La PHY se encarga de la transmisión y recepción de datos por aire. Su esquema de modulación determina cómo se transmiten los bits de información sin procesar como señales electromagnéticas y cómo se convierten de nuevo en señales de banda base tras su recepción. El alcance de un enlace de comunicación por radio es relativo a la potencia de transmisión, la sensibilidad del receptor y la frecuencia de comunicación. La sensibilidad del receptor viene determinada por el ancho de banda del receptor (B), la figura de ruido del receptor (NF) y la relación señal-ruido mínima (SNR) del demodulador, que depende del esquema de modulación.
La banda de frecuencia no se puede seleccionar libremente, ya que su uso está regulado por las autoridades de la región en la que opera el sistema. Sin embargo, las bandas de frecuencia sub-GHz suelen ofrecer un alcance mayor que las de 2,4 GHz. La potencia del transmisor también está regulada por las normas regionales, lo que deja la sensibilidad del receptor y el esquema de modulación como los dos factores principales que podemos diseñar. Por lo general, la compensación es entre la velocidad de datos y la sensibilidad, con un mayor alcance de comunicación a cambio de una menor velocidad de datos. (También cabe señalar que una mayor sensibilidad puede traducirse en una mayor resistencia a las interferencias).
Figura 1. La sensibilidad del receptor (en dB) depende del ruido del receptor (NF), el ancho de banda del filtro (BW) y la relación señal-ruido del demodulador (SNR).
Modulación y demodulación
Los esquemas de modulación digital en dispositivos de baja potencia tienden a ser poco complejos y a consumir poca energía. Por este motivo, la OOK, la FSK y variaciones de la FSK, como la MSK y la GMSK, se han utilizado históricamente en las comunicaciones por radio en redes en malla [1].
La modulación por encendido y apagado (OOK) codifica los bits de información en una onda portadora de RF de forma rudimentaria: un valor binario «1» representa que la onda portadora está «encendida» y un valor binario «0» representa que la onda portadora está «apagada». Esta modulación es fácil de generar y detectar, pero muy vulnerable a las interferencias y a muchos otros problemas, además de que requiere una relación señal-ruido (SNR) del receptor de aproximadamente +16 dB para una tasa de error de bits (BER) del 1 % [2].
La modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) mapea la información digital en la modulación de frecuencia de la señal portadora desplazándose entre dos frecuencias distintas, f1 y f2 , que representan un bit «1» y un bit «0». La FSK es fácil de recibir y tiene una mayor inmunidad a las interferencias, pero requiere una SNR del demodulador de alrededor de +9 dB para una BER del 1 % [3].
Modulación LoRa (® )
Para aclarar la diferencia entre LoRa y LoRaWAN: LoRa es la modulación de la capa PHY, y LoRaWAN es una arquitectura de red LPWAN de capa 2 basada en el esquema de modulación LoRa.
La modulación LoRa utiliza el espectro ensanchado por chirp (CSS) combinado con la corrección de errores hacia adelante para difundir la información que se va a codificar como un chirp de frecuencia (un cambio gradual en la frecuencia a lo largo del tiempo). Debido a esto, es menos sensible al ruido, a las interferencias de banda estrecha y a las interferencias de alta potencia en ráfagas.
Mientras que la modulación OOK y FSK codifican símbolos de un solo bit («1» o «0»), este no es el caso de la modulación LoRa. En su lugar, los símbolos LoRa, que representan varios bits, se codifican en un solo chirp. Por ejemplo, con un factor de dispersión SF de 7, un solo símbolo representa 2^7 = 128 valores posibles (7 bits por símbolo). Cada símbolo se representa mediante una ubicación diferente de las frecuencias de inicio y fin dentro del chirp.
Figura 2. Visualizaciones de la modulación OOK (izquierda), FSK (centro) y LoRa (derecha)
Relación señal/ruido
Para decodificar una señal modulada, un receptor de RF debe ser capaz de distinguir la señal deseada del ruido. Como vimos en la sección anterior, OOK y FSK requieren señales de potencia significativamente más altas que el ruido de fondo del receptor, 10-15 dB y 6-10 dB respectivamente: se requiere una SNR positiva. Sin embargo, con la modulación LoRa, la capacidad del receptor para correlacionar el chirp de espectro ensanchado recibido por debajo del ruido de fondo permite la recepción de señales con una SNR negativa, por debajo del ruido de fondo del transceptor. Además, para el mismo tiempo de transmisión (velocidad de datos), la recepción con una SNR negativa confiere una ventaja de sensibilidad de 8 a 9 dB con respecto a la FSK. La medida en que LoRa puede recibir por debajo del ruido de fondo viene dada por el factor de ensanchamiento:
Esta capacidad significa que los sistemas basados en LoRa proporcionan un enlace de radio más fiable en situaciones en las que hay ruido y tienen un mayor alcance en comparación con la modulación tradicional. Esta característica ha sido la base de la tecnología LPWAN LoRaWAN, en la que se crean redes en configuraciones en estrella alrededor de una pasarela. La alta sensibilidad proporciona un alcance similar al de la telefonía móvil con una baja potencia de transmisión, lo que hace posible la comunicación en red a muchos kilómetros de distancia.
NeoMesh 2ª Red en malla de segunda generación
NeoMesh, lanzado al mercado en 2014, es un protocolo de red en malla de2.ªgeneración que se diferencia de las redes en malla tradicionales, como ZigBee, BLE Mesh, Thread, Z-Wave, etc., ya que la red es altamente escalable, completamente descentralizada y de muy bajo consumo para todos los dispositivos de la red.
Las redes en malla tradicionales dependen de dispositivos que tienen diferentes funciones en la red. Algunos pueden ser de baja potencia con funcionalidad reducida, pero solo pueden funcionar eficazmente si se encuentran dentro del alcance de otros dispositivos con funcionalidad completa (que no son de baja potencia). Solo los dispositivos alimentados por la red eléctrica pueden actuar como enrutadores, que son necesarios para ampliar el alcance de la red. Por último, las redes en malla tradicionales dependen de un «maestro» central que organiza la red.
NeoMesh solo utiliza dispositivos con todas las funciones, por lo que cada dispositivo puede actuar como enrutador, lo que ayuda a ampliar el alcance de la red al retransmitir datos para los demás dispositivos. Todos los dispositivos NeoMesh funcionan en modo sincronizado, lo que significa que pueden permanecer en reposo de forma eficiente mientras no se requiere actividad. Esta característica permite que todos los dispositivos de la red funcionen con baterías durante muchos años.
El enrutamiento en NeoMesh se realiza con el protocolo patentado SpeedRouting, que está optimizado para redes de malla grandes y es capaz de enrutar a través de redes cuya topología no es estática, como los nodos móviles. Además, SpeedRouting no tiene limitación de recuento de saltos, por lo que es ideal para redes grandes.
El protocolo NeoMesh no está vinculado específicamente a una capa PHY concreta. Cuando NeoMesh se introdujo por primera vez en 2014, lo hizo en la banda de 2,4 GHz utilizando modulación FSK a 500 kbps. Más tarde, en 2015, se añadieron las bandas sub-GHz de 868 MHz (UE) y 915 MHz (EE. UU.), que seguían utilizando modulación FSK, pero a 250 kbps.
Aunque la versión de 2,4 GHz permite a los usuarios de NeoMesh crear productos que pueden utilizarse en todo el mundo, el rendimiento en términos de alcance y resistencia al ruido no es impresionante. Las variantes sub-GHz permiten un alcance mucho mejor, especialmente en interiores o bajo tierra.
Aunque las variantes de NeoMesh basadas en FSK de 2,4 GHz y sub-GHz han permitido a los usuarios de NeoMesh crear muchas soluciones innovadoras en edificios inteligentes, agricultura inteligente, industria, transporte y otras áreas, hay ciertas aplicaciones que requieren un mayor alcance entre los nodos de la malla o un mejor rendimiento en entornos ruidosos.
NeoMesh y LoRa: lo mejor de ambos mundos
La combinación de NeoMesh y LoRa ofrece la posibilidad de tener un mayor alcance entre los nodos de malla y una mejor inmunidad al ruido. Sin embargo, unir estas dos tecnologías innovadoras no es tan sencillo como conectar y listo.
Aunque LoRa proporciona el rendimiento de enlace mejorado que se requiere, lo hace con limitaciones en la velocidad de bits de la capa RF. Como se ha mencionado anteriormente, NeoMesh funciona normalmente a una velocidad de datos mínima de 250 kbps. La razón de esta elevada velocidad de bits ( ) no es transmitir una gran cantidad de datos, sino transmitir pequeños paquetes de datos en un tiempo muy breve, lo que permite el rendimiento de consumo ultrabajo de NeoMesh. Casualmente, el breve tiempo de emisión ayuda a NeoMesh a cumplir las estrictas normas de la UE para los ciclos de trabajo en la banda de 868 MHz.
Dependiendo de la banda de frecuencia y de la versión del transceptor utilizada, la velocidad de bits de LoRa está limitada a un máximo de 203 kbps (2,4 GHz, SF=5, BW=1625 kHz). Aunque el uso de esta configuración del transceptor LoRa no proporciona el mayor alcance ni el mejor rendimiento SNR, sigue siendo mejor que, por ejemplo, FSK para la misma potencia de transmisión.
Con configuraciones para alcances más largos, como SF=12, BW=125 kHz y funcionamiento en la banda de 868 MHz, la velocidad de bits se reduce a 292 bps (¡no kilobits, sino bits!). Huelga decir que, con una velocidad de bits tan baja, el tiempo de emisión de un tamaño de datos concreto se verá e mente incrementado, al igual que el consumo medio de corriente, lo que dificultará el cumplimiento de la restricción del ciclo de trabajo de la UE.
Por supuesto, no todas las aplicaciones requieren baja potencia; pensemos, por ejemplo, en los contadores de electricidad o los controladores de alumbrado público. Algunas aplicaciones no requieren un largo alcance, pero se beneficiarían de una mayor resistencia al ruido, como las soluciones para edificios inteligentes o la monitorización de contenedores de transporte, que serían candidatos ideales para su implementación en la banda de 2,4 GHz debido a su implantación global. Estas aplicaciones también se beneficiarían de la mejora de la resistencia al ruido, ya que la banda suele estar muy utilizada para otras aplicaciones, como Wi-Fi y Bluetooth.
La combinación de NeoMesh con la modulación LoRa no solo mejora el alcance y el rendimiento del enlace de NeoMesh normal, sino que la solución combinada también ofrece una mejor cobertura en interiores, interiores profundos y subterráneos en comparación con LPWAN gracias a la topología de red multisalto. Además, NeoMesh ofrece una mayor capacidad de comunicación bidireccional y reconocimiento de extremo a extremo. NeoMesh también permite distribuir actualizaciones de firmware a todos los dispositivos de la red a través de su función de transferencia de archivos.
NeoMesh en LoRa: ya disponible
En noviembre de 2023, NeoCortec presentó por primera vez NeoMesh utilizando la modulación LoRa. Se presentó en el Wireless Congress de Múnich. Un año más tarde, en la feria Electronica de Múnich, NeoCortec y Embit (fabricante italiano de módulos inalámbricos) lanzaron el primer sistema en módulo NeoMesh en LoRa. Basado en el transceptor LoRa Connect™ SX1281 de Semtech, el módulo estaba destinado a la banda de frecuencia de 2,4 GHz. Aproximadamente cuatro meses después, en marzo, en la feria Embedded World de Núremberg, NeoCortec y Embit lanzaron un módulo basado en el transceptor LR1121 de Semtech. Este módulo ofrece capacidades de red en malla NeoMesh en una multitud de configuraciones. En primer lugar, se trata de un módulo multibanda compatible con las bandas de frecuencia ISM de 2,4 GHz, 868 MHz y 915 MHz sub-GHz. Además, el módulo se puede configurar para una amplia gama de ajustes de modulación LoRa, lo que ofrece al usuario la opción de optimizar el alcance y el rendimiento. Por último, el módulo también se puede configurar para utilizar la modulación (G)FSK si no se necesita el alcance y la inmunidad al ruido que ofrece LoRa.
Además de los módulos, NeoCortec ( http://www.neocortec.com )también ofrece la pila de protocolos NeoMesh bajo licencia. Esta opción es atractiva para aplicaciones con requisitos especiales o grandes volúmenes.
[1] Ejemplos de mallas que utilizan FSK y 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
Artículo cedido por NeoCortec – http://www.neocortec.com
