כערים ברחבי העולם גזע להיות חכם יותר, תשתיות התקשורת הבסיסית חייבות לתמוך מיליארדי מכשירים אינטרנט של דברים (IoT) - רגישים לאיכות האוויר, ממדיה חכמה, מדפי פסולת ומונים של שירותים - כל זאת תוך צריכת אנרגיה מינימלית. Ultra-Low Power Wide Networks (LP) הופיעו כפתרון עבור חיבור מכשירים כאלה לאורך מרחקים ארוכים עם חיים נמדדים בשנים שבין הטכניקות לפריסה, ל-FSTM, כדי לבחון את יעילותהבסיסית של הקרן (WAN) לפשטות, לפשטות, ל-FKS) היא יעילה, לפשטות, לפשטות, ל-FKS.

תפקיד האלבוםWAN בערים חכמות

יישומים עיר חכמה דורשים לטווח ארוך, כוח נמוך, וקישוריות זולה.ה.ה.ה.ה.ה.הטכנולוגיות של LoRa, NB-IoT, Sigfox ומערכות מבוססות FSK - מסוחרות את שיעור הנתונים הגבוהים למגוון רחב וצריכת חשמל אולטרה סגולה, מה שהופך אותם אידיאליים עבור חיישנים ששולחים חבילות קטנות כמה פעמים לשעה.

הבנה של Frequency Shift Keying (FSK) ב- LPWAN

FSK היא טכניקה דיגיטלית מודולציה שבה נתונים בינאריים מקודדים על ידי שינוי תדירות הגל המוביל בין שניים (או יותר) תדרים שנקבעו מראש.לדוגמה, "1" בינארי יכול להיות מיוצג על ידי תדירות f1, ו "0" על ידי תדירות f2.הפשטות של תוכניות אלה מתורגם ישירות לצריכת חשמל נמוכה, כי FSK Transceivers יכול לפעול עם sicator פשוט ולא דורשות קימונים עירוניים).

ראשי תיבות של FSK for LPWAN

  • (FLT:0) סטיות סטיות סטיות סטיות (FLT:1) - המעבר בין שני התדרים. סטייה קטנה (למשל, ±10 kHz) חוסכת רוחב פס אבל עשוי להפחית חסינות רעש; סטייה גדולה יותר משפרת את העוצמה עלות יעילות ספקטרלית.
  • (FLT:0) Data RateFLT:1) - בדרך כלל כמה מאות bps לעשרות kbps.שיעורי עלייה נמוכים טווח ורגישות, ולכן מערכות LPWANFSK פועלות ב-300-1200 bps לכיסוי מקסימלי.
  • (FLT:0)Modulation IndexFLT:1) - מוגדר כאחוז נתונים ⁇ ⁇ .com המודרנית LPWAN שבבים תומכים הן בפס צר (אינדקס נמוך) ופס רחב FSK, המאפשר סחרחורים בין טווח ולוח דרך.
  • (FLT:0)Frequency BandFLT:1 - הפריסות החכם ביותר FSK להשתמש 868 MHz (אירופה) או 915 MHz (צפון אמריקה) להקות ISM, שבו תכונות ה propagation מציעים איזון טוב של טווח וחדירה.

היתרונות של FSK עבור Smart-City LPWANs

FSK מביא כמה יתרונות נפרדים לרשתות IoT העירוניות, שרבים מהם מתייחסים ישירות למגבלות של פריסות חכמות.

Ultra-Low Power Contion

מכיוון ש-FSK הוא מודולציה מתמדת של ההרחבה, מגבר כוח השידור יכול לפעול בשקע – מצב היעיל ביותר שלו.זה מאפשר חיישנים המופעלים על סוללות להשיג זרמי שינה בטווח המיקרואמפ ולהעביר זרמים פעילים נמוך כמו 10-15 מ"א להתפרצויות קצרות. A טמפרטורה או לחות שליחת חבילה של 20-byte כל שעה יכולה לרוץ במשך יותר מעשר שנים על תא אחד ארוך זה.

רובוסטנס בסביבה עירונית Noisy

ערים חכמות הן רועשות: השתקפות של מבנים, הפרעה מ-Wi-Fi, Bluetooth, ומכשירים אחרים של ISM-band, ואפילו ציוד חשמלי יכול לדרג אותות.חסינות הטמונית של FSK לרעש מבודד - כי המידע מתבצע בתדירות, לא אמפורה - עוזר לשמור על קישורים אמינים גם כאשר האות המתקבל הוא ליד רצפת הרעש.

טווח ארוך וקידום

האופי הצר-band של LPWAN FSK (בדרך כלל 12.5 kHz או 25 kHz רוחב פס ערוץ) מתמקד באנרגיה האות, ומאפשר למקבל להוציא נתונים ביחסי אות נמוכים מאוד (SNR). Sensitivities של −120 dBm או טוב יותר הם נפוצים, המאפשרים תקשורת מעל 5-15 ק"מ בקו-of-of-sight ו 25 ק"מ בטווח העירוני יכול לשמש חיישנים בודדים.

עלויות אבטחה קשיחות ומערכת אקולוגית

FSK Transceivers כבר בייצור המוני במשך עשרות שנים, בשימוש בכל דבר מפותחים דלת מוסך ועד מערכות כניסה מרחוק ללא מפתח.בשלות זו מניעה עלויות רכיב; שבב רדיו FSK תת-GHz יכול לעלות מתחת ל-1 דולר בנפח. רבים מחוץ ל-ShelfWAN WAN לשלב FSK לצד משתנים אחרים (למשל, LoRa), נותן מערכת בגמישות רבה יותר, ופתרונות חכמים של קוד פתוח.

יישום FSK ב- Urban LPWAN Networks

פריסת FSK מבוסס LPWAN בעיר חכמה דורשת תכנון זהיר בין מספר ממדים: ניהול תדר, תצורה של מכשירים, אדריכלות רשת, וציות לתקנות מקומיות.

תדירות בחירה ותקנה

רוב מערכות LPWAN FSK פועלות בלהקות ISM תת-GHz (למשל, 863-870 MHz באירופה, 902-928 MHz באמריקה, 470-510 MHz בסין) להקות אלה הן ללא רישיון אך כפופות למגבלות מחזוריות (בדרך כלל 1% לשעה לערוץ) ומעבירות את הכוח ההתנגשות המקסימלי (לעיתים קרובות dBmcity ERP) בתדירות גבוהה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, בין היתר, לצמצום של תדירות הפעלה אוטומטית של תאים מעגליים (R).

Transceiver Configuration and Optimization

מודרני אלבומים (למשל, Semtech SX126x, Texas Instruments CC1310, Silicon Labs EFR32) מציעים פרמטרים FSK configurable.

  • (FLT:0Data rate and StetureFLT:1) - בדרך כלל נקבע בין 1.2 kbps (הההסבר ±2.4 kHz) ו 50 kbps (הההההההה ±25 kHz).
  • (FLT:0)Receiverrea רוחב פס FLT:1 - צריך להתאים את רוחב הפס הכבוש הכולל (2 × סטייה + שיעור נתונים) כדי להתאים את הרגישות ואת הסלקטיביות.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0Output PowerveFLT:1) - לעתים קרובות ניתן לתכנת מ- -20 dBm ל +14 dBm. עבור צמתים עירוניים, כוח נמוך יותר עשוי לחסוך אנרגיה תוך השגת קישורים אמינים.

אדריכלות רשת ושערות

רשת חכמה טיפוסית FSK-LPWAN מורכבת מנקודות קצה (רגישים), שערים (מצטברים), ושר מבוסס ענן. Gateways ממוקמים אסטרטגית על גגות, עמדות מנורות, או מקלות שירות כדי להשיג כיסוי מקסימלי. כי מקלטי FSK דורשים אות חזק מספיק כדי לנעול, מיקומים צריך להיות נבחר על בסיס מודל propaglingation (למשל, על בסיס של 15 ק"מ) עם אנטה בגודל של 15 ק"מ (R) עם אנטה) גבוה (R2 ק"מ"מ"מ) עם אנטנות גבוהה (קו) עם אנטנות גבוהה).

שילוב ו-IoT Platform Connectivity

חיישנים בעלי עוצמה חכמה חייבים להיות משולבים עם פלטפורמה של IoT לאיסוף נתונים, ניתוח ולשלוט. FSK LPWAN מודולים לעתים קרובות לתמוך ממשקים סידוריים סטנדרטיים (UART, SPI, I2C) ויכולים להפעיל פרוטוקולים קלים כגון MQTT או CoAP לאחר שהמידע מגיע לענן. פתרונות רבים של LPWAN מציעים פתרונות קצה להצפנה (AES128) בשכבה בעת בחירת מפתחי של FSK, Azure, כדי לאמת את שירותי תאימות, או את Azure).

אתגרים ב-FSK-מבוססים על האלבוםWAN עבור ערים חכמות

בעוד FSK הוא מועמד חזק, יש לטפל במספר אתגרים כדי להבטיח פעולות אמינות, חכמות בקנה מידה.

ספקטרום קהילה והתערבות

להקות ISM עירוניות צפופות עם Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, ומערכות אחרות של LPWAN.FSK פחות עמידים בהתערבות פס מאשר טכניקות לספקטרום התפשטות כמו LoRa. בפריסות צפופות, מכשירים מרובים FSK משדרים בו זמנית יכולים לגרום להתנגשות. Solutions כוללים הקשבה לפני-talk (L) גישה, שימוש ב-GFreave חזק יותר עם ערוצים דינמית ו-FIRFIRFIRFIRST:

סליחות וריאציות אזוריות

באזורים שונים יש להקות תדר שונות, מגבלות כוח, ותכניות תקשורות. חיישן עתירות חכם המיועד ל- 915 MHz בארה"ב לא יכול לפעול באופן חוקי ב- European 868 MHz ללא שינויים בחומרה.יתר על כן, כמה מדינות שומרות תת-band מסוימות עבור יישומים ספציפיים (למשל, רפואי או שירות ממטר). מפתחים חייבים להבטיח את מוצרי FSKWAN שלהם לציית לתקנות מקומיות, אשר עשויים לדרוש בדיקות הסמכה.

סקלאבול עם נטיות גבוהות

בפריסה של עתירות חכמות גדולה, עשרות אלפי חיישנים עשויים לשדר באופן בלתי צפוי רשתות FSK בדרך כלל משתמשים בטופולוגיה של כוכבים: רבים מהקצה מתקשרים עם שער אחד.אם יכולת קבלת הפנים של שער היא עלה (למשל, טיפול כמה מאות חבילות לשנייה), חפיסות יאבדו.

ההבדל בין LoRa וטכנולוגיות אחרות

לור, באמצעות CSS רחב יותר, יכול לכבוש את אותם להקות תדר כמו FSK. כי אותות LoRa התפשט על רוחב פס רחב יותר, שידור חזק LoRa יכול desensitize מקלט FSK הסמוך, גם אם השניים נמצאים על ערוצים שונים.תכנון ערוצים , Careful Channels כי תמיכה הן Modulations (many Semtech משלב שבבים LoRa ו- FSK) מספק את אותם נושאים הפעלה: FLT 1.

כיוונים עתידיים עבור FSK ב-Smart-City LPWANs

מחקר וחדשנות בתעשייה ממשיכים לשפר את FSK לסביבה התובענית של ערים חכמות.

שינוי הסתגלות ו- Dynamic Spectrum Access

עתיד FSK Transceivers יהיה כנראה לשלב מודולציה אדפטיבית: מעבר אוטומטי בין גרסאות FSK שונות (למשל, 2-FSK, 4-FSK, GMSK) בהתבסס על תנאי ערוצים ודרישות בעלות דירוג נתונים.שלב FSK עם טכניקות רדיו קוגניטיביות יכול לאפשר למכשירים לחוש תדרים ולדר רק על ערוצים ברורים, צמצום דרמטית של התנגשות ושיפור יעילות אינטליגנציה כזו.

Machine Learning for Network Optimization

מודלים של למידת מכונות יכולים להיות מאומן על נתונים היסטוריים של קישור (RSSI, SNR, שערי החבילה) כדי לחזות את כוח שידור אופטימלי, פרמטרים מודולציה, ובחירת שער עבור כל צומת.זה יכול להאריך את חיי הסוללה ולהגביר את יכולת הרשת. לדוגמה, חיישן מעקב התנועה עשוי להפחית באופן אוטומטי את שיעור הנתונים שלו במהלך סופת גשם כבדה כדי לפצות על אובדן נתיב מוגבר, ולאחר מכן לחזור לשיעור גבוה יותר כאשר לשפר.

שילוב עם רשתות 5G ו- non-Terrestrial

כמו ערים חכמות לאמץ קישוריות היברידית, LPWAN FSK עשוי לשמש את הקישור המקומי כוח נמוך בעוד 5G NR מספק יותר-bandwidth backhaul.בנוסף, לווייני כוכבים נמוכים (LEO) המציעים קישורים ידידותיים ל-IoT יכולים להרחיב שירותים חכמים לתחומים מרוחקים או מקודמים עתידיים של WAN, כגון LTF:0GPP,3GF, ו-N-SKify, יכולים לשלב עוד יותר לוויינים עתידיים של N-SK-1, ו-SL, ו-F.

אנרגיה קצירת אנרגיה וסוללת-Less FSK Nodes

מתקדם במקלטי כוח אולטרה-נמוך פותח את הדלת למכשירים ללא סוללות של IoT כי לקצור אנרגיה מאור, ⁇ תרמיים, או רטטים.מכשירים אלה יכולים לאחסן כמויות קטנות של אנרגיה בסופרcapacitors ולהעביר רק באופן ספונטני. FSK נמוך שיא-to-average כוח יחס כוח ודרישות סינכרוניזציה פשוטות להפוך אותו לאנרגיה טבעית עבור חיישנים חכמים.

מסקנה

תדירות Shift Keying נשאר מודולציה בסיסית עבור רשתות רחבות כוח אולטרה-נמוך בערים חכמות.שילוב של כוח נמוך, טווח טוב, עוצמה, בעלות נמוכה מתאים באופן מושלם עם הצרכים של יישומים עירוניים IoT. עם זאת, יישום מוצלח דורש תכנון ספקטרום זהיר, תצורה transceive נאותה, ומודעות של דו-קיום עם טכנולוגיות אחרות.