Познается в сравнении: беспроводные модули MBee-868 (SerialStar) и DM164138 (LoRaWAN)

22 января

Святослав Зубарев (г. Смоленск)

Беспроводные модули MBee-868 производства российской компании СМК при построении сетей интернета вещей имеют несомненные преимущества по техническим характеристикам и цене над импортными изделиями стандарта LoRaWAN.

Еще до появления беспроводной технологии LoRa на российском рынке существовали устройства, позволяющие создавать сети в том же частотном диапазоне и не уступающие по характеристикам новым решениям LoRa. Примером таких устройств являются показанные на рисунке 1 модули MBee-868 производства компании «Системы, Модули и Компоненты» (СМК).

Рис. 1. Модуль LoRa производства Microchip и MBee-868-2.0 производства СМК

LoRa: преимущества и недостатки

Технология LoRa (от английского «Long Range») была создана группой «LoRa Alliance», компаниями Semtech, Cisco, IBM, Kerlink, MultiTech, IMST и Microchip Technology. Цель ее создания – популяризация протоколов LoRa и LoRaWAN в среде разработчиков. Технология LoRa базируется на открытом протоколе LoRaWAN и использует собственный метод модуляции, «закрытый» патентом Semtech.

Стандартная архитектура сети LoRaWAN включает в себя: конечные устройства, шлюзы, сетевые серверы и серверы приложений (рисунок 2) и имеет топологию «звезда из звезд».

Рис. 2. Архитектура сети LoRa

Главными преимуществами технологии LoRa, позиционируемыми в первую очередь группой «LoRa Alliance», являются:

• малое энергопотребление и возможность длительной автономной работы конечных устройств (до 10 лет от батарейки типа АА);
• большая дальность передачи сигнала относительно других беспроводных технологий, применяемых для телеметрии;
• хорошая устойчивость ко внешним помехам за счет возможности демодуляции сигналов на уровне ~20 дБм ниже уровня шумов;
• высокая проникающая способность, в том числе в городской среде;
• высокая масштабируемость построенной сети на больших площадях;
• возможность работы без получения частотного разрешения, так как технология использует нелицензируемый диапазон частот.

Однако данные преимущества не всегда подтверждаются на практике, особенно это относится к проникающей способности и помехоустойчивости.

Даже с учетом всех преимуществ сети, построенные на базе LoRa-технологии, имеют ряд недостатков:

• Проблемы совместимости. Несмотря на то что разработчики решений на базе LoRa утверждают, что технология и построенная на ее базе экосистема являются открытыми, для конечного пользователя эта открытость носит достаточно условный характер. На практике это связано с тем, что конечные устройства (датчики, счетчики) разных производителей базируются на разных прошивках, и алгоритмы упаковки данных редко оказываются совместимыми и взаимозаменяемыми. Кроме того, ключи шифрования, как правило, хранятся только на сервере поставщика решения, в связи с чем при переходе к другому производителю теряется возможность использования устройства по назначению, так как без ключей шифрования решение просто не заработает. В результате конечный потребитель жестко привязан к конкретному поставщику, а попытки перехода сопровождаются заменой оборудования и программного обеспечения, то есть – всей системы.
• Скорость передачи. Большая дальность связи возможна лишь на крайне низкой битовой скорости, что в свою очередь не позволяет строить сети большой емкости. Кроме того, из-за малой скорости возрастает время передачи данных: один пакет может передаваться до 2 секунд, что не дает возможности организовывать сети с высокой плотностью абонентов и системы реального времени. Помимо этого, малая скорость передачи снижает помехоустойчивость системы (пакет передается долго, высока вероятность его искажения). Защита от помех в случае с LoRa обеспечивается исключительно за счет широкополосного кодирования, в связи с чем система уязвима для помех от устройств, работающих в той же полосе. Еще один немаловажный фактор, обусловленный низкой скоростью передачи – рост энергопотребления: устройства системы находятся в режиме приемопередачи дольше, чем если бы это происходило на высоких скоростях. Выбор скорости для LoRa-систем – это всегда поиск компромисса между зоной покрытия и объемом передаваемых данных.
• Модуляция. LoRa использует собственный, разработанный Semtech и закрытый патентом метод модуляции. Он основан на модуляции с расширением спектра (Spread Spectrum Modulation, SSM) и вариации линейной частотной модуляции (Chirp Spread Spectrum, CSS), при которой данные кодируются широкополосными импульсами.
• Стоимость конечных устройств и оборудования довольно высока. Устройства и оборудование для построения LoRa-сетей, перед тем как попасть к конечному потребителю, проходят через руки множества других участников рынка, среди них:
  • компания Semtech – разработчик чипов;
  • разработчики радиомодулей;
  • разработчики смарт-устройств;
  • разработчики станций и шлюзов;
  • разработчики приложений;
  • операторы сетей, инфраструктуры

Каждый участник закладывает в продукцию свой процент для получения прибыли, увеличивая таким образом стоимость конечного решения. В итоге цена устройства составляет от $40 (для самых простейших датчиков) до $120 или более.

• Топология. Отсутствие возможности построения сетей более сложной чем «звезда» топологии. Основной недостаток »звезды» – безусловная подчиненность конечных устройств шлюзу, выход которого из строя повлияет на работоспособность всей системы.

Таким образом, несмотря на явные плюсы и революционность для своего времени, технологии LoRa имеет существенные недостатки, в основном связанные со скоростью передачи, что особенно сказывается на построении сетей реального времени, а также сетей интернета вещей. Однако перечисленных недостатков можно избежать, построив сеть при помощи узкополосных устройств передачи данных, ярким примером которых являются российские радиомодули MBee-868.

MBee-868: надежное решение в диапазоне 868 МГц

Модули MBee-868 являются разработкой компании «Системы, Модули и Компоненты». Опыт компании в разработке и производстве оборудования для построения маломощных беспроводных сетей – более десяти лет. Решения компании находят применение в железнодорожной отрасли, ЖКХ, охранно-пожарных системах, строительстве, системах управления и мониторинга и многих других областях. Разработанные компанией СМК модули MBee-868 призваны занять нишу узкополосных устройств в диапазоне 868 МГц. Благодаря им конечный пользователь получает устройства, характеристики которых превосходят как зарубежные, так и отечественные аналоги.

Программная часть модулей MBee-868 строится на базе прошивки SerialStar – собственной разработки СМК, основанной на протоколе SimpliciTI от компании Texas Instruments.

Прошивка SerialStar дает модулям MBee следующие преимущества:

• Оптимизация и конфигурация. SerialStar была создана с учетом аппаратной части модулей MBee и имеет высокую степень оптимизации. SerialStar позволяет работать практически со всеми доступными выводами модуля с возможностью их гибкой конфигурации.
• Управление. SerialStar позволяет управлять модулями посредством специальных AT-команд, API-фреймов либо организовать работу модуля в автономном режиме.
• Адресация. Для того чтобы сигналы двух модулей, взаимодействующих между собой по топологии «точка-точка», не перекрывались сторонними пакетами данных, а также для организации сети в прошивке SerialStar присутствует довольно продвинутая система адресации. На каждый модуль выделяются три типа адресов: ID сети (1 байт), ID системы (2 байта) и ID модема (2 байта), что суммарно дает практически бесконечный диапазон адресов. По умолчанию адресация настроена таким образом, что все конечные устройства будут сообщаться друг с другом без корректировки каких-либо параметров и настроек. Кроме того, для упрощения процесса адресации и возможности создания групп узлов в SerialStar доступен такой мощный инструмент как маска сети. Маска необходима для определения нахождения узлов сети в одной группе и работает аналогично маске подсети в IP-протоколе: внутри одной сети узлы обмениваются пакетами напрямую, но, если нужно послать пакет в другую сеть, шлют их через шлюз.
• SimpliciTI. SerialStar, построенная на базе SimpliciTI, имеет все ключевые преимущества протокола: благодаря малому размеру кода прошивка предъявляет низкие требования к аппаратной части, благодаря чему себестоимость модулей MBee-868 и, как следствие, сети получается ниже, чем у конкурирующих решений. Кроме того, SimpliciTI разрабатывался с учетом того, что устройства большую часть времени находятся в спящем режиме, благодаря чему потребляемый модулями ток достаточно мал.
• Топология. Прошивка SerialStar, основанная на протоколе SimpliciTI, позволяет создавать сети с топологией «звезда», «звезда с ретрансляцией» и «точка-точка» с количеством узлов до нескольких десятков тысяч (рисунок 3).

Рис. 3. Пример организации сети по протоколу SimpliciTI

• Работа «из коробки». MBee-868 — модули от СМК с прошивкой SerialStar, готовые начать работу сразу же после подачи питания: все данные, поступающие на UART одного модуля, будут передаваться по беспроводному каналу связи на выход UART другого модуля без дополнительных настроек.

Помимо особенностей прошивки модулей MBee-868, стоит также учесть и их технологические параметры, которые играют немаловажную роль при построении сети.

На данный момент компанией СМК выпускаются две модели модулей MBee-868: MBee-868-2.0 и MBee-868-3.0 с выходной мощностью до 27 и до 12 дБм соответственно (рисунок 4). Факт возможности установки выходной мощности до 27 дБм является немаловажным при проектировании сети, так как совсем недавно государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) приняла решение о введении в РФ нового частотного отрезка в диапазоне 868 МГц и увеличении максимальной мощности до 100 мВт (+20 дБм) для беспроводных устройств малого радиуса действия (Приложение № 12 к решению ГКРЧ от 11 сентября 2018 г. № 18-46-03-1), тем самым расширив возможности применения MBee-868-2.0 для конечных пользователей.

Рис. 4. Внешний вид модулей MBee-868-2.0 и MBee-868-3.0 производства компании СМК

Обе модели построены на базе семейства микросхем CC430 типа «система-на-кристалле» производства компании Texas Instruments. Они имеют низкий уровень энергопотребления и доступны пользователям в различных модификациях, отличающихся по типу антенного разъема (SMA, RP-SMA или UFL), способу монтажа (штыревые разъемы 2x PLS2 или пайка) и другим параметрам.

Выбранная модификация и установленные в SerialStar параметры влияют на дальность связи модулей и, как следствие, на характер их применения. В качестве примера проведем оценку расстояний, при которых для выбранной при помощи настройки модуля битовой скорости будет организована устойчивая связь (запас чувствительности – не менее 20 дБм). В качестве стартовых параметров выберем мощность передатчика 14 дБм для MBee-868-2.0 и 10 дБм для MBee-868-3 (таблица 1).

Таблица 1. Исходные данные для расчета дальности передачи данных модулями MBee-868

Расчет дальности в свободном пространстве для данного частотного диапазона проведем по формуле Фрииса (формула 1):

$$P_R=P_T\frac{G_T{G}_R{\lambda }^2}{(4\pi {)}^2{d}^2},(1)$$

где:

P_R – мощность, полученная от приемной антенны (Вт);
P_T – мощность, подаваемая на передающую антенну (Вт);
G_R – коэффициент усиления приемной антенны;
G_T – коэффициент усиления передающей антенны;
d – расстояние (м);
λ – длина волны, определяемая как λ = c/f;
c – скорость света в вакууме = 299,972458⋅10⁶ м/с;
f – частота (Гц).

Данная формула описывает зависимость уровня сигнала в приемнике (P_R) от выходной мощности передатчика (P_T), расстояния (d), частоты (f) и коэффициентов усиления антенн (G_T иG_R).

Результаты расчета дальности связи для MBee-868-2.0 и MBee-868-3 приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты расчета дальности передачи данных модулями MBee

Так как конфигурация модулей MBee влияет на их возможности и характер применения, компания СМК разработала для своих клиентов специальную среду MB-Studio, позволяющую проводить настройку модулей посредством простого графического интерфейса без необходимости подробного изучения встроенных AT-команд (рисунок 5).

Рис. 5. Интерфейс программы MB-Studio

MB-Studio позволяет проводить настройку модулей MBee-868, работающих под управлением SerialStar, как подключенных локально (то есть непосредственно к персональному компьютеру), так и находящихся на удалении (подключенных по беспроводному интерфейсу). Кроме того, в программе присутствует функция мониторинга траффика, проходящего через модуль (эфирный трафик отображается в отдельном окне программы), что может оказаться крайне полезным при первоначальном развертывании сети. Данная утилита позволяет, не изучая документации на прошивку, произвести настройку таких параметров как:

• параметры сети (адресация);
• радиочастотные параметры (частотный канал, скорость, выходная мощность модуля);
• параметры сна;
• параметры работы портов GPIO;
• параметры АЦП и ШИМ.

Выбранные значения можно сохранить в энергонезависимой памяти модуля. Стоит также отметить, что MB-Studio постоянно совершенствуется, и в скором времени готовится к выпуску новая, еще более продвинутая версия данного программного обеспечения.

Итак, к основным преимуществам использования модулей MBee-868 следует отнести:

• программное обеспечение SerialStar на основе протокола SimpliciTI;
• низкий уровень энергопотребления конечных устройств;
• высокую скорость передачи данных;
• высокую помехоустойчивость;
• отсутствие необходимости получения частотного разрешения вследствие использования нелицензируемых частот;
• малую задержку передачи, возможность применения в системах реального времени;
• русскоязычную поддержку;
• среду конфигурации модулей MB-Studio;
• возможность работы узлов сети в качестве ретранслятора (наличие ретрансляторов позволяет значительно расширить возможности сети за счет применения более сложных, по сравнению с простой «звездой», сетевых топологий).

LoRa vs MBee-868

Так что же лучше для построения сети? Данный вопрос следует рассматривать с точки зрения как программной, так и аппаратной частей доступного на российском рынке оборудования. 

Программная часть

Модули LoRa при работе используют технологию LoRaWAN, в свою очередь MBee-868 используют прошивку SerialStar, основанную на протоколе SimpliciTI. В таблице 3 отображены сравнительные характеристики LoRaWAN и SerialStar.

Таблица 3. Сравнение характеристик LoRaWAN и SerialStar

Как видно из таблицы 3, несмотря на то, что LoRaWAN обходит SerialStar по показателю дальности (последний рекорд для LoRaWAN составил 766 км), SerialStar выдает значительно более высокую скорость передачи, может работать с большим количеством каналов (причем везде, кроме фиксированных каналов, позволяет точно подстраивать центральную частоту для более гибкого управления сетью), не использует «закрытую» модуляцию, а оборудование на базе SerialStar более доступно. Кроме того, для увеличения дальности связи всегда можно использовать ретрансляторы, в качестве которых может выступать любой узел в архитектуре SerialStar.

Аппаратная часть

Для сравнения ключевых технических параметров и возможностей приемопередачи в качестве модуля на основе технологии LoRa выберем плату DM164138 производства компании Microchip на основе модуля RN2483 и сравним ее с модулями MBee-868-2.0 и MBee-868-3.0 производства компании СМК (таблица 4).

Таблица 4. Сравнение параметров модулей DM164138, MBee-868-2.0 и MBee-868-3.0

Как видно из таблицы 4, недостатки программной части модулей неизбежно перекочевали и в аппаратную часть: доступность отразилась на цене (стоимость модулей MBee в четыре раза ниже), а технология построения и модуляция – на энергопотреблении и скорости. Последний параметр (скорость) в свою очередь влияет не только на организацию связи «приемник-передатчик», но и на емкость сети в целом.

Емкость сети

Одним из ключевых параметров организации сети является ее емкость, которая, как упоминалось ранее, зависит от скорости передачи данных. В качестве примера возьмем организацию сети телеметрии для передачи показаний счетчиков в жилом комплексе от множества конечных устройств на один сервер. Пусть размер пакета, содержащего в себе показания, составляет 40 байт, а период их передачи – 1 час, в таком случае скорость передачи одного пакета можно рассчитать по формуле 2:

$$T_{pack}=\frac{Payload}{V},(2)$$

где:

T_pack – длительность передачи одного пакета;
Payload – размер пакета;
V – эфирная битовая скорость.

Количество сообщений, определяющее максимальную емкость сети, которое сможет принять приемник за 1 час, определяется по формуле 3:

$$G=\frac{3600}{T_{pack}}\times K,(3)$$

где:

G – количество сообщений;
K – процент коллизий (на практике для расчета берется наихудший вариант в 50%).

В таблице 5 приведены примеры расчета емкости сети при максимальных и минимальных скоростях передачи для LoRa (модуляция LoRa) и MBee-868.

Таблица 5. Емкость сети для LoRa и MBee-868

Это огрубленный расчет, однако его результатов достаточно, чтобы наглядно оценить преимущество применения MBee-868 для построения сетей со множеством абонентов.

Итак, помимо преимуществ в скорости передачи, влекущих за собой в том числе и величину емкости сети, более низкого энергопотребления и множества вариантов конфигурации, позволяющих подобрать решение под конкретную задачу, модули MBee также выигрывают благодаря оптимизированному программному обеспечению, позволяющему производить конфигурацию в том числе и при помощи графического интерфейса, а также доступности для конечного потребителя и цене.

Заключение

MBee-868 – отличный вариант для построения локальных беспроводных сетей на частоте 868 МГц, в том числе сетей интернета вещей. Модули MBee-868 производства компании СМК построены на базе программного обеспечения SerialStar на основе протокола SimpliciTI, обладают высокой скоростью передачи и в то же время имеют низкий ток потребления, что гарантирует длительную работу в автономном режиме. Кроме того, ценовая политика компании СМК делает модули MBee-868 весьма доступными, а разработанное компанией программное обеспечение MB-Studio позволяет проводить упрощенную настройку и следить за модулями в режиме реального времени.