Обзор
LoRaWAN – это двунаправленный протокол со сквозным шифрованием, который работает с использованием расширения спектра методом линейной частотной модуляции (CSS) в субгигагерцовых региональных ISM- и минимально лицензируемых диапазонах частот.
LoRa Alliance – это открытая некоммерческая организация, членами которой являются более 500 компаний, в том числе IBM, Cisco, Orange, Renesas, Semtech, Arduino, Microchip, ST Microelectronics и ARM.
Столь широкая поддержка этой технологии в отрасли означает её поддержку во всём мире, поэтому уже сегодня насчитывается более 350 проектов (пробных эксплуатаций и внедрений).
Основные особенности
Технология LoRaWAN обещает большую дальность действия – от 25 до 50 км вне помещений, а также очень хорошие показатели проникновения внутри зданий, что позволяет применять её в разнообразных строениях, на подвальных этажах и в гаражах. Абонентские устройства обычно работают с низкими скоростями передачи данных, а в их состав входят недорогие датчики и аккумуляторы со сроками службы более 10 лет, а в некоторых случаях и до 20 лет.
LoRaWAN представляет собой масштабируемую технологию, которая поддерживает устройства для частного и общедоступного применения с относительно небольшой инфраструктурой по сравнению с другими решениями, например технологией сотовой связи. Она включает в себя эталонное оборудование и разработки, в некоторых из которых используется программное обеспечение с открытым исходным кодом. Дополнительно она имеет функцию определения географического местоположения, не связанную с системой глобального позиционирования (GPS). Возможность определения местоположения без GPS очень важна, поскольку использование GPS может приводить к значительному расходу заряда аккумуляторной батареи. Определение местоположения с помощью LoRaWAN гораздо менее точно по сравнению с GPS; оно основано на алгоритме различения моментов поступления сигнала, позволяющем определять местоположение с точностью до ближайшего городского квартала.
LoRaWAN обладает двумя отличительными свойствами, позволяющими повысить продолжительность работы аккумуляторных батарей в отдалённых узлах сети, что зачастую является ключевым преимуществом этой технологии. Во-первых, применяемая в LoRaWAN модуляция CSS позволяет работать с уровнями на 25 дБ ниже уровней мощности сигналов помех, при этом шлюзы по-прежнему принимают полезный сигнал. Во-вторых, в LoRaWAN используется адаптивный алгоритм скорости передачи данных, который для оптимизации времени излучения настраивает скорость передачи данных конечного узла в зависимости от его удалённости от шлюза.
Цели испытаний
Поскольку большинство предлагаемых LoRaWAN преимуществ связаны с применяемой технологией радиосвязи высокой сложности и продолжительным временем автономной работы её устройств, тщательные испытания этих устройств на этапах исследований и разработки, проверки и производства чрезвычайно важны.
Недорогие конечные устройства делают технологию LoRaWAN популярной в тех областях, где используется большое количество датчиков. Стоимость установки датчиков может значительно превышать стоимость самих датчиков, и заказчики могут требовать продолжительных гарантийных сроков, обеспечивающих их успешное применение в течение длительного времени. Ошибки микропрограммного обеспечения или дефект аппаратной части конечного устройства, приводящие к чрезмерному расходованию заряда аккумулятора, способны погубить экономическую эффективность проекта. Таким образом, крайне важно обеспечить соответствие разрабатываемого LoRaWAN-устройства требованиям стандарта по следующим параметрам:
- соответствие требованиям нормативных документов, регулирующих использование радиочастотного спектра;
- характеристики передачи ВЧ-сигнала;
- характеристики приёма ВЧ-сигнала;
- продолжительное время работы от аккумуляторных батарей.
Соответствие требованиям нормативных документов
Каждое радиоустройство должно соответствовать различным нормативным требованиям. Например, в США использование в протоколе LoRaWAN технологии CSS означает, что оно должно соответствовать требованиям Федеральной комиссии по связи FCC, часть 15.247, которые применяются к осуществляемым в нелицензируемых радиоустройствах передачам с дискретной перестройкой несущей частоты и расширением спектра.
LoRaWAN-устройства необходимо тестировать в режимах цифровой модуляции и расширения спектра, а также в смешанном режиме, при котором используются аспекты как цифровой модуляции, так и расширения спектра. Компания Semtech, поставщик аппаратных средств стандарта LoRaWAN, предлагает разнообразные рекомендации по применению, призванные помочь разработчикам и изготовителям обеспечить соответствие устройств нормативным требованиям FCC.
Характеристики передачи ВЧ-сигнала
Качество выполняемой устройством передачи важно для обеспечения длительного времени работы аккумуляторной батареи. Если пакет данных не принят, его необходимо отправлять повторно, а это влечёт за собой расход заряда аккумуляторов передающего и принимающего устройств. Всё, что необходимо, – это относительно несложная установка, в которой используется программное обеспечение для отправки последовательностей специальных тестовых сигналов на тестируемое устройство и анализатор сигналов для измерения параметров сигнала, передаваемого тестируемым устройством.
В качестве анализатора сигналов можно использовать анализатор сигналов серии X, например N9020B MXA компании Keysight (см. рис. 1), или анализатор сигналов в формате PXI. Кроме того, можно расширить возможности анализатора сигналов за счёт программного обеспечения, позволяющего выполнять измерения качества модуляции.
Список некоторых ключевых параметров, проверяемых в ходе тестирования LoRaWAN-устройств согласно FCC, часть 15.247:
- выходная мощность ≤30 дБм;
- полоса пропускания по уровню 6 дБ >500 кГц в режиме цифровой модуляции;
- спектральная плотность мощности ≤8 дБм в любой полосе частот шириной 3 кГц;
- полоса пропускания по уровню 20 дБ ≤500 кГц для канала c дискретной перестройкой несущей частоты;
- мощность паразитных излучений на несущей частоте ≤–43 дБм от 10 МГц до десятой гармоники несущей частоты передатчика;
- тесты характеристик передатчика в режиме частотной манипуляции, основанные на измерении отклонений девиации частоты и частоты несущей.
Характеристики приёма ВЧ-сигнала
Поскольку в LoRaWAN используются сигналы небольшой мощности, важно проверять верность настройки чувствительности приёмника и правильность выполнения приёмным устройством демодуляции сигнала и фильтрации всех помех, в том числе внутриканальных и межканальных. Такие тесты можно проводить с помощью программного обеспечения Signal Studio компании Keysight, которое позволяет управлять генератором сигналов и формировать сигналы стандарта LoRaWAN.
В качестве генератора для таких испытаний можно использовать векторный генератор сигналов N5182B серии MXG компании Keysight (см. рис. 2) или модульный генератор сигналов в формате PXI. В любом из этих случаев сигнал ослабляют с помощью аттенюатора до очень низкого уровня мощности и передают на LoRaWAN-устройство, которое принимает этот сигнал. Тестируемое устройство стандарта LoRaWAN обычно запускается вместе с испытательным программным обеспечением компании Semtech, которое работает с сигналом повторяющейся произвольной формы от генератора в качестве испытательного сигнала и подсчитывает число пакетов, принятых правильно, и число пакетов с ошибкой.
Измерение разряда батареи с помощью анализатора питания постоянного тока
Поскольку продолжительная работа аккумуляторной батареи является ключевым аспектом многих областей применения технологии LoRaWAN, важно располагать правильными и точными результатами измерений текущего потребления. Более того, важно знать потребление заряда для каждой операции LoRaWAN-устройства и учитывать это при разработке микропрограммного обеспечения.
При переходе из состояний с низким потреблением мощности («спящий» режим, бездействие, приостановленные процессы и т.д.) в режимы работы (приём, передача или технологический) значение потребляемого конечным LoRaWAN-устройством тока будет, вероятно, изменяться на несколько порядков. Таким образом, важно иметь возможность выполнять измерения в широком динамическом диапазоне без неоднородностей, связанных с переключением диапазонов. Например, если наибольший рабочий ток устройства или его компонента в 250 000 раз больше тока в режиме с наименьшим потреблением, для охвата такого диапазона АЦП необходимо разрешение 18 бит. Если требуется точность 1%, необходимы ещё 7 дополнительных бит, всего в сумме 25 бит.
Большинство приборов не способно обеспечить такое требование в едином диапазоне измерений, поэтому лучше остановить свой выбор на приборе с автоматическим выбором диапазона измерений. Это анализатор питания постоянного тока N6705C (см. рис. 3) с модулем источника/измерителя N6781A или N6785A компании Keysight.
Автоматический выбор диапазона измерений в анализаторе N6705C обеспечивает эквивалент 28-битного динамического диапазона без неоднородностей, связанных с переключением диапазонов.
Для технологии LoRaWAN крайне важны испытания чувствительности приёмника при различных коэффициентах расширения спектра. Также необходимо убедиться в том, что в присутствии сигнала помехи уровень чувствительности приёмника не придётся поднимать больше, чем на 3 дБ.
Анализатор питания N6705C можно использовать вместе с программным обеспечением управления и анализа Keysight 14585A для анализа кумулятивной функции распределения (CCDF, показана на рисунке 4). CCDF используется для анализа потребления тока в LoRaWAN-устройствах. Её график в осях X и Y наглядно отображает, насколько часто LoRaWAN-устройство работает при различных уровнях потребляемого тока.
Измерение разряда батареи с помощью анализатора формы токовых сигналов, потребляемых устройством
Анализатор формы токовых сигналов устройств серии CX3300 компании Keysight (см. рис. 5) представляет собой ещё одно полезное средство измерений разряда батареи в LoRaWAN-устройствах. С его помощью можно измерять ток вплоть до 100 пА с полосами пропускания до 140 МГц. Благодаря широкой полосе пропускания этот анализатор формы токовых сигналов идеально подходит для измерений кратковременных импульсов.
В дополнение к возможности отображения CCDF в анализаторе формы токовых сигналов предусмотрена возможность автоматической регистрации профиля тока (см. рис. 6).
Этот прибор автоматически разделяет форму токовых сигналов на сегменты в зависимости от уровней тока и для каждого сегмента вычисляет разнообразные статистические характеристики. Кроме того, можно добавлять, удалять и перемещать отметки сегментов для выполнения специальных измерений и получения статистических характеристик, которые значительно выходят за рамки автоматических измерений
Заключение
LoRaWAN – технология современных энергоэффективных глобальных сетей (LPWAN), которая работает на низких скоростях передачи данных в целях обеспечения высокой помехоустойчивости, обширного покрытия и продолжительной работы аккумуляторных батарей. Для обеспечения экономической эффективности применения технологии LoRaWAN необходимо выполнять тщательное тестирование LoRaWAN-устройств, чтобы убедиться в том, что их характеристики приёма и передачи соответствуют требованиям FCC, часть 15.247 (для США), а срок службы батарей отвечает ожиданиям заказчика и составляет не менее 10 лет.
Более подробную информацию смотрите в рекомендациях по применению, посвящённых тестированию на соответствие требованиям стандарта FCC, часть 15.247, по ссылке: www.semtech.com/images/datasheet/an1200.26.pdf.
