Сравнение производительности обычных беспроводных модулей 2.4G и модулей 2.4G-LoRa

Сравнение характеристик 2.4G-Lora и обычного 2.4G

　　Продукт серии E28, выпущенный Chengdu Ebyte Electronic Technology Co., Ltd., представляет собой модуль передачи с технологией Lora spread spectrum, разработанный для диапазона 2,4 ГГц. Технология LoRa Direct Sequence Spread Spectrum обеспечивает большую дальность связи и имеет преимущества более широкого спектра мощности и сильной помехоустойчивости. Модуль имеет аппаратный алгоритм прямой коррекции ошибок FEC, который имеет высокую эффективность кодирования и сильную возможность исправления ошибок. В случае внезапных помех он может активно исправлять пакеты данных с помехами, что значительно повышает надежность и дальность передачи.

　　что такое LoRa?

　　Lora, сокращение от long range, — это технология беспроводной связи на большие расстояния с низким энергопотреблением. В 2009 году французская компания cycleo разработала превосходный алгоритм связи с расширенным спектром. Позже компания была приобретена американской компанией Semtech, которая выпустила чип Lora в 2013 году. В настоящее время Semtech является единственным поставщиком чипов Lora.

　　Преимущества LoRa

　　Самым большим преимуществом Lora является передача на большие расстояния, которая использует усиление с расширенным спектром, а ее дальность передачи примерно в 3 раза больше, чем у FSK; во-вторых, она имеет низкое энергопотребление, хотя ее дальность связи может достигать 5 км, она по-прежнему сохраняет хорошие энергосберегающие характеристики; в-третьих, она работает в свободном диапазоне частот ISM, что открывает для обычных людей удобные возможности использования беспроводной сети и значительно снижает стоимость прокладки сети.

　　Секрет низкого энергопотребления LoRa

　　Скорость передачи является ключевой переменной в проектировании системы. Она будет определять многие атрибуты общей производительности системы. Расстояние беспроводной передачи определяется чувствительностью приемника и выходной мощностью передатчика. Разница между ними называется бюджетом связи. Выходная мощность ограничена стандартной спецификацией, поэтому расстояние может быть увеличено только за счет увеличения чувствительности, а на чувствительность влияет скорость передачи данных. Для всех методов модуляции, чем ниже скорость, тем уже полоса пропускания приемника и тем выше чувствительность приема. Наиболее широко используемый метод модуляции в современных экономичных беспроводных трансиверах — это FSK или GFSK. Единственный возможный способ дальнейшего уменьшения полосы пропускания приемника системы FSK — это повышение точности опорного кристалла.

　　Мы знаем, что расстояние и энергопотребление являются естественным противоречием в системах связи. Когда мощность передачи уменьшается, расстояние распространения должно быть близким. Так как же LoRa разрешает это противоречие? Основная причина заключается в том, что LoRa повышает чувствительность приемника, который имеет сильный бюджет связи и не требует высокой мощности передачи. Чувствительность приемника LoRa обусловлена технологией прямого последовательного расширения спектра. LoRa использует высокий коэффициент расширения для достижения более высокого усиления сигнала. Как правило, отношение сигнал/шум FSK требует 8 дБ, в то время как LoRa требуется только -20 дБ. При тех же условиях скорости передачи данных коммерческий недорогой метод модуляции с расширением спектра может получить на 8-10 дБ более высокую чувствительность, чем традиционный метод модуляции FSK. По сравнению с системой FSK, при использовании того же недорогого кристалла, этот новый метод расширения спектра повышает чувствительность на 30 дБ, что теоретически эквивалентно увеличению расстояния передачи в 5 раз.

　　Почему сверхнизкое энергопотребление? Разве существующая технология, такая как ZigBee, уже не является сверхнизким энергопотреблением?

　　Очень важно выбирать универсальные и недорогие батареи в потребительских и коммерческих продуктах. В настоящее время текущая технология связи 2.4G на рынке использует батарейки-таблетки для связи на расстоянии всего десяти метров, и практически невозможно общаться после прохождения через стену. Если используется батарейка-таблетка, ток импульса излучения должен контролироваться в пределах 10-35 мА, а рабочий ток контролируется в пределах 2-5 мА. Таким образом, большое количество батарей-таблеток серии CR может использоваться для внешнего дизайна, коммерциализации и глобальной логистики. Обеспечивает хорошую основу. И такой ток передачи гарантирует отсутствие слепых зон на вилле, в здании фабрики или дома. В настоящее время это может сделать только технология 2.4G-LoRa. Основываясь на реализации физического уровня 2.4G-LoRa, энергопотребление RX и TX значительно ниже, чем у Zigbee и Wireless HART; ток сна составляет всего 200 нА.

　　Технология 2.4G

　　2.4G — это беспроводная технология. Поскольку ее диапазон частот находится между 2,400 ГГц и 2,4835 ГГц, ее кратко называют беспроводной технологией 2.4G. Это одна из трех основных беспроводных технологий на рынке (включая Bluetooth, 27M, 2.4G). Чаще всего используется в беспроводных клавиатурах и мышах.

　　Функции

　　1. Продукты 2.4G широко используются, и некоторые чипы имеют хорошую производительность, но цена относительно высока, и их трудно ввести в массовую продукцию. Чтобы снизить затраты, модули JF24D используют соединение кристаллов. Хотя индекс производительности немного ниже, чем у представителя nRF2401 CC2500 A7105, его цена намного ниже, чем у них, что может полностью удовлетворить приложения для продуктов ближнего действия, которые обычно требуют двусторонней передачи данных и двустороннего дистанционного управления. Продукты с одинарной передачей и одинарным приемом относительно просты в использовании. Когда подается питание и передается сигнал, сигнал выводится при приеме. Чисто аппаратный продукт передает в одном направлении. Для выполнения функций отправки и приема ему не требуется поддержка программных средств.

　　2. Продукты 2.4G более сложны. ЦП в чипе нуждается в поддержке программного обеспечения, а инструкции однокристального микрокомпьютера могут использоваться для завершения функции двусторонней передачи и приема. Продукты Single-single-received имеют низкую стоимость и широко используются, но существуют серьезные неизбежные помехи внутри канала. Как правило, продукты 2.4G имеют функции скачкообразной перестройки частоты, которые имеют от десятков до 100 каналов, чтобы избежать помех. Однако сложные программы продуктов 2.4G сделали некоторых инженеров, которые не понимают микроконтроллеры, робкими. В то же время энергопотребление и стоимость продуктов 2.4G, а также проникающая способность стены также повлияли на популярность продуктов низкого уровня.

　　Для сравнения сравниваются технология 2.4G-LoRa и наиболее представительные модули серии E28 SX1280 и серии E01 nRF24L01 + технологии 2.4G.

　　1. Расширенный спектр: LoRa — это технология модуляции с расширенным спектром. С помощью модуляции с расширенным спектром можно получить выигрыш в кодировании, поскольку сигнал может быть принят с отрицательным отношением сигнал/шум. В то же время, при отсутствии помех, это эквивалентно приему в условиях шума, а в случае помех в соседнем канале это эквивалентно приему требуемой мощности сигнала, которая слабее сигнала помехи.

　　2. Низкая пропускная способность: есть два преимущества в уменьшении пропускной способности. Во-первых, меньшая пропускная способность уменьшает влияние соседних сигналов, тем самым уменьшая вероятность стать жертвой помех. Если мы сравним пропускную способность сигнала LORA с более широкой полосой сигналов Wi-Fi, мы обнаружим, что даже очень широкий сигнал LORA занимает лишь небольшую часть канала Wi-Fi.

　　Это приводит нас ко второму преимуществу. Мощность сигналов Wi-Fi распределяется по каналу Wi-Fi. Поэтому энергия, видимая в более узкой части этого канала, будет небольшой частью этой энергии.

　　Проще говоря, даже в случае внутриканальных помех мы подвергаемся воздействию лишь небольшой части мощности сигнала, то есть небольшой части мощности принимаемого нами сигнала Wi-Fi.

　　3. Технология прямой коррекции ошибок и чередования: Еще одним преимуществом модема LoRa является наличие технологии FEC (прямой коррекции ошибок) и чередования. Прямая коррекция ошибок позволяет вводить избыточную информацию в сообщение, что позволяет изменять и восстанавливать поврежденные конечные биты.

　　Даже ошибки последовательных битов FEC (т. е. соседние поврежденные биты) являются наиболее сложными для исправления. По этой причине используется метод чередования. Это метод перераспределения информации в пакете, чтобы после восстановления вероятность ошибок из соседних бит была меньше.

　　4. Частичная устойчивость к потере символов: в дополнение ко всем преимуществам, упомянутым ранее в физическом уровне LoRa, стоит также отметить, что мы можем потерять до половины символов LoRa, прежде чем потеряем данные в символах. В случае анти-глушения это дает нам огромную анти-глушильную способность (в некоторых случаях более 100 децибел).