Introduzione

Le reti di sensori wireless (WSN) sono diventate indispensabili per il monitoraggio ambientale, consentendo la raccolta di dati critici come temperatura, umidità, qualità dell'aria, contaminazione dell'acqua e attività della fauna selvatica. Queste reti operano spesso in luoghi remoti, impegnativi o inaccessibili in cui l'infrastruttura cablata è impraticabile. Tuttavia, la natura stessa del monitoraggio ambientale introduce significative sfide di comunicazione: l'attenuazione del segnale a causa di fogliame o terreno, l'interferenza di apparecchiature industriali o altri sistemi di diffusione di sistemi di diffusione più efficienti.

Comprendere la tecnologia Spread Spectrum

Origini ed Evoluzione

La comunicazione dello spettro di diffusione di Spread è un sistema di monitoraggio della frequenza per i siluri radioguida (tra cui l'attrice Hedy Lamarr e il compositore George Antheil) hanno brevettato un sistema di monitoraggio della frequenza per i siluri radioguida.

Principi fondamentali

L'idea fondamentale dietro lo spettro di diffusione è semplice: invece di concentrare tutta l'energia trasmessa all'interno di un canale di frequenza stretta, il segnale viene deliberatamente diffuso su una larghezza di banda molto più ampia. Questa diffusione è tipicamente ottenuta modulando il segnale di dati con una sequenza di rumore pseudo-raggio (PN) nota sia per il trasmettitore che per il ricevitore di espansione della banda, chiamato anche il guadagno di elaborazione, fornisce il sistema con l'immunità alle interferenze a banda stretta: un segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di interferenze di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di segnale di interfermortica o di interfermuta.

Tipi di spettro di spargimento

Spettro di diffusione della sequenza diretta (DSSS)

In DSSS, il flusso di dati viene combinato (tipicamente tramite XOR) con una sequenza di codice PN ad alta frequenza. Ad esempio, ogni bit potrebbe essere sostituito da una sequenza di chip di 11 o più bit. Il segnale risultante occupa una larghezza di banda proporzionale al tasso di chip piuttosto che la velocità di dati.

Spettro di diffusione di frequenza (FHSS)

FHSS passa rapidamente la frequenza del vettore tra un insieme di canali secondo una sequenza di schiocco pseudo-raggio nota al trasmettitore e al ricevitore. Il tempo di permanenza su ogni canale è tipicamente corto (± 400 ms). Bluetooth, per esempio, passa tra 79 canali ad una velocità di 1600 hops al secondo. FHSS è particolarmente efficace in ambienti con interferenza forte, rassodante-frequenza - se un canale è bloccato, il sistema semplicemente saltellandosi ad un altro codice.

Time Hopping Spread Spectrum (THSS)

Il tempo di questi scoppi è determinato da un codice PN. Combinato con tecniche ultra-banda (UWB), THSS può raggiungere una densità di potenza molto bassa e una risoluzione di alto range, che è vantaggioso per la localizzazione di precisione nel monitoraggio ambientale, come il monitoraggio del movimento della fauna selvatica o il rilevamento dei gradienti di umidità del suolo.

Vantaggi dello spettro di diffusione nelle reti di sensori wireless

Resistenza all'interferenza e robustezza

Il monitoraggio ambientale spesso colloca i sensori vicino a fonti di interferenza elettromagnetica: motori, pompe, linee di potenza o altri trasmettitori wireless (ad esempio, router Wi-Fi, stazioni di base cellulari). L'immunità intrinseca dello spettro di diffusione alle interferenze a banda stretta garantisce una trasmissione affidabile dei dati in tali condizioni.

Sicurezza e privacy migliorate

I dati ambientali possono essere sensibili: le letture di inquinamento che potrebbero implicare una fabbrica, le posizioni animali che potrebbero essere utilizzate dai bracconieri, o i dati climatici che hanno valore di proprietà intellettuale. Spread spettro fornisce un primo strato di sicurezza rendendo i segnali difficili da intercettare senza conoscere il codice PN. Mentre non un sostituto per la crittografia, aumenta la barriera contro i salti casuali. Inoltre, la bassa probabilità di rilevamento (LPD) caratteristica rende la rete più difficile da individuare le avversioni ambientali.

Capacità di accesso multiple

Le tecniche di spettro di diffusione facilitano l'accesso multiplo senza la sovraccarico di divisione temporale (TDMA) o la complessità della divisione di frequenza (FDMA) in un contesto a banda stretta. In DSSS, l'accesso multiplo di divisione di codice (CDMA) assegna codici PN distinti a ogni nodo - o gruppi di nodi - in modo da poter trasmettere simultaneamente sulla stessa frequenza.

Efficienza di potenza e durata della batteria

In pratica, lo spettro di diffusione può effettivamente ridurre i requisiti di potenza, perché consente un rapporto segnale-rumore inferiore (SN12R) al ricevitore. Il guadagno di elaborazione amplifica efficacemente il segnale desiderato rispetto al rumore. Inoltre, i sistemi FHSS possono riciclare efficacemente la radio, spegnendola tra luppolo. Molti transceiver di spettro di diffusione moderno raggiungono un consumo molto basso.

Applicazioni nel monitoraggio ambientale

Monitoraggio della qualità dell'aria

Le reti di qualità dell'aria urbana richiedono una comunicazione affidabile tra la cacofonia radiofrequenza della vita della città. I sensori di spettro di diffusione PM2.5, ozone, NO2, e CO2 possono mesh i loro dati attraverso una rete di ricevitori anche quando si trovano vicino a hotspot WiFi o torri cellulari.

Qualità dell'acqua e rilevamento dell'inquinamento

I sensori utilizzati nei fiumi, nei laghi o nelle zone costiere spesso affrontano sfide dall'attenuazione dell'acqua e dalle riflessioni multipath. La capacità dello spettro di spargimento di gestire il multipath lo rende adatto a tali ambienti acquatici. I modem acustici basati su FHSS sono talvolta utilizzati per le reti di sensori subacquei, anche se lo spettro di diffusione della radiofrequenza è limitato ai booy di superficie o alle acque basse.

Monitoraggio della fauna selvatica e dell'habitat

La tecnologia di spettro di diffusione è ideale per il monitoraggio degli animali perché riduce al minimo le interferenze da ostacoli naturali e altri trasmettitori di fauna selvatica. I collettori e i tag che utilizzano FHSS (simile a Bluetooth Low Energy) possono registrare la posizione e il comportamento mentre riportano periodicamente ai ricevitori fissi.

Rilevamento del fuoco della foresta

Il rilevamento precoce dei incendi richiede una rete di sensori che può funzionare per mesi in terreni remoti e coperti da alberi. La resilienza dello spettro di diffusione all'attenuazione del fogliame, causata da foglie e rami che disperdono segnali, è un grande vantaggio. Sistemi come FireWatch[]] utilizzano le radio di spettro di diffusione in una topologia della rete per relungi dati efficacemente da sensori di temperatura, umidità e di elicottero.

Agricoltura di precisione

Le aziende moderne impiegano reti di sensori wireless per monitorare l'umidità del suolo, i livelli di nutrienti e i microclimi. Lo spettro di diffusione consente una comunicazione affidabile su grandi campi punteggiati di tubi di irrigazione metallici, pompe e altri macchinari. Ad esempio, un sistema basato su DSSS da Decagon Devices] (ora parte del gruppo METER) trasmette i dati del suolo da sensori di colture sepolte a un gateway centrale.

Sfide e trade-off

Complessità di attuazione

I circuiti di spettro di diffusione richiedono un'elaborazione più sofisticata rispetto alle alternative a banda stretta. La necessità di generazione di codice PN, sincronizzazione precisa e dispersione aumenta l'area e il costo energetico del silicio. Tuttavia, i moderni ricetrasmettitori integrati hanno ampiamente mitigato questi problemi, molte radio a singolo chip integrano hardware a spettro di diffusione con basso consumo energetico.

Considerazioni sulla larghezza di banda e sulla regolazione

Lo spettro di diffusione, per definizione, consuma più larghezza di banda rispetto al flusso di dati equivalente utilizzando la modulazione a banda stretta. Nelle bande ISM affollate (2.4 GHz, 868/915 MHz), questo può portare alla contention con altri sistemi di spettro di diffusione.

Sincronizzazione e Drift dell'orologio

I sistemi di spettro di diffusione si basano su tempi precisi per generare e abbinare sequenze PN. La deriva dell'orologio tra i nodi del sensore, soprattutto durante i periodi di varia temperatura, può degradare le prestazioni. FHSS richiede che sia il trasmettitore che il ricevitore opano sincrono, qualsiasi deriva può causare l'uso di salti mancati e perdita di pacchetti.

Coesistenza con altri sistemi wireless

Con la proliferazione dei dispositivi IoT, lo stesso spettro può essere condiviso da Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee e sistemi di spettro di diffusione proprietari. Mentre lo spettro di diffusione è progettato per essere robusto a interferenza, la densa co-location può ancora degradare il throughput.

Direzioni e tendenze emergenti

Spettro radio cognitivo e adattivo

La tecnologia radio cognitiva consente a un dispositivo wireless di percepire l'ambiente dello spettro e di regolare dinamicamente i parametri di trasmissione, tra cui fattore di diffusione, larghezza di banda e pattern di accoppiamento, per evitare interferenze e ottimizzare le prestazioni. Questo concetto si estende in reti di sensori a spettro di diffusione wireless. I ricercatori stanno sviluppando uno spettro di diffusione cognitivo]]]] protocolli che imparano i modelli di interferenza e si adattano in tempo reale.

Integrazione con 5G e LPWAN

L'ecosistema 5G definisce le categorie di comunicazione migliorate (eMTC) e di IoT (mMTC) che sfruttano le tecniche di spettro di diffusione.

Progettazione di energia e di potenza ultra-lucida

Per raggiungere reti di sensori veramente autonomi, i ricercatori combinano lo spettro di diffusione con le tecnologie di raccolta dell'energia. Ad esempio, un nodo sensore alimentato a energia solare che utilizza un transceiver FHSS può operare indefinitamente mentre consuma solo microwatt durante i periodi di inattività.

Conclusioni

La tecnologia dello spettro di diffusione ha dimostrato di essere un potente abilitatore per le reti di sensori wireless impiegate nel monitoraggio ambientale. Offrendo un rifiuto di interferenza robusto, sicurezza intrinseca, accesso multiplo efficiente e consumo energetico più basso, affronta molte delle sfide di comunicazione uniche poste da ambienti remoti e rumorosi.

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