XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Важнейшей характеристикой системы сигналов является ее помехоустойчивость — пороговое отношение сигнал/шум в канале с аддитивным белым гауссовским шумом. Если в SNBWAN используются традиционные узкополосные сигналы: в восходящей радиолинии с модуляцией 4FSK, в нисходящей — DBPSK, то в LoRa — сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и циклическим М-позиционным временным сдвигом для передачи k бит данных одним символом ЛЧМ (M = 2k ). Системы сигналов LoRa и SNBWAN различаются размером ансамблей элементарных символов и различимостью этих символов, которая количественно характеризуется коэффициентами взаимной корреляции. В вопрос оценки помехоустойчивости сигналов LoRa умышленно внесли путаницу фирма Semtech и альянс LoRaWAN. Из маркетинговых соображений во всех документах они приводят пороговое отношение сигнал/шум C/N (125 кГц) в полосе частот ЛЧМ-сигнала 125 кГц, которое значительно ниже отношения сигнал/шум C/N (В) в информационной полосе частот В, численно равной скорости передачи данных (1/T) бит/с, хотя показателем энергетической эффективности системы сигналов является именно отношение C/N (В). Это отношение преобразуется следующим образом: C/N(В) = PC/PN = PC×T/(PN/B) = Eb/N0, где PC —мощность сигнала, Вт; PN —мощность шума в полосе частот B = 1/T, Вт; T—длительность бита, с; Eb —энергия сигнала на бит, Eb = PC×T, Вт·с (Дж); N0 —спектральная плотность мощности шума, N0 = PN/B, Вт/Гц

Пороговое отношение энергии сигнала на бит к спектральной плотности мощности шума Eb/N0 позволяет объективно сравнить различные системы сигналов по помехоустойчивости. Это сравнение приведено в таблице. Для спутникового IoT по технологии LoRaWAN признаны рациональными параметры режима DR3, у которого пороговое значение Eb/N0 равно +6 дБ. Определим пороговое отношение Eb/N0 для SNBWAN. В нисходящей линии SNBWAN используется сигнально-кодовая конструкция (ССК) c DBPSK-модуляцией и сверточным кодированием c R = 1/2, k = 3 (ν = 2). Размер пакета нисходящей линии равен 88 информационных бит (входных бит кодера — выходных бит декодера), включая CRC (рис. 2). Для пороговой вероятности ошибки пакета 0,1 вероятность ошибки информационного бита должна быть Pb = 1 – (1 – 0,1)1/88 = 1,2 × 10–3, а вероятность ошибки двухбитного (4-позиционного) кодового символа [4] Ps = Pb(M – 1)/(M/2)=1,2×10–3×3/2=1,8×10–3. По кривой для ν = 2 на рис. 6–16 в [9] определим, что при DBPSK, для которой кривые должны быть сдвинуты по оси абсцисс на 3 дБ влево, Eb/Nо = +6,25 дБ. Таким образом, нисходящая линия SNBWAN уступает в помехоустойчивости LoRaWAN в режиме DR3 всего 0,25 дБ.

В восходящей линии SNBWAN используется ССК с 4FSK-модуляцией и тем же кодированием. Размер пакета восходящей линии равен 108 информационных бит, включая CRC. Для пороговой вероятности ошибки пакета 0,1 вероятность ошибки информационного бита должна быть Pb = 1 — (1 – 0,1)1/108 = 9,75×10–4, а вероятность ошибки 4-позиционного кодового символа [4] Ps = Pb(M – 1)/(M/2) = 9,75×10–4×3/2=1,5×10–3. Пунктирная кривая на рис. 6–16 в [9], соответствующая передаче без кодирования, отражает форму зависимостей вероятностей ошибки на символ M-позиционных ортогональных сигналов при некогерентном приеме, совмещенных с зависимостью вероятности ошибки двоичных ортогональных сигналов, путем сдвига по оси абсцисс на 10lg(log2M) вправо. Аналогично сдвинуты вправо и кривые для передачи с кодированием. Поэтому, чтобы найти фактическое значение Eb/Nо, необходимо, так же как при DBPSK, сдвинуть графики на 10lg(log2M) дБ влево. Для M = 4 сдвиг равен 3 дБ, а для ν = 2 Eb/Nо = +6,3 дБ. Сравнение с LоRaWAN показывает, что нисходящая линия SNBWAN уступает в пороговом отношении Eb/Nо режиму DR3 LoRaWAN только 0,3 дБ.

Как видно из таблицы, пороговое отношение Eb/N0 у SNBWAN и LoRaWAN в режиме DR3 практически одинаково. Если бы в LoRaWAN использовалась М-позиционная система ортогональных сигналов, то при значениях М 128–4096 она имела бы превосходство в помехоустойчивости 3–4 дБ. Но ЛЧМсигналы при выбранных параметрах далеко не ортогональны, поэтому LoRaWAN либо проигрывает в помехоустойчивости SNBWAN, либо обеспечивает ничтожный выигрыш, что развеивает миф о превосходстве широкополосной модуляции LoRa в энергетике радиолинии над узкополосными методами модуляции, если только узкополосная модуляция — это не 2FSK с приемом по мгновенной частоте. Другой миф сформировал ошибочное представление об исключительной устойчивости демодулятора сигналов LoRa к большой частотной ошибке. На самом деле во время поступления на вход преамбулы и синхрослова приемник LoRaWAN с высокой точностью настраивается на частоту сигнала, а возможность увеличения допустимой частотной ошибки достигается ценой использования очень длинной преамбулы. Даже для наземной связи рекомендована длительность преамбулы 19 байт (рассчитано по времени передачи «накладных расходов» 150 мс из таблицы 2 в [1], где для расчета длины преамбулы с синхрословом вычтена длительность заголовка физического уровня с его CRC и проверочными символами FEC). Для спутниковой связи, с ее большим доплеровским смещением частоты, длительность преамбулы должна быть много больше. Требование к длительности преамбулы не зависит от размера пакета полезных данных, а определяется только необходимым диапазоном подстройки приемника по частоте. Максимальная длина преамбулы 65 536 символов, или 73 728 байт данных в режиме DR3. Такой большой объем «накладных расходов» по отношению к объему полезных данных значительно снижает пропускную способность и без того низкоскоростной LPWAN-связи «Интернета вещей».

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ETSI TR 103 526 V1.1.1 (2018-04). System Reference document (SRdoc); Technical characteristics for Low Power Wide Area Networks Chirp Spread Spectrum (LPWANCSS) operating in the UHF spectrum below 1 GHz. www.etsi.org/deliver/etsi_tr/103500_103 599/103526/01.01.01_60/tr_103526v010101p. pdf

www.thethingsnetwork.org/forum/t/lora-tcxoat-low-bandwidth/17259/9/

Зверев Б., Сартаков А. SNB — новая LPWAN-технология «Интернета вещей» с высокой пропускной способностью // Control Engineering Россия IIoT. 2019. Июнь. www.controlengrussia.com/internet-veshhej/ snb/

Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е. Пер. с англ. М.: Вильямс, 2003.