить максимальную теоретическую пропускную способность со 150 Мбит / с до 300 Мбит / с, с 450 Мбит / с до 600 Мбит / с. Это означает, что в зависимости от конфигурации антенны соответствующий модуль IEEE 802.11n будет иметь разную скорость передачи данных.

Конечно на практике такая пропускная способность нереальна, но в хороших условиях можно получить скорость передачи до 100 Мбит / с, что сопоставимо с наиболее популярном проводном Ethernet. Спецификация Wi-Fi n также охватывает передачу не только в диапазоне 2,4 ГГц, но и 5 ГГц.

IEEE 802.11ac и 802.11ax

Стандарт IEEE 802.11ac становится все более популярным, который, благодаря использованию даже 160-мегагерцовых каналов и 8-кратного MIMO, теоретически позволяет передавать до 3,5 Гбит / с, но это ненастоящие значения, которые можно получить в реальных условиях. Следующим поколением стандарта является версия IEEE 802.11ax, также известная как Wi-Fi 6, с теоретической пропускной способностью превышающей 10 Гбит / с, но спецификация этого стандарта еще официально не утверждена. Правда это не мешает некоторым производителям микросхем выводить на рынок новые устройства, изначально совместимые со стандартом IEEE 802.11ax. Аналогично было с Wi-Fi n и Wi-Fi ac, потому что основные характеристики стандарта обычно не меняются задолго до его окончательного утверждения.

IEEE 802.11ah и 802.11af

Развитие рынка Интернета вещей, потребности которого отличаются от потребностей домашних компьютерных сетей, привело к появлению энергоэффективных вариантов с низкой пропускной способностью в семействе протоколов Wi-Fi. Они сводятся к двум стандартам:

  • IEEE 802.11ah, также известный как HaLow и предназначенный для передачи на большие расстояния,
  • IEEE 802.11af, также известный как White-Fi, адаптирован для тех же целей, что и HaLow, но работает на неиспользуемых телевизионных диапазонах.

Чтобы увеличить относительно небольшой диапазон популярных сетей Wi-Fi, HaLow работает на частоте 900 МГц. Устройства, использующие этот стандарт, просыпаются по определенному расписанию, когда они могут получить информацию.

С другой стороны, сети 802.11af работают на разных частотах от 54 МГц до 790 МГц. Такой необычный прицел затрудняет использование этого стандарта в международном масштабе. Заполняемость этих диапазонов будет отличаться не только в зависимости от страны, но и региона. Во многих странах дополнительно требуется лицензия на передачу таких радиоволн.

ANT и ANT+

Из-за спроса на энергоэффективную радиосвязь и возможности взимания лицензионных сборов, на рынке появилось много других, менее популярных стандартов беспроводной передачи. Каждый из них имеет разное происхождение.

Например на рынке потребительских фитнесбраслетов можно встретить протокол ANT, разработанный компанией ANT Wireless, входящей в группу Garmin. Связь ANT происходит в диапазоне 2,4 ГГц и напоминает Bluetooth LE. Сеть может быть организована в топологии «точка-точка», «звезда», «дерево» или «решетка». Расстояние прямой передачи составляет до 30 метров, а допустимая полоса пропускания - 60 кбит / с. Доступна расширенная версия ANT +, которая не связана с большей эффективностью, а включает только изменения на уровне приложений, так что разные устройства могут совместно обрабатывать данные от других датчиков ANT +. В настоящее время устройства с интерфейсом ANT выпускают более 170 компаний.

Mi-Wi

Те кто используют модули Microchip, могут использовать протокол Mi-Wi, который был разработан для облегчения создания недорогих коммерческих и домашних радиосетей. Он предназначен для обеспечения связи между системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и сигнализацией. На физическом уровне он похож на ZigBee (на основе IEEE 802.15.4), но может работать на частотах 2,4 ГГц и в диапазоне ISM ниже 1 ГГц.

Только стек протоколов Mi-Wi намного меньше стандартных реализаций ZigBee, несмотря на поддержку решетчатой топологии. В типичных случаях для программного кода достаточно всего 20 КБ памяти.

DASH7

Протокол DASH7 Alliance Protocol (D7A), разработанный альянсом DASH7 Alliance и основанный на ISO 18000-7, это открытый стандарт для сенсорных сетей работающих на частотах 433 МГц, 868 МГц и 915 МГц, то есть в нелицензируемом диапазоне.

Дальность передачи составляет до 5 км, а главное преимущество этой технологии - короткие задержки, несмотря на очень низкое энергопотребление. По этой причине стандарт рекомендуется использовать в движущихся устройствах. Он имеет открытый, очень легкий стек протоколов, 128-битное шифрование AES и скорость передачи до 167 кбит / с. Максимальный размер пакета составляет 256 байт. Устройства могут создавать сети p2p, звездообразные или древовидные. Стандарт постоянно развивается - вот и версия 1.1 вышла пару лет назад.

DigiMesh

Стандарт DigiMesh работает аналогично MiWi. Это альтернатива ZigBee, доступная в модулях Digi. Он отличается от ZigBee, среди прочего типом узлов - все они равны и работают в решетчатой ??топологии. Отличительной особенностью DigiMesh является использование дополнительных синхронизированных циклов сна, благодаря которым устройства просыпаются одновременно и не должны ждать друг друга, поэтому дольше остаются в режиме работы с очень низким энергопотреблением.

EnOcean

Интересная, но не очень популярная технология - EnOcean. Она была принята в качестве стандарта ISO 14543-3-10 как метод передачи данных на короткие расстояния, оптимизированная для устройств, получающих энергию из окружающей среды. EnOcean была разработана одноименной немецкой компанией. Данные передаются на частотах 902 МГц, 928 МГц, 868 МГц и 315 МГц в виде пакетов размером 14 байт со скоростью 125 кбит / с. На практике энергия для передачи радиоволн расходуется только при передаче битов.

   Форум




   Форум по обсуждению материала СТАНДАРТЫ РАДИОСВЯЗИ


МОДУЛЬ ДРАЙВЕРА МОТОРА BLDC

Модуль драйвера BLDC двигателя жесткого диска - принципиальные электрические схемы включения и обзор готовых блоков.


СТАНДАРТЫ РАДИОСВЯЗИ

Обсудим действующие стандарты радиосвязи, узнаем чем они отличаются, и когда использовать какие из них.


РАДИОПРИЕМНИКИ: ВИДЫ И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Радиоприемники - обзор базовых конфигураций приёмной аппаратуры, этапы развития схемотехники.



Радиосхемы » Теория электроники



» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ


© 2010-2021 "Радиосхемы". Все права защищены  Почта  PDA   Группа вконтакте   Канал ютуб   Группа в фэйсбук