Il PHY (Power Handling Hygrometer) è responsabile della trasmissione e ricezione dei dati via etere. Il suo schema di modulazione determina come i bit di informazione grezzi vengono trasmessi come segnali elettromagnetici e come vengono riconvertiti in segnali in banda base al momento della ricezione. La portata di un collegamento di comunicazione radio dipende dalla potenza di trasmissione, dalla sensibilità del ricevitore e dalla frequenza di comunicazione. La sensibilità del ricevitore è determinata dalla larghezza di banda del ricevitore (B), dal fattore di rumore del ricevitore (NF) e dal rapporto segnale/rumore (SNR) minimo del demodulatore, che a sua volta dipende dallo schema di modulazione.
La banda di frequenza non può essere scelta liberamente, poiché il suo utilizzo è regolamentato dalle autorità della regione in cui opera il sistema. Tuttavia, le bande di frequenza sub-GHz offrono in genere una portata maggiore rispetto alle bande a 2,4 GHz. Anche la potenza del trasmettitore è regolamentata da standard regionali, lasciando la sensibilità del ricevitore e lo schema di modulazione come i due principali fattori su cui possiamo intervenire nella progettazione. In generale, il compromesso è tra velocità di trasmissione dati e sensibilità, con una maggiore portata di comunicazione a scapito di una velocità di trasmissione dati inferiore. (Va inoltre notato che una maggiore sensibilità può tradursi in una maggiore resistenza alle interferenze.).
Figura 1. La sensibilità del ricevitore (in dB) dipende dal rumore del ricevitore (NF), dalla larghezza di banda del filtro (BW) e dal rapporto segnale/rumore del demodulatore (SNR).
Modulazione e demodulazione.
Gli schemi di modulazione digitale nei dispositivi a bassa potenza tendono ad essere semplici e a consumare poca energia. Per questo motivo, OOK, FSK e varianti di FSK, come MSK e GMSK, sono stati storicamente utilizzati nelle comunicazioni radio nelle reti mesh [1].
La modulazione on-off (OOK) codifica i bit di informazione su un'onda portante RF in modo rudimentale: un valore binario di "1" rappresenta l'onda portante "accesa", mentre un valore binario di "0" rappresenta l'onda portante "spenta". Questa modulazione è facile da generare e rilevare, ma è altamente vulnerabile alle interferenze e a molti altri problemi, e richiede un rapporto segnale/rumore (SNR) del ricevitore di circa +16 dB per un tasso di errore di bit (BER) dell'1% [2].
La modulazione a spostamento di frequenza (FSK) mappa le informazioni digitali sulla modulazione di frequenza del segnale portante, alternando due frequenze distinte, f1 e f2, che rappresentano rispettivamente un bit "1" e un bit "0". La FSK è facile da ricevere e presenta una maggiore immunità alle interferenze, ma richiede un rapporto segnale/rumore (SNR) del demodulatore di circa +9 dB per un tasso di errore di bit (BER) dell'1% [3].
Modulazione LoRa (® )
Per chiarire la differenza tra LoRa e LoRaWAN: LoRa è una modulazione a livello fisico (PHY), mentre LoRaWAN è un'architettura di rete LPWAN di livello 2 basata sullo schema di modulazione LoRa.
La modulazione LoRa utilizza la tecnica chirp spread spectrum (CSS) combinata con la correzione degli errori in avanti per diffondere le informazioni da codificare come un chirp di frequenza (una variazione graduale della frequenza nel tempo). Per questo motivo, è meno suscettibile al rumore, alle interferenze a banda stretta e alle interferenze ad alta potenza impulsive.
Mentre le modulazioni OOK e FSK codificano simboli a singolo bit ("1" o "0"), questo non avviene con la modulazione LoRa. I simboli LoRa, che rappresentano più bit, vengono invece codificati all'interno di un singolo chirp. Ad esempio, con un fattore di spreading (SF) pari a 7, un singolo simbolo rappresenta 2^7 = 128 valori possibili (7 bit per simbolo). Ogni simbolo è rappresentato da una diversa posizione delle frequenze di inizio e fine all'interno del chirp.
Figura 2. Visualizzazioni della modulazione OOK (a sinistra), FSK (al centro) e LoRa (a destra)
Rapporto segnale/rumore (SNR)
Per decodificare un segnale modulato, un ricevitore RF deve essere in grado di distinguere il segnale desiderato dal rumore. Come abbiamo visto nella sezione precedente, OOK e FSK richiedono una potenza del segnale significativamente maggiore rispetto al rumore di fondo del ricevitore, rispettivamente 10-15 dB e 6-10 dB: è quindi necessario un SNR positivo. Tuttavia, con la modulazione LoRa, la capacità del ricevitore di correlare il chirp a spettro diffuso ricevuto al di sotto del rumore di fondo consente la ricezione di segnali con un SNR negativo, inferiore al rumore di fondo del ricetrasmettitore. Inoltre, a parità di tempo di trasmissione (velocità di trasmissione dati), la ricezione con un SNR negativo conferisce un vantaggio di sensibilità di 8-9 dB rispetto a FSK. La misura in cui LoRa può ricevere al di sotto del rumore di fondo è data dal fattore di diffusione:
Questa capacità significa che i sistemi basati su LoRa offrono un collegamento radio più affidabile in ambienti rumorosi e hanno una portata maggiore rispetto alla modulazione tradizionale. Questa caratteristica è stata alla base della tecnologia LoRaWAN LPWAN, in cui le reti vengono create in configurazioni a stella attorno a un gateway. L'elevata sensibilità offre una portata simile a quella della telefonia mobile con una bassa potenza di trasmissione, consentendo la comunicazione di rete su molti chilometri.
NeoMesh, rete mesh di seconda generazione.
Lanciato nel 2014, NeoMesh è un protocollo di rete mesh di seconda generazione che si differenzia dalle reti mesh tradizionali, come ZigBee, BLE Mesh, Thread, Z-Wave, ecc., perché la rete è altamente scalabile, completamente decentralizzata e ha un consumo energetico molto basso per tutti i dispositivi sulla rete.
Le reti mesh tradizionali si basano su dispositivi con funzioni diverse all'interno della rete. Alcuni possono essere dispositivi a basso consumo con funzionalità limitate, ma possono funzionare efficacemente solo se si trovano nel raggio d'azione di altri dispositivi più completi (non a basso consumo). Solo i dispositivi alimentati dalla rete elettrica possono fungere da router, necessari per estendere la portata della rete. Infine, le reti mesh tradizionali dipendono da un "master" centrale che gestisce la rete.
NeoMesh utilizza esclusivamente dispositivi completi, in modo che ciascun dispositivo possa fungere da router, contribuendo ad estendere la portata della rete inoltrando i dati ad altri dispositivi. Tutti i dispositivi NeoMesh operano in modalità sincronizzata, il che significa che possono rimanere in modalità standby in modo efficiente quando non è richiesta alcuna attività. Questa caratteristica consente a tutti i dispositivi della rete di funzionare a batteria per molti anni.
In NeoMesh, il routing viene eseguito utilizzando il protocollo proprietario SpeedRouting, ottimizzato per reti mesh di grandi dimensioni e in grado di instradare i pacchetti attraverso reti con topologie non statiche, come quelle con nodi mobili. Inoltre, SpeedRouting non presenta limitazioni al numero di hop, il che lo rende ideale per reti di grandi dimensioni.
Il protocollo NeoMesh non è specificamente legato a un particolare livello fisico (PHY). Quando NeoMesh fu introdotto per la prima volta nel 2014, operava nella banda a 2,4 GHz utilizzando la modulazione FSK a 500 kbps. Successivamente, nel 2015, furono aggiunte le bande sub-GHz a 868 MHz (UE) e 915 MHz (USA), sempre con modulazione FSK, ma a 250 kbps.
Sebbene la versione a 2,4 GHz permetta agli utenti di NeoMesh di creare prodotti utilizzabili in tutto il mondo, le sue prestazioni in termini di portata e resistenza al rumore non sono eccezionali. Le varianti sub-GHz offrono una portata decisamente migliore, soprattutto in ambienti interni o sotterranei.
Sebbene le varianti di NeoMesh basate su FSK a 2,4 GHz e sub-GHz abbiano permesso agli utenti di NeoMesh di creare molte soluzioni innovative in edifici intelligenti, agricoltura intelligente, industria, trasporti e altri settori, esistono alcune applicazioni che richiedono una maggiore portata tra i nodi della rete o prestazioni migliori in ambienti rumorosi.
NeoMesh e LoRa: il meglio dei due mondi
La combinazione di NeoMesh e LoRa offre il potenziale per una maggiore portata tra i nodi della rete mesh e una migliore immunità ai disturbi. Tuttavia, integrare queste due tecnologie innovative non è così semplice come "plug and play".
Sebbene LoRa offra le prestazioni di collegamento migliorate richieste, lo fa con limitazioni nella velocità di trasmissione del livello RF. Come accennato in precedenza, NeoMesh opera tipicamente a una velocità di trasmissione dati minima di 250 kbps. Il motivo di questa elevata velocità di trasmissione non è la trasmissione di grandi quantità di dati, bensì la trasmissione di piccoli pacchetti di dati in un tempo molto breve, consentendo a NeoMesh un consumo energetico estremamente basso. Questo breve tempo di trasmissione, tra l'altro, aiuta NeoMesh a rispettare le rigorose normative UE sui cicli di lavoro nella banda a 868 MHz.
A seconda della banda di frequenza e della versione del ricetrasmettitore utilizzata, la velocità di trasmissione LoRa è limitata a un massimo di 203 kbps (2,4 GHz, SF=5, BW=1625 kHz). Sebbene l'utilizzo di questa configurazione di ricetrasmettitore LoRa non offra la massima portata o le migliori prestazioni in termini di rapporto segnale/rumore (SNR), risulta comunque superiore, ad esempio, alla modulazione FSK a parità di potenza di trasmissione.
Con configurazioni per distanze maggiori, come SF=12, BW=125 kHz e funzionamento nella banda a 868 MHz, la velocità di trasmissione scende a 292 bps (non kilobit, ma bit!). Inutile dire che, con una velocità di trasmissione così bassa, il tempo di trasmissione per una data quantità di dati aumenterà significativamente, così come il consumo medio di corrente, rendendo difficile il rispetto delle restrizioni del ciclo di lavoro dell'UE.
Naturalmente, non tutte le applicazioni richiedono un basso consumo energetico; si pensi, ad esempio, ai contatori elettrici o ai sistemi di controllo dell'illuminazione stradale. Alcune applicazioni non necessitano di una lunga portata, ma trarrebbero vantaggio da una maggiore immunità ai disturbi, come le soluzioni per edifici intelligenti o il monitoraggio dei container, che sarebbero candidati ideali per l'implementazione nella banda a 2,4 GHz grazie alla sua disponibilità globale. Queste applicazioni beneficerebbero inoltre di una migliore immunità ai disturbi perché la banda è spesso fortemente utilizzata da altre applicazioni, come Wi-Fi e Bluetooth.
La combinazione di NeoMesh con la modulazione LoRa non solo migliora la portata e le prestazioni di un collegamento NeoMesh standard, ma la soluzione combinata offre anche una migliore copertura in ambienti interni, interni profondi e sotterranei rispetto alle reti LPWAN, grazie alla sua topologia di rete multi-hop. Inoltre, NeoMesh garantisce una comunicazione bidirezionale migliorata e una consapevolezza end-to-end. NeoMesh consente anche la distribuzione di aggiornamenti del firmware a tutti i dispositivi della rete tramite la sua funzione di trasferimento file.
NeoMesh in LoRa: ora disponibile
Nel novembre 2023, NeoCortec ha presentato per la prima volta NeoMesh con modulazione LoRa, al Wireless Congress di Monaco. Un anno dopo, alla fiera Electronica di Monaco, NeoCortec ed Embit (un produttore italiano di moduli wireless) hanno lanciato il primo sistema di moduli NeoMesh con tecnologia LoRa. Basato sul ricetrasmettitore LoRa Connect™ SX1281 di Semtech, il modulo è stato progettato per la banda di frequenza a 2,4 GHz. Circa quattro mesi dopo, a marzo, alla fiera Embedded World di Norimberga, NeoCortec ed Embit hanno lanciato un modulo basato sul ricetrasmettitore LR1121 di Semtech. Questo modulo offre funzionalità di rete mesh NeoMesh in diverse configurazioni. In primo luogo, è un modulo multibanda compatibile con le bande di frequenza ISM sub-GHz a 2,4 GHz, 868 MHz e 915 MHz. Inoltre, il modulo può essere configurato per un'ampia gamma di impostazioni di modulazione LoRa, offrendo all'utente la possibilità di ottimizzare la portata e le prestazioni. Infine, il modulo può essere configurato anche per utilizzare la modulazione (G)FSK qualora non siano necessarie la portata e l'immunità al rumore offerte da LoRa.
Oltre ai moduli, NeoCortec ( http://www.neocortec.com ) offre anche lo stack di protocolli NeoMesh in licenza. Questa opzione è interessante per applicazioni con requisiti particolari o volumi elevati.
[1] Esempi di mesh che utilizzano FSK e OOK -> https://en.wikipedia.org/wiki/Z-Wave
[2] https://www.researchgate.net/publication/324564954_Impact_of_Error_Control_Code_on_Characteristic_Distance_in_Wireless_Underground_Sensor_Networks
[3] https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1049/iet-cds.2018.5458
Articolo fornito da NeoCortec – http://www.neocortec.com
