1 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaZygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

2 IoT / Transmisja radiowa małej mocyMetoda zwiększenia odległości w sieciach WSN Transmisja wieloskokowa (ang. multi-hop) Sensor Koordynator / Brama Zygmunt Kubiak

3 IoT / Transmisja radiowa małej mocyWedług Frank Karlsen, Nordic VLSI, Zalecenia projektowe dla tanich systemów, bezprzewodowej transmisji danych cyfrowych, EP 2/2002 str i EP 3/2002 str Zygmunt Kubiak

4 IoT / Transmisja radiowa małej mocyNajważniejsze parametry systemu RF Moc wyjściowa nadajnika Czułość odbiornika Minimalna wartość mocy sygnał przy założonym współczynniku błędu w bitach BER (ang. Bit Error Rate zwykle 10-3) dBm – logarytmiczna jednostka miary mocy odniesiona do 1 mW   (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 * log10(100mW/1mW) = 10 * log10(100) = 10 * 2 = 20 dBm Przy czym: P [dBm] – 30 = [dBW] Zygmunt Kubiak

5 IoT / Transmisja radiowa małej mocyPorównanie wybranych parametrów wybranych układów RF Podane parametry układów RF poza pasmem (i z reguły poza mocą wyj.) zależą głównie od wybranego pasma i modulacji Typ układu Max. moc wyjściowa Czułość odbiornika Pasmo radiowe Prąd TX [mA] RX [mA] CC1000 +10 dBm -110 dBm < 1 GHz 26,7 9,6 CC1101 +12 dBm -116 dBm 34,2 14,7 CC2500 +1 dBm -104 dBm 2,4 GHz 21,5 19,6 CC2420 0 dBm -95 dBm 17,4 18,8 CC1200 +15 dBm -123 dBm 49 23 MRJ24J40 19 nRF24L01P -94 dBm 11,3 13,5 Si4455 +13 dBm 18 10 Zygmunt Kubiak

6 IoT / Transmisja radiowa małej mocyZysk 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. Zygmunt Kubiak

7 IoT / Transmisja radiowa małej mocyNajważniejsze parametry systemu RF Energia generowana przez antenę izotropową Gęstość mocy generowanej przez nadajnik Energia otrzymywana przez odbiornik (wzór Friis’a) (Straty transmisyjne) Według Frank Karlsen, Nordic VLSI, Zalecenia projektowe dla tanich systemów, bezprzewodowej transmisji danych cyfrowych, EP 2/2002 str i EP 3/2002 str Zygmunt Kubiak

8 IoT / Transmisja radiowa małej mocyWzór Friis’a Podwojenie odległości między nadajnikiem i odbiornikiem oznacza czterokrotne zmniejszenie mocy na wejściu odbiornika Oznacza to, że z energetycznego punktu widzenia tańszym rozwiązaniem jest retransmisja pakietu niż zwiększenie mocy nadajnika W przypadku rutingu pojawiają się dodatkowe koszty związane z odkrywaniem trasy do węzła docelowego sieci Zygmunt Kubiak

9 IoT / Transmisja radiowa małej mocyPrzykład sieci - ZigBee ZigBee Coordinator ZigBee Router ZigBee End Device Mesh Cluster Tree Zygmunt Kubiak

10 IoT / Transmisja radiowa małej mocyMetoda zwiększenia odległości w sieciach LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network) LoRa - transmisja jednoskokowa (ang. single-hop) Sensor Koordynator / Brama Zygmunt Kubiak

11 IoT / Transmisja radiowa małej mocy Przykład sieci LPWAN - LoRaLoRa (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 Zygmunt Kubiak

12 IoT / Transmisja radiowa małej mocy Przykład sieci LPWAN - LoRaLoRa (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 Zygmunt Kubiak

13 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaLoRa 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) Zygmunt Kubiak

14 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaArchitektura sieci LoRaWAN Zygmunt Kubiak

15 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaArchitektura 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 Zygmunt Kubiak

16 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaArchitektura 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. Zygmunt Kubiak

17 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaArchitektura 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 Zygmunt Kubiak

18 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaArchitektura 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 Zygmunt Kubiak

19 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaArchitektura 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 Zygmunt Kubiak

20 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaArchitektura sieci LoRaWAN Zygmunt Kubiak

21 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaModulacja 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 Zygmunt Kubiak

22 IoT / Transmisja radiowa małej mocyPrzykład modulacji FSK i GFSK Si4430/31/32 ISM TRANSCEIVER Zygmunt Kubiak

23 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaPrzykład modulacji DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z rozpraszaniem widma Zygmunt Kubiak

24 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaPrzykład demodulacji DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z rozpraszaniem widma Zygmunt Kubiak

25 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaPrzykład 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 Zygmunt Kubiak

26 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaModulacja w technologii LoRa „Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) W modulacji świergotowej czipem nazywa się fragment sygnału świergotowego o czasie trwania Tc zależnym od współczynnika rozproszenia SF ∈ {7, , 12} według zależności: Ts=2SF∙Tc gdzie 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 Ts Zygmunt Kubiak

27 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaModulacja w technologii LoRa „Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) Przykładowy sygnał świergotowy i jego widmo Zygmunt Kubiak

28 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaModulacja 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. Zygmunt Kubiak

29 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaModulacja w technologii LoRa Każdy symbol obejmuje więc pełen zakres częstotliwości pasma BW, stąd czas trwania symbolu Ts definiuje się następująco: Ts=2SF/BW Stąd uzyskamy dla uzyskamy TC = 1/BW oraz szybkość modulacji RC = BW [czip/s] Szybkość symboli Rs = 1/TS = 1/(2SF/BW) Efektywna bitowa szybkość transmisji jest wyższa, uwzględnia współczynnik η, współczynnik SF Przykład: BW = 250 kHz, SF = 12 to Ts = 16ms, RC = 250 kczip/s, Rs = 62,5 symboli/s Zygmunt Kubiak

30 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaModulacja w technologii LoRa „Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) - z patentu US B2 „Fractional-N synthesized chirp generator” (publ ) Zygmunt Kubiak

31 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaModulacja w technologii LoRa „Świergotowe” rozpraszanie widma (ang. Chirp Spread Spectrum, CSS) - z patentu US B2 „Fractional-N synthesized chirp generator” (publ ) Zygmunt Kubiak

32 Moduły RF Zygmunt Kubiak 30

33 Moduły RF Zasięg Obszar geograficzny Pobór mocy Opóźnienia Szerokośćtransmisji Szerokość pasma Liczba stacji bazowych Koszt układu radiowego Koszt abonamentu radiowego Zygmunt Kubiak 31

34 SX1272 Zygmunt Kubiak IIPP 32

35 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)SX radiowy układ nadawczo-odbiorczy, niskiej mocy, dużego zasięgu, dla zakresu częstotliwości 860MHz do 1020MHz Modulacje: OOK, FSK, GFSK, MSK, LoRa Interfejs: SPI Czułość odbiornika: 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 Zygmunt Kubiak

36 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech) Zygmunt Kubiak

37 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)SX 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 Zygmunt Kubiak

38 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)Czułość odbiornika Pasmo 125 kHz, SF = 6: dBm Pasmo 125 kHz, SF = 12: dBm Pasmo 250 kHz, SF = 6: dBm Pasmo 250 kHz, SF = 12: -135 dBm Pasmo 500 kHz, SF = 6: dBm Pasmo 500 kHz, SF = 12: -129 dBm Zygmunt Kubiak

39 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)Zakres współczynników rozpraszania (SF) Zygmunt Kubiak

40 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)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 jedną z pięciu wartości CR ∈ {0, , 4} Sprawność kodu η określa się następująco η=4/(4+CR) Zygmunt Kubiak

41 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)Przykładowe parametry transmisji uzyskane na podstawie kalkulatora Semtech Zygmunt Kubiak

42 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)Wyjście / wyjście układu SX1272 Zygmunt Kubiak

43 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)Wejście układu SX1272 AFC – ang. Automatic Frequency Correction AGC – ang. Automatic Gain Control LNA – ang. Low-Noise Amplifilter RSSI – ang. Received Signal Strength Indicator Zygmunt Kubiak

44 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)Struktura pakietu LoRa Preambuła – domyślnie 12 symboli (od 6 do 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 Zygmunt Kubiak

45 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)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 Zygmunt Kubiak

46 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)Metoda rozpraszania widma z przeskokami częstotliwości (FHSS) w LoRa Przerwanie FhssChannelChange, generowane jest po przejściu do nowej częstotliwości Zygmunt Kubiak

47 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaPrzykłady modułów LoRa Zygmunt Kubiak

48 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaPrzykłady modułów LoRa Zygmunt Kubiak

49 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaPrzykłady modułów LoRa Zygmunt Kubiak

50 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaPrzykłady modułów LoRa Zygmunt Kubiak

51 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaPrzykłady modułów LoRa Zygmunt Kubiak

52 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaPrzykłady modułów LoRa Zygmunt Kubiak

53 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRaPrzykłady modułów LoRa Zygmunt Kubiak

54 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)Przykłady modułów LoRa Zygmunt Kubiak

55 IoT / Transmisja radiowa małej mocy LoRa SX1272 (f. Semtech)Przykłady modułów LoRa Zygmunt Kubiak

56 Zygmunt Kubiak