Дальняя РЧ-связь: почему узкополосное решение фактически стало стандартом?

Терье Лассен (Terje Lassen)

Дальность связи — ключевой параметр системы беспроводной связи. Во многих случаях требования к дальности действия системы становятся решающим фактором при выборе РЧ-решения. В данной статье мы возьмём за основу типичные требования, предъявляемые к счётчику газа или воды, способному поддерживать связь на частотах радиодиапазона, чтобы рассмотреть варианты решений дальней РЧ-связи. Но рассматриваемые факторы применимы и к большинству других типов РЧ-узлов, питающихся от аккумуляторов. Счётчики воды или газа, которые часто называют расходомерами, питаются от аккумуляторов, и обычно требуется, чтобы они работали без замены аккумуляторов в течение 10-20 лет. Такой большой срок службы сильно ограничивает выбор архитектуры сети. Чтобы гарантировать необходимое время работы от аккумулятора, такие счётчики в основном используются в топологии сети типа «звезда», так как использование этих счётчиков в качестве репитеров/маршрутизаторов сделает недетерминированным время их работы от аккумуляторов и затруднит выполнение требований к продолжительности работы от аккумуляторов.

Развёрнутая сеть состоит из множества счётчиков и нескольких концентраторов для сбора данных измерений. Концентратор обычно представляет собой более дорогой узел, чем счётчик, поскольку меньшие объёмы дают возможность реализовать более совершенные устройства радиосвязи (например, программноопределяемую радиосистему), сильноточные малошумящие усилители (МШУ) (обычно питающиеся от сети), применить лучшие антенные технологии, фильтры на ПАВ и т. д. Чтобы получить большую зону покрытия, для концентратора также необходимо найти выгодное с точки зрения радиосвязи место. В таких местах для базовых станций обычно сравнительно высокая годовая арендная плата, поэтому количество концентраторов должно быть как можно меньшим. При использовании топологии сети типа «звезда» чем больше дальность действия каналов РЧ-связи, тем меньше концентраторов требуется.

По сути дела, дальность определяется скоростью передачи данных. Существует несколько технических решений, позволяющих увеличить дальность за счёт снижения скорости передачи данных. В данной статье сравниваются два решения: пропорциональное изменение полосы пропускания приёмного устройства в соответствии с сигналом для снижения уровня шума, воспринимаемого приёмником (узкополосная система), и добавление эффективного кодирования к сигналу высокой скорости для борьбы с высоким уровнем шума в широкополосном приёмнике. Показано, что добавление эффективного кодирования в случае дальней связи отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках системы, а именно:

  • Значительно снижается эффективность использования спектра, т. е. уменьшается количество устройств, которые могут поддерживать связь в данном районе, вопреки наблюдающейся в отрасли тенденции к увеличению количества узлов, работающих в диапазоне радиочастот (РЧ).
  • Ухудшается совместимость (защита от помех) устройств, что ведёт к снижению надёжности связи и уменьшению количества устройств в данном районе.
  • Сокращается время работы от аккумуляторов, так как сигналы с эффективным кодированием требуют очень длинной лидирующей последовательности для восстановления информационного сигнала при очень сильной шумовой составляющей.

Узкополосная связь — проверенный способ дальней РЧ-связи, который обеспечивает превосходную работоспособность и возможность расширения систем по сравнению с системами, основанными на принципах эффективного кодирования.

Дальность действия: сравнение узкополосного решения и решения с применением эффективного кодирования

При данной выходной мощности (часто она определяется нормативными требованиями к РЧ-связи, установленными правительством) дальность действия канала РЧ-связи определяется скоростью передачи данных, т. е. меньшая скорость передачи данных позволяет получить большую дальность связи благодаря большей чувствительности приёмника. Конечно, ещё существует определённый компромисс, поскольку очень низкие скорости передачи данных означают большее время этой передачи, что в свою очередь сокращает продолжительность работы аккумулятора. Если используются очень длинные блоки передаваемых данных, это также повышает вероятность того, что на них повлияют помехи, создаваемые другими беспроводными системами.

Диапазон ниже 1 ГГц

Низкая мощность. Надёжность. Дальний радиус действия

Таким образом, в системах большого радиуса действия на практике обычно используются более или менее низкие скорости передачи данных до ~1 кбит/с, чтобы достичь оптимального баланса между дальностью действия и временем передачи. Узкополосная технология с большой дальностью действия и обоснованно низкой скоростью передачи данных широко используется в промышленности, так как обеспечивает оптимальное соотношение между дальностью и временем передачи.

Узкополосными считаются системы, имеющие полосу пропускания менее 25 кГц, и они обеспечивают превосходный энергетический потенциал линии связи благодаря низкому уровню внутриполосного шума на приёмной стороне (узкополосные фильтры на приёмной стороне устраняют большую часть шумов). Чаще всего используется разнесение каналов в 12,5 кГц при ширине полосы пропускания приёмника 10 кГц. Примерами таких систем являются устройства радиосвязи, используемые полицией и службами обеспечения безопасности, морские системы связи, системы оповещения населения в чрезвычайных ситуациях и системы нового стандарта беспроводной связи — беспроводной M-bus (wM-Bus) диапазона 169 МГц, используемые в Европе в приборах учёта. В wM-Bus узкая полоса в диапазоне 169 МГц была выбрана для того, чтобы получить максимальную дальность связи для счётчиков воды и газа, чтобы можно было развернуть стационарные сети с очень малым числом концентраторов.

Как указывалось выше, существует фундаментальная зависимость дальности действия связи от скорости передачи данных. Альтернативой узкополосной связи является использование широкополосной связи с высокой скоростью передачи данных и применение эффективного кодирования. Использование эффективного кодирования не повышает чувствительность или дальность действия, это просто ещё один способ представления данных. При данной чистой скорости передачи данных/пропускной способности узкополосные системы и системы с эффективным кодированием имеют примерно одинаковые радиусы действия. Легче всего это пояснить на примере.

Ключевым параметром РЧ-системы является полоса пропускания на приёмной стороне (RXBW). Полоса пропускания на приёмной стороне — это основной фактор при установлении уровня шума в системе; P дБм = -174 + 10log10 (RXBW), то есть уровень шума зависит от полосы пропускания на приёмной стороне (-174 дБм — уровень теплового шума при комнатной температуре в полосе шириной 1 Гц). С помощью этой формулы мы можем рассчитать уровень шума для различных каналов:

Канал шириной 1 МГц: P дБм = -174 + 10log10 (1 МГц) = -114 дБм
Канал шириной 100 кГц: P дБм = -174 + 10log10 (100 кГц) = -124 дБм
Канал шириной 10 кГц: P дБм = -174 + 10log10 (10 кГц) = -134 дБм

Как видно из приведённого выше, 10-кратное увеличение RXBW увеличивает уровень шума на 10 дБ. Чтобы получить такую же дальность действия, как у узкополосной системы с полосой 12,5 кГц без кодирования, в системе с полосой 100 кГц выигрыш от кодирования должен быть 10 дБ, а в системе с полосой 1 МГц — 20 дБ. Этот пример показывает, что эффективное кодирование не даёт повышения чувствительности по сравнению с узкополосной системой, это просто другой способ представления данных. Добавление большего выигрыша от кодирования не поможет, потому что тогда придётся либо снизить чистую скорость передачи данных, либо увеличить RXBW в соответствии с сигналом. Важно понимать эту фундаментальную взаимосвязь, оптимизируя системы дальней РЧ-связи.

Недостатки решений с эффективным кодированием

Главным недостатком решения, использующего эффективное кодирование, является очень низкая эффективность использования спектра. Вышеприведённый пример наглядно показывает это. Сравним отправку сигнала со скоростью 1 кбит/с в канале шириной 10 кГц с помощью узкополосной системы и отправку такого же сигнала со скоростью 1 кбит/с в канале шириной 100 кГц с добавлением эффективного кодирования. Нерациональное использование спектра совершенно очевидно, поскольку приходится отправлять резервированные данные в коде, чтобы компенсировать более высокий уровень шума. Легко увидеть, что в ту же полосу в 100 кГц, используемую для передачи сигнала с кодированием, может поместиться 10 узкополосных каналов.

Таким образом, пропускная способность сети — это основной недостаток решений с эффективным кодированием.

Повышение чувствительности на приёмной стороне при меньшей эффективности использования спектра (при более широкой полосе пропускания) за счёт расширения спектра противоречит нормативным требованиям и общепринятому в промышленности стремлению к более эффективному использованию спектра. Рост спроса на беспроводную связь породил увеличение спроса на использование спектра радиосвязи по всему миру. Правительства и регулирующие органы оказывают все большее давление, стремясь повысить эффективность использования спектра системами радиосвязи.

Сужение полосы до 12,5 кГц и даже сверхсужение до 6,25 кГц является хорошо зарекомендовавшиме себя решением для повышения эффективности использования спектра.

  • Предписание Федеральной комиссии по связи по сужению полосы: с 1 января 2013 г. все наземные мобильные системы радиосвязи, используемые службами общественной безопасности и в промышленности и работающие в диапазонах радиосвязи 150-512 МГц, должны работать, используя технологию с эквивалентной эффективностью не ниже, чем у системы с полосой 12,5 кГц, то есть должны иметь пропускную способность не менее 9,6 кбит/с на канал шириной 12,5 кГц.

Это предписание является результатом усилий, прилагаемых Федеральной комиссией по связи для того, чтобы добиться более эффективного использования спектра и повысить доступность спектра, что фактически запрещает использование в США схем с выигрышем от кодирования на частотах ниже 512 МГц. Аналогичные тенденции прослеживаются и в Европе, и в других регионах — стимулировать эффективное использование спектра путём принятия соответствующих нормативных требований.

Совместимость

При использовании эффективного кодирования можно применять несколько ортогональных кодов в одном и том же канале, но тогда защита их друг от друга обеспечивается только эффективным кодированием. В приведённом примере выигрыш от кодирования в 10 дБ даст защиту менее чем в 10 дБ от помех, создаваемых другим прибором учёта, который использует тот же канал. Узкополосная система на основе интеллектуального РЧ-трансивера SimpleLink™ CC1120, работающего в диапазоне до 1 ГГц, обеспечивает защиту до 65 дБ от смежного/соседнего канала — то есть разница в 55 дБ по сравнению с решением на основе эффективного кодирования. 55 дБ даст существенную разницу в надёжности и совместимости в реальных сетях, превратившись в 55-дБ повышение чувствительности при наличии помех.

На рисунке 1 приведено сравнение двух сценариев: первый — без помех, второй — с помехами. Сравнение показывает, что худшие показатели совместимости напрямую связаны со снижением дальности действия связи.

 Типичный пример систем аварийной сигнализации без помех (вверху) и с помехами (внизу)

Рисунок 1. Типичный пример систем аварийной сигнализации без помех (вверху) и с помехами (внизу), показывающий важность характеристик совместимости для работы системы

Пример, приведённый на рисунке 1, показывает, что можно иметь 10 узкополосных систем, работающих в той же полосе частот, что и система с кодированием, имеющая полосу в 100 кГц, но вы очень быстро столкнётесь с серьёзными проблемами из-за помех, если попытаетесь использовать хотя бы две системы с кодированием в одной и той же полосе частот.

Кроме того, продолжительность передачи кодированного сигнала делает его уязвимым к помехам, создаваемым другими сигналами (конфликты передачи). Поскольку система работает с низкой скоростью при широкой полосе пропускания, можно легко показать математически, что такая система устойчива к одному узкополосному источнику помех. Такой сценарий показан на рисунке 2 слева. Кодированный сигнал (серый) сможет работать, даже если имеется узкополосный источник помех (красный). Ввиду использования широкой полосы этот сценарий нельзя считать актуальным.

 Широкополосная система с кодированием и узкополосная помеха

Рисунок 2. Широкополосная система с кодированием и узкополосная помеха

Как видно на рисунке 2 справа, поскольку используемая полоса велика, а скорость передачи данных низкая (то есть сигнал передаётся долго), велика вероятность возникновения конфликта с несколькими узкополосными источниками помех. С такой ситуацией невозможно справиться с помощью эффективного кодирования, и она существенно уменьшит дальность действия системы с кодированием.

Время передачи

Поскольку чистая скорость передачи данных/пропускная способность одинакова в обоих сценариях, полезная нагрузка пакета данных будет иметь примерно одинаковую длину. Но сигналы, которые получит приемник, будут совершенно разные. Рассмотрим глазковые диаграммы, изображённые на рисунке 3.

 Глазковые диаграммы некодированного и кодированного сигналов

Рисунок 3. Глазковые диаграммы некодированного и кодированного сигналов

Диаграмма слева соответствует узкополосному сигналу, и на ней можно видеть открытие «глаза» с чётким различением нулей и единиц в пакете, то есть «глаз открыт». Такой сигнал может быть надёжно принят с заголовком всего в четыре бита с помощью эффективной технологии WaveMatch, реализованной в интеллектуальных РЧ-трансиверах CC1120/CC1200 производства Texas Instruments.

Справа изображена та же глазковая диаграмма для системы, использующей эффективное кодирование. Как и ожидалось, сигнал не виден, поскольку «похоронен» под шумом. Чтобы извлечь какую-нибудь значимую информацию из такого сигнала, сначала нужно точно синхронизировать его со схемой кодирования, чтобы получить требуемый выигрыш от кодирования. Само собой, для этого потребуется очень длинный заголовок или лидирующая последовательность перед тем, как можно будет принять собственно данные. При использовании схем с высоким коэффициентом выигрыша от кодирования лидирующая последовательность, несомненно, будет преобладающей частью сообщения, что ещё больше уменьшит эффективность использования спектра.

Сравнение фактической длины пакета в сценариях с кодированным и некодированным пакетами приведено на рисунке 4.

 Формат пакета

Рисунок 4. Формат пакета, Р=заголовок, S=слово синхронизации/SFD

Длинная лидирующая последовательность оказывает сильное негативное влияние на продолжительность работы аккумулятора, так как необходимо передавать много резервированной информации, чтобы приёмник мог извлечь желаемый сигнал из-под шума. Связь между скоростью кодирования и длиной лидирующей последовательности не является линейной. Например, увеличение вдвое скорости кодирования или уменьшение наполовину чистой скорости передачи данных с целью получения лучшей чувствительности увеличит длину лидирующей последовательности намного больше, чем вдвое, ещё больше снизив тем самым эффективность использования спектра и продолжительность работы аккумулятора.

Точность настройки частоты

Недостатком узкополосной системы традиционно являются высокие требования к кварцевому генератору РЧ. Частотная погрешность кварцевого генератора РЧ приводит к смещению запрограммированной радиочастоты. Если смещение становится слишком большим, сигнал выпадает из канала и будет отфильтрован мощными фильтрами на приёмной стороне. Традиционные узкополосные системы обычно используют термостабилизированные кварцевые генераторы (TCXO). Они были дороже, чем стандартные кварцевые генераторы, но в настоящее время эта разница существенно сократилась. Однако на сегодня точность стандартных кварцевых генераторов сильно улучшилась, и в сочетании с передовой технологией WaveMatch и фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ) с обратной связью по смещению частоты, которые реализованы в семействе интеллектуальных трансиверов CC1120/CC1200 для диапазона до 1 ГГц, узкополосную систему можно спроектировать и со стандартным кварцевым генератором.

При типичной топологии сети типа «звезда» погрешности установки частоты также можно достаточно просто компенсировать за счёт более жёсткого допуска в концентраторе.

Работоспособность технологии и практически достижимая дальность действия

Интеллектуальные РЧ-трансиверы CC1120/CC1200 являются частью доминирующего семейства стандартизованных, открытых решений на основе узкополосной технологии с частотной манипуляцией (ЧМ) для дальней связи. Узкополосная технология хорошо известна, апробирована, поддерживается многими поставщиками массовой продукции, что важно для обеспечения работоспособности в долгосрочной перспективе, дальнейшего совершенствования изделий и уровня цен на системы.

Texas Instruments нацелена на создание комплексного решения для системы, чтобы обеспечить высокие рабочие характеристики радиосвязи в реальных условиях эфира. Это включает в себя недорогие опорные разработки с использованием высокоэффективных печатных антенн, документацию с широким набором материалов по применению и проектированию, сетевые ресурсы и мощную глобальную поддержку, чтобы обеспечить максимальную дальность действия любой конкретной системы. Texas Instruments также уделяет серьёзное внимание испытаниям в реальных условиях эксплуатации, что нашло своё отражение в видеоматериалах по практически достижимой дальности действия при использовании CC1120, которые имеются на сайте www.ti.com

Испытания практически достижимой дальности действия при использовании нового стандартного комплекта CC112x: видео, демонстрирующее дальность действия связи более 25 км в Кейптауне, ЮАР, при использовании скорости передачи данных 1,2 кбит/с и выходной мощности 14 дБм.

Заключение

Таблица.

Параметр Узкополосная технология Широкополосная технология с кодированием
Эффективность использования спектра Высокая Очень низкая
Защита от других каналов 65 дБ (лучшая на рынке) 10-20 дБ (очень слабая)
Длина заголовка / лидирующей последовательности Короткий, до 4 бит Очень длинный, обычно десятки-сотни байт
Эффективность использования аккумулятора Хорошая, передача и приём данных полезной нагрузки преобладают Низкая, преобладают передача
и приём лидирующей последовательности
Доступность Поддерживается многими поставщиками, проверенная на практике технология Единственный источник, решение защищено
правом интеллектуальной собственности,
закрытый IP
Точность настройки частоты При использовании новых функциональных возможностей,
таких как WaveMatch и обратная связь для ФАПЧ,
требования к точности установки частоты
кварцевого генератора значительно снижаются,
можно отказаться от TCXO
Обычно можно использовать стандартный
кварцевый генератор

В статье проведено сравнение узкополосной системы и широкополосной системы с кодированием для дальней связи. В сравнительной таблице показано, что фактически узкополосная технология является стандартом дальней связи ввиду превосходных рабочих характеристик, достигаемых в современных РЧ-системах. Подробнее о РЧ-решениях малой мощности Texas Instruments для узкополосных сетей, пожалуйста, смотрите сайт www.ti.com/rfperformanceline.