W ostatniej dekadzie nastąpił rozwój technologii komunikacji w paśmie nielicencjonowanym ISM (Industrial, Scientific, Medical). Oznacza to większe możliwości, ale równocześnie większą złożoność. Alviano Burello, kierownik działu rozwiązań biznesowych technologii bezprzewodowych w Future Electronics, wyjaśnia to zagadnienie.

W latach 90. ograniczona wydajność mikrokontrolerów ograniczała wybór topologii przez projektanta: większość sieci bezprzewodowych w tamtych czasach opierała się na połączeniach punkt-punkt, obsługiwanych przez proste protokoły.

Ograniczenie zasięgu i liczby węzłów realizowalnych w tej technologii spowodowała rozwój topologii siatki oraz drzewa. W ostatnich latach w branży dominuje standard ZigBee i związana z nim topologia siatki, które są stosowane do realizacji dużych i złożonych sieci pracujących w paśmie ISM.

Niestety, topologia siatki jest ze swej natury złożona i trudniejsza w implementacji, niż topologia gwiazdy.  Jest to wysoka cena, którą trzeba zapłacić za dodatkowe kilometry zasięgu oferowane przez ZigBee, jeśli poza tym funkcjonalność topologii gwiazdy jest równoważna. Z tego powodu technika pozwalająca na znaczne zwiększenie zasięgu topologii gwiazdy wzbudza duże zainteresowanie wśród inżynierów.

Topologia siatki: złożona z natury

Topologia gwiazdy ma niestety mniejszy zasięg maksymalny, niż topologia siatki. Na rysunku 1 widać, że zasięg sieci gwieździstej jest równy odległości między dwoma węzłami.

Natomiast topologia siatki oznacza, że sieć tworzy ciąg regeneratorów sygnału, które mogą odebrać i przesłać wiadomość z każdego węzła do każdego innego. W takiej sieci routing przebiega dynamicznie, a sygnały są przekazywane między kolejnymi węzłami jak pałeczka w sztafecie, aż osiągną punkt docelowy. Oznacza to, że zasięg sieci o topologii siatki teoretycznie może być nieograniczony.

W praktyce oczywiście oprogramowanie, które charakteryzuje wszystkie węzły, zarządza czasem transmisji i routingiem pomiędzy węzłami, jest bardzo skomplikowane. Im więcej węzłów występuje w sieci, tym więcej możliwych tras do wyboru. Oprogramowanie sterujące ruchem w topologii siatki zatem szybko staje się skomplikowane i trudne w zarządzaniu.

Przekłada się to na wzrost pojemności pamięci w warstwie fizycznej sieci, a więc także na całkowity koszt realizacji. Złożony protokół sieciowy, taki jak ZigBee, wymaga stosowania wydajnych mikrokontrolerów oraz znacznych zasobów pamięci.

Rys. 1. Topologia gwiazdy (po lewej) i siatki (po prawej)

Sieci o topologii siatki stawiają duże wymagania zarówno pod względem sprzętu, jak i oprogramowania. W przeszłości dla projektantów systemów pracujących w paśmie ISM o zasięgu kilku kilometrów i niewielkiej szybkości transferu topologia siatki była jedynym sensownym rozwiązaniem. Zasięg sieci gwiaździstej był ograniczony do około 1 kilometra w wolnej przestrzeni. Dostępna niska przepustowość była ograniczona stosunkiem sygnału do szumu (SNR).

Obecnie w większości systemów lepszy byłby jednak wybór topologii gwiazdy, zamiast siatki. Ponieważ sieć gwiaździsta składa się z jednego węzła nadrzędnego i wielu węzłów podrzędnych, routing i zarządzanie ruchem jest znacznie prostsze, niż przy topologii siatki. Asynchroniczny system zapewnia minimalne obciążenie ruchem i tym samym najbardziej efektywnie wykorzystuje dostępny czas pracy, zmniejszają zużycie mocy. Jednocześnie ryzyko kolizji między dwiema ramkami danych jest niskie. W ogólności narzut oprogramowania w topologii gwiazdy jest znacznie mniejszy, niż w topologii siatki.

Co więcej, w nieregularnej siatce każdy z węzłów musi być samodzielny, tym samym złożony i kosztowny. W topologii gwiazdy cała zarządzanie jest skoncentrowane w jednym węźle kontrolnym, a węzły podrzędne są proste i tanie w realizacji.

W praktyce sieć o topologii gwiazdy można zrealizować nawet przy pomocy słabego mikrokontrolera i niewielkiej ilości pamięci Flash w węźle głównym. Oznacza to również niski poziom mocy, co jest zaletą w systemach zasilanych z baterii.

Ograniczeniem, które powstrzymuje projektantów przed realizacją topologii gwiazdy jest zasięg między węzłami. Ten zasięg silnie zależy od modulacji zastosowanej w nadajnikach radiowych. Nadajniki pracujące z częstotliwością poniżej 1 GHz typowo stosują modulację z kluczowaniem częstotliwości (FSK) lub kluczowaniem amplitudy (ASK). Obie techniki są wrażliwe na szumy i interferencje, przez co ograniczają maksymalny zasięg transmisji.

Z pomocą przychodzi nowa technika modulacji cyfrowej wprowadzona przez firmę Semtech, która umożliwia znaczne zwiększenie odległości między węzłami. Transmisje mogą się odbywać nawet na odległość 10 km na otwartej przestrzeni bez przekroczenia dopuszczalnego poziomu emitowanej mocy, na przykład 14 dBm dla częstotliwości 868 MHz. Zwiększenie odległości między węzłami sprawia, że systemy, które poprzednio wymuszały stosowanie topologii siatki, aby uzyskać transmisję na większe odległości, teraz można zrealizować w topologii gwiazdy. Tym samym dostępne staja się korzyści płynące z prostszej architektury.

Nowa technika modulacji Semtech o nazwie LoRa (skrót od Long Range) jest całkowicie asynchroniczną metodą modulacji cyfrowej. Opiera się na metodzie rozpraszania widma (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). Pozwala na wybór ciągu rozpraszającego i szerokości pasma, aby dostosować połączenie do wymagań. Osiągana szybkość transmisji to od 300 b/s do 21 kb/s.

Duże możliwości technologii LoRa umożliwiają między innymi odbiór sygnału 22 dB poniżej poziomu szumów przy jednoczesnym tłumieniu sąsiednich kanałów o 65 dB w odstępie 25 kHz. Jest to około 30 dB więcej, niż było możliwe w modulacji FSK.

Jednocześnie firma Semtech zapewniła ortogonalność między sygnałami pracującymi na tej samej częstotliwości, lecz przenoszącymi dane o różnej szybkości transferu. Technika ta pozwala uniknąć kolizji między dwoma sygnałami i zwiększyć całkowitą przepustowość każdego z łączy.

Rys. 2. Schemat blokowy modułów nadawczo-odbiorczych SX1276/SX1277/SX1278 firmy Semtech