Интернет вещей по-русски. Спектральные параметры радио-сигнала
Полгода назад один заказчик заинтересовал меня передачей данных по радио для интернета вещей в нашей отечественной версии — NB-FI. Очевидно, что идеологически это система низкоскоростной передачи данных (Ultra-Narrow Band, UNB) SigFox. В деталях есть отличия, которые несомненно можно назвать улучшениями. Например, в NB-FI введено помехоустойчивое кодирование, которое позволяет значительно повысить вероятность доставки сообщения. Более узкая полоса частот также положительно сказывается на сложности оборудования базовой станции. Все это подробно описано в черновике стандарта, который готовится к принятию в РФ в этом, 2019 году. Но в проекте стандарта есть один, как мне кажется существенный, пробел.
Здесь сделаем одно допущение с целью упрощения и снижения объема материала: будем рассматривать только канал связи от устройства к базовой станции. Тем не менее, именно его рассмотрение является наиболее значимым, так как система и была спроектирована для передачи коротких сообщений от огромного числа датчиков.
Для начала вспомним основные характеристики сигнала SigFox. Скорость модуляции — 100 Бод., вид модуляции — относительная фазовая модуляция — ОФМ (DBPSK). Все оконечные устройства выходят на передачу асинхронно на трех случайных частотных каналах в пределах полосы 192 кГц. Каналы назначены через 100 Гц. То есть, их в полосе работы огромное множество — около 2000 штук. За счет этого большого количества каналов и удается снизить до приемлемой вероятность столкновения двух или более пакетов от разных асинхронных передатчиков.
SigFox публикует документ (Sigfox RF & Protocol Specifications) с описанием своей системы, чтобы производители оконечных устройств могли проверить их на соответствие требованиям системы. По слухам, они даже работают с ETSI (Европейский институт телекоммуникационных стандартов) с целью принятия отраслевого стандарта в Европе.
Что удивительно, наши разработчики и производители пошли по тому же прогрессивному пути! У Технического Комитета по стандартизации 194 «Кибер-физические системы» есть в разработке документ ПНСТ (предварительный национальный стандарт РФ) «Интернет вещей. Протокол обмена для интернета вещей в узкополосном спектре (NB-Fi)». У организации есть сайт. Обнаружить документ там мне не удалось, но есть новость о документе, где он доступен по ссылке «Скачать Протокол».
Из документа мы узнаем об основных характеристиках системы передачи: скорость модуляции — 50 Бод, вид модуляции — ОФМ (DBPSK). Все оконечные устройства выходят на передачу асинхронно на двух случайных частотных каналах в пределах полосы 51.2 кГц. Каналы назначены через 50 Гц. То есть, их в полосе работы ровно 1024 штуки, что очень подходит для экономичного построения гребенки фильтров. При этом все сообщения кодируются кодером ZigZag со скоростью ½.
Здесь есть все, даже описание верхних уровней системы. Но я не смог найти требований к спектру радио-сигнала. Этот параметр показался мне очень важным, так как распространение мощности излучения на соседние каналы должно резко увеличивать вероятность столкновения пакетов разных оконечных устройств.
В документе SigFos требования к спектральным параметрам определены спектральной маской на странице 7.
Чтобы не утомлять читателя скучной теорией, перейдем к веселой практике! Возьмем передатчик NB-Fi одного из наших отечественных разработчиков NB-Fi. Не спрашивайте какого, не скажу. И рассмотрим спектр сигнала в реальном времени.
Видео и еще одно.
На обоих видео установлена полоса анализа спектра 100 кГц, в центр полосы установлен сигнал тестового генератора. Он нужен, чтобы читатель мог убедиться в исправности радио-приемного тракта анализатора спектра и получить примерные представления о его характеристиках. Спектр генератор не очень чистый, что можно видеть, как расходящиеся от центральной частоты гармонические составляющие. На втором видео уровень тестового сигнала увеличен для демонстрации линейности наблюдаемых эффектов.
Сигнал передатчика NB-Fi сначала появляется слева от центрального, потом справа. Это два одинаковых сообщения передаются для уменьшения вероятности их столкновения.
По видео можно констатировать наличие в сигнале NB-Fi всплесков, расширяющих полосу сигнала и создающих провал на основной частоте.
Вот как выглядит мгновенная картинка спектра и график с накоплением максимума (Max Hold).
Качественно можно утверждать, что, даже при вдвое меньшей полосе сигнала NB-Fi, он не удовлетворяет спектральной маске SigFox. Количественно, в полосе ±2500 Гц от основной гармоники спектр не затухает даже на 30 дБ. Если бы в проекте нашего стандарта была приведена какая-то маска, то можно было бы сравнить с ней. А пока можно только сказать, что наши разработчики плевать хотели на спектральные характеристики.
Для подтверждения тезиса рассмотрим сигнал во временной области.
Мы видим, что переходы фазы между интервалами символов настолько резкие, что они не могут не приводить к столь сильным всплескам в амплитудном спектре.
Следует отметить, что SigFox особо озабочен спектральными характеристиками сигналов оконечных устройств, которые формируются с помощь разнообразных контроллеров множества производителей. В спецификации на странице 13 в приложении A.1 Implement the TX Modulation — DBPSK они приводят разные рекомендации по этому поводу.
Скорее всего, проблема в отсутствии в радио-части используемых чипов контроллеров столь низкой скорости модуляции. Все вынуждены использовать повторение информационных символов на более большой скорости модуляции. При этом, естественно, характеристики встроенного сглаживающего фильтра (pulse shaping) на входе модулятора не будут соответствовать нужной низкой скорости модуляции.
Очевидно, что, при наличии таких всплесков спектра, вероятность искажения других сообщений при передаче будет увеличиваться. Так как NB-Fi скоро будет стандартом для всей РФ, то помехи будут создаваться не только своим приемным системам, но и приемным системам других операторов.
Отечественные разработчики совсем не озабочены этим вопросом?
Или они пытаются что-то от нас утаить?
Может быть у производителей уже есть решение этой проблемы?
Вопросы вполне правомерные, стандарт-то государственный.
Я прошу компании, разрабатывающие устройства NB-Fi. предоставить передатчики для измерений или опубликовать результаты своих.
Тем не менее, хочется выразить признательность компаниям, которые поделились частью своих технологий в рамках подготовки стандарта с целью развития отечественной отрасли интернета вещей. Вместе с открытостью в нее придет конкуренция, что создаст предпосылки для рывка в развитии. Это позволит выйти на рынок и мелким предприятиям, что не может не радовать.
Для более подробного анализа, запись отсчетов сигнала передатчика NB-Fi можно скачать здесь. Частота дискретизации — 48кГц, формат — 16-ти битные I/Q.
