Introduzione a LPWAN e al ruolo della modulazione di fase

Le reti a bassa potenza (LPWAN) sono emersi come una pietra angolare dell'Internet of Things (IoT), consentendo la connettività per i dispositivi che richiedono una comunicazione a lungo raggio, un basso rendimento dei dati e anni di durata della batteria. Gli esempi includono i contatori intelligenti, i sensori di umidità del suolo, i tracker degli asset e i monitor ambientali.

Fondamenti della fase di modulazione

Chiave a spostamento di fase (PSK) Fondamenti

La modulazione di fase codifica le informazioni digitali spostando la fase di un segnale portante sinusoidale. Nella sua forma più semplice, la fase portante prende uno di un insieme finito di stati discreti, ciascuno rappresenta un gruppo di bit. Un cambiamento di fase di 0° potrebbe rappresentare uno 0 binario, mentre uno spostamento di 180° rappresenta un binario 1 in Binary Phase Shift Keying (BPSK) vulnerabile perché le informazioni sono portate nella fase PSK rispetto ai segnali di ampiezza meno di fabilità

Diagrammi di costellazione e mappatura dei simboli

Il set di stati di fase consentiti è visualizzato in un diagramma di costellazione, dove ogni punto corrisponde ad una fase specifica (e spesso ampiezza) del vettore. Per la modulazione di fase pura, tutti i punti si trovano su un cerchio di ampiezza costante. BPSK ha due punti a 0° e 180°; QPSK ha quattro punti a 45°, 13N5°, 225° e 315°.

Tecniche di Modulazione di Fase chiave in LPWAN

Chiave a spostamento di fase binaria (BPSK)

BPSK è il più robusto schema di modulazione di fase, offrendo una probabilità di errore di simbolo che è circa 3 dB meglio di QPSK per la stessa energia per bit. Incoraggia un simbolo per bit, rendendolo spettralmente inefficiente ma altamente resiliente. BPSK è utilizzato in diversi standard di LPWAN per l'efficienza dei canali di controllo o per il carico quando è richiesto il massimo range.

Chiavi a spostamento di fase quadratura (QPSK)

QPSK raddoppia la velocità di dati di BPSK senza aumentare la larghezza di banda richiesta codificando due bit per simbolo attraverso quattro stati di fase. I quattro punti di costellazione sono tipicamente ruotati 45° rispetto agli assi per semplificare il recupero di vettore.

Offset QPSK (OQPSK)

Una variante di QPSK, Offset QPSK ritarda il componente quadrature (Q) di mezzo periodo di simbolo rispetto al componente in-phase (I). Questa semplice modifica impedisce transizioni simultanee di fase 180°, che causano grandi variazioni di ampiezza istantanea che possono distorcere il segnale quando si utilizzano amplificatori di potenza non lineari.

PSK differenziale (DPSK) e pi/4-DQPSK

In una fase differenziata di spostamento (DPSK), le informazioni vengono codificate nel cambio di fase tra simboli consecutivi e non nella fase assoluta. Questo elimina la necessità di un riferimento coerente del vettore al ricevitore, semplificando il demodulatore e riducendo il consumo di energia.

Confronto tra schemi di modulazione per LPWAN

BPSK offre la migliore sensibilità ma la più bassa efficienza spettrale. QPSK migliora la produttività al costo di 3 dB più energia per bit per lo stesso BER. OQPSK e pi/4-DQPSK commerciano una piccola degradazione in BER (condizionata a QPSK) per una migliore prestazione in base a BER.

Modulation di fase nelle principali tecnologie LPWAN

LoRa e Chirp Spread Spectrum

La gamma di valori di riferimento per la frequenza di trasmissione di dati è costituita da un sistema di modulazione di frequenza di trasmissione (CSS) che utilizza la frequenza di trasmissione (CSS) che è una modulazione di frequenza, mentre i chirp possono essere considerati come una forma di modulazione continua della fase di diffusione.

NB-IoT e LTE-M

NBK-IoT, parte del 3GPP Release 13, utilizza una banda più stretta (200 kHz) con la spaziatura di sottocarriera di 3,75 kHz o 15 kHz. Il downlink impiega la divisione di frequenza ortogonale di accesso multiplo (OFDMA) con l'efficienza di modulazione QPSK su ogni subcarrier.

Sigfox e Ultra-Narrowband

Il sistema di rilevamento di una banda di trasmissione di frequenza di trasmissione di frequenza inferiore (BP) è sufficiente per il monitoraggio di una banda di trasmissione di frequenza di 100 Hz per canale. La modulazione è il rilevamento di frequenza differenziale di spostamento (DBPSK) sul collegamento di discesa e la frequenza di rotazione di Gaussian (GFSK) è una misura naturale per l'UNB perché può essere demodulato non-coerente, il basso costo

Trade-off: Potenza, Data Rate e Range

BPSK e DBPSK offrono la più lunga portata al tasso di dati più basso, rendendoli ideali per i sensori alimentati a batteria che inviano un paio di byte al giorno da scantinati o aree rurali. QPSK e OQPSK raddoppiano o triplicano la velocità di dati, ma riducono il budget del collegamento di circa 3 dB – il che significa che la gamma si riduce di circa 10-20% per lo stesso ciclo di trasmissione

Considerazioni di attuazione

Sincronizzazione e rumore di fase

I sistemi di rilevamento di flusso IoT a basso costo hanno una precisione limitata (tipicamente ± 20 ppm), che porta a compensazioni di frequenza che possono ruotare la costellazione e causare errori.

Progettazione del Transceiver per Basso Potere

L'amplificatore di potenza (PA) è uno dei più grandi consumatori di energia in un trasmettitore wireless. Le modulazioni PSK che mantengono una busta costante, come BPSK e QPSK (quando si utilizzano un PA lineare), permettono al PA di operare vicino alla saturazione dove l'efficienza raggiunge il 50-60%. Tuttavia, QPSK con una sagomatura di impulso rialzata introduce variazioni di ampiezza che riducono l'efficienza.

Tendenze e tecniche avanzate

La ricerca continua a modulare di fase avanzata per LPWAN, mirando a spingere i confini della sensibilità e dell'efficienza spettrale. Una direzione promettente è l'uso di una modulazione di fase continua (CPM), di cui GMSK e GFSK sono casi speciali.

Conclusioni

Per la robusta semplicità di BPSK nei canali di controllo NB-IoT al DBPSK differenziale utilizzato in Sigfox ultra-narrowband, ogni schema offre un equilibrio unico di gamma, velocità di dati e consumo di energia. Capire questi trade-off è essenziale per gli architetti di sistema IoT che hanno bisogno di selezionare il giusto dispositivo phasem o protocollo per una determinata applicazione LAN.

Per ulteriori informazioni, consultare ]]Serratura di LoRa , ]un sondaggio IEEE sui sistemi di modulazione LPWAN, e L'articolo di Wikipedia sui principi fondamentali di PSK.