ההשפעה של FSK Modulation על Power Efficiency ברשתות חיישן אלחוטיות

רשתות חיישן אלחוטיות (WSN) מהוות את עמוד השדרה של אינספור יישומים מודרניים, מחקלאות מדויקת ואוטומציה תעשייתית לתשתיות חכמות ול ניטור סביבתי.רשתות אלה מורכבות מאבני חיישן אוטונומיות מבוזרות מרחבית שמשתפות פעולה לאיסוף ומעבירות נתונים פיזיים. A המגדירה את ה- WSNsss היא תקציב האנרגיה החמור הזמין לכל צומת דרכים המופעלות על ידי סוללה מרחוק או בלתי נגיש, מהביצועים של מערכת ההפעלה הנוכחית של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה WSTM, ולכן יש צורך לבצע כל מכשיר אבטחה משמעותית של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה הנוכחית של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה WSKSTM של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה הנוכחית של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה WSTM של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה WSKSKSKSKSTM של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה WSTM (R.

תוצאות של FSK Modulation

FSK היא טכניקת מודולציה דיגיטלית שבה התדר המיידי של גל הסינוסדי עובר בין קבוצה של ערכים דיסקרטיים לייצג נתונים בינאריים.בצורה הפשוטה ביותר שלה, Binary FSK (BFSK) משתמש בשני תדרים נפרדים: תדירות אחת מעידה על יעילות לוגיקה FLT:0FLT:1 ותדירות אחרת מעידה על לוגיקה:2F1: 3D) מאפשר למקסימום את משך הזמן הזה, אפילו לנפח את המאפיין קבוע.

Binary FSK ו- M-ary FSK

Binary FSK הוא הגרסאות הנפוצות ביותר ברדיוס של כוח נמוך WSN בגלל הפשטות והחוסנות שלו. עבור יישומים הדורשים שיעורי נתונים גבוהים יותר בתוך רוחב פס קבוע, M-ary FSK משתמש יותר משני תדרים, משדר מספר ביטים לסימון (למשל, 4FSK מעביר שני סיביות לסמל על ידי בחירת אחד מארבעת התדרים בעוד M-SK משפר את היעילות הגבוהה ביותר עבור CSK) לאבחון (R) בתדירות גבוהה יותר של תפקוד נמוך יותר.

יתרון לא-Coherent Detection

אחד היתרונות החזקים ביותר של מערכות מפונק אנרגיה הוא שניתן להרוס באמצעות טכניקות לא-קוהרנטיות. הדגמה לא-קורנטית אינה דורשת סינכרוניזציה בשלב מדויק בין המשדר למקבל.זה מבטל את הצורך בלולאה שאינה מובעת בשלב (PLL) במקלט, שהיא אחד המרכיבים הדומיננטיים ביותר במניפסט ובמקלט (התוצאה הסופית של כוח), אשר לעיתים קרובות היא צמצום כוח עליון או מצמצם את הפחתת כוח הפחתת כוח.

FSK ב Power-Consated Wireless Sensor

WSNs פועל תחת מגבלות הדוקות: שיעורי נתונים נמוכים (בדרך כלל 1–250 kbps), טווחי תקשורת קצרים (מעל למאות מטרים), ורכיבה קפדנית של מס'ס מבלים את רוב זמנם בשינה עמוקה, ומתעוררים רק כדי לשדר או לקבל התפרצויות קצרות של נתונים.FSK מודולים מתואמים עם דפוסים תפעוליים אלה בכמה דרכים.

אדריכלות: Low-Power Transceiver Architecture

תת--1 GHz ISM-band Transceivers, כגון Texas Instruments CC1101 או Silicon Labs Si4063/Si446x סדרה, מתוכננים סביב מצבי FSK/GFSK. השבבים האלה להשיג את הצריכה הנוכחית כנמוכה מ- 10-15 מ"א ב- Get mode, מתחת ל- 20 mK, באופן של 0 dBm Power.

חובה על אופניים ו- Wake-Up מקבל

מכיוון שמקבלי FSK יכולים לפעול עם זמנים קצרים מאוד ותדירות מהירה, הם תומכים במשימות אגרסיביות רכיבה על אופניים. פרוטוקולים WSN רבים, כגון IEEE 802.15.4 (sub-1 GHz) וערימות בעלות כוח נמוך, להשתמש ב-FSK מבוסס על רצף של ערות (FSK) עד שלא ניתן למזער את הרדיו שלה במשך כמה מאות שניות כדי מהירויות טרוםam, ואז לקבל במהירות את המעבר נמוך יותר ממין, אפילו ללא שינוי חשמל נמוך.

ניתוח כוח השוואתי

כדי להבין מדוע FSK הוא לטובת תרחישים WSN רבים, זה שימושי להשוות את האנרגיה שלה קצת עם שיטות נפוצות אחרות.יעילות הכוח של שינוי יכול להיות נמדד על ידי האנרגיה הנדרשת להעביר קצת יותר אמין על פני מרחק נתון.

FSK לעומת On-Off Keying (OOK)

OOK הוא המודולציה הדיגיטלית הפשוטה ביותר ויכול להשיג מורכבות מערכת נמוכה מאוד.עם זאת, OOK סובל מחסינות רעש ירודה כי היא תוכנית amplitude-רק בלבד. בנוכחות התערבות או קידוד, המקלט חייב לשמור על סף מצופה, אשר סחף עם צפיפות טמפרטורה ותפקוד סוללה.OKKK יש גם יחס גבוה לעוצמה גבוהה עד גבוהה (PA) כאשר חובה, מצמצם את רמת הפחתת יעילות FI של יותר.

FSK לעומת שלב-שיפט קיטור (PSK)

Binary PSK (BPSK) יש ביצועים תיאורטיים טובים יותר מאשר BFSK ברעש גאוסיאני לבן (AWGN) - כ 3 dB יתרון, עם זאת, BPSK משותף דורש סינכרוניזציה בשלב, אשר צורכת כוח נוסף וסבך את המקלט.בפרקטיקה, מערכת סחר כוח לעתים קרובות מעדיף BFK, במיוחד עבור נתונים נמוכים עבור יחסי Fent, אך ורקדנציה סטנדרטית (D) לא פחות יעילה יותר מאשר עיבוד משותף של קישורים פשוטים יותר מאשר עיבוד משותף (DS) הוא עדיין יעיל יותר מאשר עיבוד משותף של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה PSKS).

FSK לעומת Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

QAM הוא ספקטרלי יעיל אבל דורש הסמכה ליניארית ובקרת רווח מדויקת.החוק PAPR של QAM (במיוחד סדר גבוה יותר כמו 16-QAM) יכול להיות 5-7 dB, מה שחייב את הרשות לפעול רחוק מן השכור.זה מקטין את יעילות הרש"פ בהשוואה לאות קבועות של CAD, יותר מאשר המקלט חייב לבצע הן שלב ודימום, הדורש פחות יעילות דיגיטלית (DS) מאשר עיבוד נמוך.

שיקולים פיזיים עבור FSK ב WSN

תקציב וטווח

תקציב קישור חשבונות עבור כוח שידור, אנטנה רווחים, אובדן נתיב ורעש מקלט.מעטפה הקבועה של FSK מאפשרת לרש"פ להיות מונע לתוך ריצוף, למקסם את כוח התפוקה עבור קלט DC נתון. לדוגמה, CC1101 משדרת ב 10 dBm פלט עם GFSK צורכת בערך 30 מ"א מ 3V אספקת, מההספקת יעילות של כ-3% מ-RF עד ל- 14% ל- Aulation.

הרגישות של המקלט של FSK ב ER מסוים היא גורם קריטי נוסף. המדינה-of-the-art sub-1 GHz FSK המקלטsHz להשיג רגישות של -120 dBm ב 1.2 kbps (10=10uaFLT:0-4FLT:1 ), עבור קישור חיצוני 100 הרץ, האובדן של 868 הוא בערך 80B, מה שהופך שולי מתון של ערוץ CDS התחתון (אפילו 1KR) נמוך יותר עבור קישור נמוך יותר של 2KR) נמוך יותר של .

רובוסטנטיות להפרעה ולחזות

FSK הוא חזק מטבעו להפרעה קו-ערוצית וערוצית צמודה. כי המידע מקודד בתדר, לא אמפליט או שלב, מתחרה חזק מצמצם את הנתונים.הנכס הזה הוא בעל ערך במיוחד בלהקות ללא רישיון, שבו אותות מטלפונים ללא חוט, Wi-Fi ו-Bluetooth נפוצים יותר, שאינו ניתן למקם את הביצועים הטובים ביותר, אלא להטמיעוכים את הסמלים פחות גבוה יותר מאשר לדרגה גבוהה יותר מאשר לחיקוי אנרגיה.

יישומים אמיתיים ומקריות

FSK Modulation הוא מתפשט במוצרים מסחריים ותעשייתיים של WSN. פרוטוקולים סטנדרטיים לעתים קרובות לאמץ FSK או הגרסאות המסוננות שלה GFSK כמודולציה חובה או אופציונלית.

IEEE 802.15.4 Sub-1 GHz

תקן IEEE 802.15.4, אשר תחת ספין-בי-גבי, להקות קנייניות רבות, מפרט FSK כאחד ממודולציות היסוד בשכבה הפיזית של תת-ממדית של GHz.עבור 868/915 MHz להקות, תקן מגדיר BPSK עבור האפשרות האלחוטית של נמוך-נתונים, אך מאוחר יותר תיקונים (למשל, 802.1g עבור שירות חכם של רשתות FSK) תומך ב- CSK2KSb באופן בלעדי עבור כל חיישנים של 50-ApKSKSKS) ו- CPS (K7K3K7K) , 000 C.

Wireless M-Bus

תקן האירופי Wireless M-Bus (EN13757-4) עבור גז, מים ומים חום משתמשים במודולציה FSK ב 868 MHz עם שיעורי נתונים בדרך כלל 2.4–100 kbps. הפרוטוקול מיועד לשידורים תקופתיים אולטרה-נמוכים.שילוב של סוללות FSK, 1% חובה מחזור, CRC מאפשר חיי סוללה מעל 10 שנים.

Bluetooth Low Energy (BLE)

בעוד BLE פועלת ב-2.4 GHz, היא מעסיקה את Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) בשכבה הפיזית שלה. GFSK משתמשת מסנן Gaussian כדי להחליק את מעברי התדירות, צמצום נביחות צד ומפגש מסיכות ספקטרום של IoT יכולות ללבוש באופן קיצוני את CKBLE יכול לפעול ב 0DBm (כ 1W) עם צריכת הנוכחית נמוכה כמו מקלט נמוך 5 -2, במהירות, 000 ליטר רדיו מופעלת, אשר מאפשר חיישנים קצר.

אתגרים ומסחר

למרות היתרונות הרבים שלה, FSK הוא לא פנאצה אוניברסלית מהנדסים חייבים לשקול סחר-offs רוחב פס, שיעור נתונים, ויכולת רב-משתמשים.

יעילות ספקטרום

רוחב הפס הכבוש של אות BFSK שווה בערך לקצב הסמל בתוספת פעמיים את סטיית התדירות. עבור ערוץ 1-MHz, BFSK יכול להשיג במיטבה כ-0.5-0.7 ביט לשנייה להרץ.בפריסות WSN צפופות שבו עשרות צמתים חולקים ערוץ, יעילות ספקטרום נמוכה זו עלולה לגרום להתנגשויות והפסד, עלייה של צריכת האנרגיה מ-Retranstranstranstranstransconsives, אך נמוכה יותר, אך נמוכה יותר, אך יכולה להוסיף את אותה תדירות גבוהה יותר, אך גבוהה יותר, אך היא יכולה להוסיף את רמת אנרגיה, אך ורק להפחתה של צריכת אנרגיה גבוהה יותר, אך גבוהה יותר, אך היא יכולה לשפר את הפחתת רמת הפחתת רמת הפחתת רמת הפחתת רמת הפחתת רמת הפחתת רמת הפחתת רמת התדירות גבוהה יותר, אך גבוהה יותר, אך גבוהה יותר, אך גבוהה יותר, אך גבוהה יותר, אך גבוהה יותר, אך גבוהה יותר, אך גבוהה יותר, אך גבוהה יותר של צריכת אנרגיה, אך היא יכולה לגרום להפחתה של צריכת אנרגיה, אך גבוהה יותר של צריכת אנרגיה, אך היא יכולה לגרום להפחתה של צריכת אנרגיה, אך גבוהה יותר של צריכת אנרגיה, אך גבוהה יותר של צריכת אנרגיה, אך גבוהה יותר, אך היא יכולה לשפר את רמת ה

Multipath and Frequency-Selective Fading

הייצוג של FSK של תדירות-דומיין הופך אותו פגיע לקידוד אדפטטיבי כאשר הערוץ מתפזר.אם אחד מהטונים FSK נופל בשפל עמוק, שיעור השגיאה עולה. עבור WSNs בתוך עמודה עם הרבה השתקפות, זה יכול לפענוח את הביצועים של ה-FHSK הוא להשתמש בספקטרום הפחתת תדירות (FHSS) בשילוב עם FSK, כמו גם פרוטוקולים מרובים חזקים יותר ויותר.HS.

GHz משתמשים אחרים

להקות ISM משותפות על ידי טכנולוגיות רבות, כולל LoRa (CSS), Sigfox (D-BPSK), ומערכות FSK קנייניות רבות. עם רוחב הפס הצר של FSK, מתחרה חזק קרוב יכול לחסום לחלוטין ערוץ. מעצבים לעתים קרובות ליישם גמישות אדבריות הסתגלות: הצומת מודד את רמת ההתערבות בערוץ הנוכחי שלה, אם גבוה מדי, כדי לנקות את זה דורש לעתים קרובות מ-Fgtranss עצמו, אבל לעתים קרובות מ-PSKer.

משתנים מתקדמים FSK ומודולציה הסתגלות

כדי להתמודד עם האתגרים לעיל, חוקרים ומהנדסים פיתחו גרסאות FSK משופרות ושילוב FSK עם טכניקות הסתגלות.

Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK)

GFSK מתייחס לסנן Gaussian הדופק לפני תדירות מודולציה.זה חלק את המעברים, מאוד להפחית את רוחב הפס הכבוש בהשוואה ל- FSK רגיל, ה-FSKoff הוא עלייה קלה בהתערבות בין-דלקתית (ISI), אבל עבור יישומים רבים WSN, רווח יעילות ספקטרלי שווה את זה. GFK הוא בשימוש רוחב פס בלתי אפשרי, Wireless M-Bus, ו-SKS) אשר ניתן להתאים את הערך המשותף עבור פילטרים רבים (SKK) או , או פילטרים (SKSK) או , כלומר, או TERCVSKSKSK) הוא , כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הוא פילטרים רבים, הוא שווה ערך משותף של TERCDC הוא שווה ערך GSKKKKSKN) הוא , או , כלומר, כלומר, כלומר, עבור הרבה (GKBT הוא שווה ערך משותף של TERSKBTKBTKBT הוא שווה ערך משותף עבור פילטרים רבים, עבור פילטרים רבים, עבור פילטרים (GKSKKBT הוא שווה את ה-TUMKKKKKKK

מינימום Shift Keying (MSK) וגאוסיאן MSK (GMSK)

MSK הוא מקרה מיוחד של FSK מתמשך עם אינדקס מודולציה של בדיוק 0.5.It יש מעטפה קבועה אבל המעברים שלב הם חלק, וכתוצאה מכך כיכר עיקרי צר יותר מאשר BFSK MSK שווה ל- offset-QPSK עם צורה מסוימת של הדופק. GMSK מוסיף מסנן Gausian קבוע MSK, מה שהופך את המודולציה בשימוש ב- GSMsss1, אבל יש צורך מעקב אחר יעילות GspecK3 / 2K3 / 2Ken גבוה יותר.

שינוי הסתגלות וקידוד

נקודות WSN יכולות לבחור באופן דינמי פרמטרים מודולציה המבוססים על תנאי ערוצים.לדוגמה, צומת עשוי להשתמש GMSK גבוה כאשר הערוץ הוא טוב לעבור ל-FSK חזק עם קידוד כאשר קישורים איכות דרמות. הסתגלות זו ממקסימה באמצעות צמצום פסולת אנרגיה.

כיוונים עתידיים

שילוב עם אנרגיה

בעוד WSN nodes יותר ויותר לשלב איסוף אנרגיה (סולאר, ⁇ אלקטריק, thermoelectric), הרדיו חייב לפעול עם כוח שיא נמוך יותר. היכולת של FSK לפעול עם אספקת תת- 3V וזרמים גבוהים נמוכים מתאימים היטב עם יחידות ניהול אנרגיה להפחתת כוח. טרנסג'נדרים חדשים אופטימיזציה עבור 0.5-1.2V הפעלה באמצעות FSK הם גם בפיתוח, אולטרה סגולה כוח רדיו מבוסס על ידי צינורות חשמל אוטונומיים ללא כוח.

בינה מלאכותית יכולה לייעל את הפרמטרים FSK (ההפצה, שיעור הנתונים, מדד המודולציה) בזמן אמת ללא כוונון ידני. סוכני הלמידה של כוח-העוצמה יכולים ללמוד את ההגדרות הטובות ביותר עבור כל סביבה של צומת, איזון אנרגיה ואמינות. תוצאות מוקדמות מראות שיפורים של עד 25% ביעילות האנרגיה של המערכת בהשוואה להגדרה קבועה FSK.

רשת פיזית-Layer Coding with FSK

המעטפה הקבועה של FSK הופכת אותו אטרקטיבי עבור רשת של שכבות פיזיות (PNC), שבה צמתים ממסר משלבים חבילות חופפות כדי להגדיל את ה- WSK סמלים מזוהים על ידי אנרגיה בתדירות בינארית, PNC יכול להיות מיושם באמצעות קורטורים אנלוגיים פשוטים.זה יכול להוביל לשיתוף פעולה WSNs להשגת צריכת אנרגיה נמוכה יותר מקצה לקצה.

מסקנה

FSK Modulation ממשיך לשחק תפקיד בסיסי ביעילות הכוח של רשתות חיישן אלחוטיות. המעטפה הקבועה שלו, ארכיטקטורה פשוטה ללא קוהרנטית מקלט, והתאמה עם תקנות פס צר מניבות חיסכון אנרגיה מוחשי בשני השידור ולקבל פעולות.בעוד יעילות ספקטרלית וחסינות ההולכת הנוכחית אתגרים, גרסאות כמו GFSK, MSK, והתאמה מודולטיבית מתאימה לטפל בעיקר לגבולות אלה.

(ב) עיין ב-[[1924]] ב[[1924]], ב[[1924]], ב[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] ב[[1924]], [[