Узкополосные и широкополосные сети интернета вещей

Последнее время всё чаще возникают вопросы относительно отличий между существующими технологиями передачи данных, применяемыми для интернета вещей. При этом люди зачастую не понимают принципы лежащий в основе. Поэтому решение об использовании той или иной технологии во многих случаях принимаются не на основе реальных преимуществ, а маркетинга. За что потом приходится расплачиваться на этапе эксплуатации. В данной статье мы хотим кратко и наглядно описать основные отличия между ними.

Основное отличие между технологиями расширения спектра (Spread spectrum, wide band) и узкополосными приёмопередатчиками (Narrow band, иногда Ultra narrow band) лежит в названии — ширина канала передачи данных. Однако на практике мало кто понимает и придаёт особое значение этому аспекту. Хотя, это является основополагающим, т.к. это относится к 1 уровню сетевой модели OSI/ISO — физическому каналу передачи данных, всё остальное строится уже на этой основе.

Приведём простую и наглядную иллюстрацию узкополосных и широкополосных приёмопередатчиков. На рисунке ниже представлены каналы передачи данных (ширина по вертикали).  Соответственно, чем шире канал, тем больше данных можно передать в нём за единицу времени. Однако, в то же время, чем шире канал, тем больше шума попадает в полосу приёмника. Что, в свою очередь влияет на передачу данных в принципе — растёт количество «битых» пакетов, соответственно их надо передавать повторно, и в итоге скорость передачи данных падает, т.к. дополнительно возрастают накладные расходы на контроль и управление передачей данных (в традиционных сетях этим  занимается TCP). Этот момент очень важен, т.к. спектр частот разрешённый к использованию без лицензирования ISM (в РФ 433 и 868 МГЦ) ограничен и его используют все существующие устройства: охранные, пожарные сигнализации, системы управления и автоматизации, датчики и системы сбора информации и др.  Все эти устройства и данные от них в радиоэфире являются шумом для новой развёртываемой сети интернета вещей.

W_N

Особенно остро этот вопрос встаёт в густонаселённых городах (областных центрах и городах федерального значения). Устройства должны просто бороться между собой за радиоэфир. И тут мы приходим к следующему фактору на который многие также не обращают внимание. Чем шире канал передачи данных, тем больше не пересекающихся каналов можно уместить в разрешённом диапазоне ISM. Для примера разница может достигать 80 раз (500 кГц/6.25 кГц). Соответственно на той же самой территории можно разместить гораздо больше устройств с узкой полосой передачи данных. Для устранения данного фактора некоторые технологии, например LoRa использует кодовую модуляцию поверх своего канала. Это даёт определённый эффект, однако не всегда он оказывается достаточным (подробнее ниже), однако в тоже время ещё больше снижает скорость передачи данных.  В итоге можно привести наглядную аналогию:

  • Спектр частот  — дорога с ограниченной шириной (предположим 4 полосы),
  • Узкополосные приёмопередатчики — мотоциклисты, которых умещается много на дороге и которые движутся быстро, потому, что им никто не мешает,
  • Широкополосные приёмопередатчики — автобусы с одним пассажиром — их умещается гораздо меньше, кроме того они ещё и движутся гораздо медленнее,
  • Скорость передачи данных — скорость движения по дороге,
  • Пакет данных — человек, которого нужно доставить на другой конец дороги,
  • Помехи от сторонних устройств — ямы на дороге, возникающие динамически. Вероятность того, что мотоциклист попадёт в такую яму достаточно мала из-за его размеров (ширины канала), в тоже время автобус может не заметить яму и скомпенсировать потерю из-за своих размеров (дополнительной модуляции). Однако, если яма достаточно велика, то мы можем потерять несколько быстрых мотоциклистов или же уже целый автобус. В последнем случае потеря будет гораздо более заметна из-за того, что потребуется отправить заново целый автобус с одним пассажиром, в то время как на той же самой площади может уместить несколько мотоциклистов (использование ширины дороги). Аналогично со скоростью — в случае медленного автобуса — потери будут больше, т.к. нужно будет затратить больше времени на передвижение (использование временного разделения).

Bikes_Busses

Тут можно сделать несколько важных выводов:

  • узкополосные приёмопередатчики гораздо более эффективны с точки зрения использования частотного диапазона,
  • узкополосные приёмопередатчики более эффективны с точки зрения использования временного диапазона (скорости передачи данных),
  • как следствие первых 2 пунктов узкополосные приёмопередатчики более эффективны с точки зрения скорости передачи данных,
  • технология кодового разделения снижает скорость передачи данных за счёт снижения скорости передачи данных.

Вернёмся к вопросу эффекта от использования дополнительной кодовой модуляции и эффективности применения этого технологии на практике. В 2016 году один дистрибьютор из Санкт-Петербурга провёл сравнение узкополосных технологий (SigFox, Thread) с широкополосными (LoRa). Наиболее интересная (практическая) часть начинается с 18:44.

Как видно, при всего 3% перекрытия ширины канала LoRa теряет связь уже на 300 метрах прямой видимости. В условиях плотной городской застройки это очень и очень мало. Создание глобальных сетей уровня района или города становиться практически невозможным, т.к. при отсутствии прямой видимости (из-за стен, перекрытий) дальность упадёт ещё больше. Максимум на что можно рассчитывать — дом или другое строение.

Также рекомендуем ознакомиться с записью вебинара в целом. В нём описаны и другие важные факторы влияющие на работу беспроводных приёмопередатчиков: чувствительность, избирательность, помехоподавление, энергоэффективность.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s