เน้น 3 คุณสมบัติหลักของ LPWAN
Long range - ส่งข้อมูลได้ไกลในระดับกิโลเมตร
Low data rate - ส่งข้อมูลประมาณ 20-256 ไบต์ต่อข้อความ และส่งหลาย ๆ ครั้งต่อวัน
Low power consumption - กินพลังงาน แบตเตอรี่สามารถทำงานได้หลายปี
แนวคิดพื้นฐานของ LPWAN
ระยะทางและอัตราเร็วในการส่งข้อมูล - ในการที่จะส่งข้อมูลแบบไร้ได้ไกล เราจำเป็นต้องมี Link Budget (คิดเป็น Decibel) ที่เพียงพอ ถึงผู้รับ เพราะว่า สัญญาณที่ถูกส่งไปจะถูกลดทอนตามระยะทางส่ง โดยส่วนมาก LPWAN จะสามารถจับสัญญาณได้มากกว่า -130 dBm ซึ่งถ้าเทียบกับเทคโนโลยีแบบไร้สายในอดีต จะจับได้ประมาณ -90 dBm (ห่างกันถึง 40 dBm หรือคิดเป็น 10,000 เท่าของความแรงของสัญญาณ) ยิ่งการส่งข้อมูลที่ช้าลง เช่น ถ้าเราใช้ modulation ที่น้อยลง ลดอัตราการส่งข้อมูลลงครึ่งหนึ่ง ก็ทำให้ฟังรับสามารถตรวจรับข้อมูลได้ง่ายขึ้น เปรียบเสมือนกับ เป็นการเพิ่มกำลังขยายอีกเท่าตัว เป็นการเพิ่ม Link Budget เท่าตัว (หรือประมาณ 3 dB)
กำลังขยายในการส่ง (Process Gain) - คืออัตราส่วนระหว่าง spread radio bandwidth (RF) กับ unspread radio bandwidth (baseband) มีหน่วยเป็น decibel ตัวอย่างเช่น สัญญาณ 1 kHz ถูกขยายออกเป็น 100 kHz ค่า process gain = 100 หรือ คิดเป็น 10log10(100) = 20 เดซิเบล อย่างเช่น Sigfox ใช้ BPSK narrowband signal ซึ่งมีอัตราการส่งข้อมูลต่ำ แต่ก็ทำให้ฝั่งรับ สามารถรับสัญญาณได้ง่ายขึ้น กรณีนี้ พื้นสัญญาณรบกวน (noise floor) จะมีผลน้อยกว่าพวก wide band signal แบบ LoRa (แต่ wide band จะดีกว่า ในกรณีที่เป็นสัญญาณรบกวนที่เป็นช่วงเวลาสั้น ๆ) เพราะว่า สัญญาณรบกวนก็จะกระจายตามการ spread ของสัญญาณ อย่างไรก็ดี ในกรณีที่ใช้ code ช่วย (เช่น CDMA) ทำให้เป็น wide band คล้ายกับระบบใน Ingenu จะทำให้รับสัญญาณที่กำลังส่งต่ำได้ดีขึ้น ในมุมมองของสัญญาณกำลังต่ำที่รับได้ แต่ก็มีประเด็นเรื่อง bandwidth ที่ต้องใช้งานเพิ่มมากขึ้นอีกด้วย
Noise vs Bandwidth - จากประเด็นเรื่อง Process Gain จะเห็นได้ว่า Noise และ Bandwidth มีผลต่อกัน ตัวอย่างเช่น narrowband ช่องสัญญาณ 100 Hz มี noise floor -154 dBm ซึ่งหมายความว่า หากต้องการส่งข้อมูลที่ 10 dB SNR อุปกรณ์ฝั่งรับ จะต้องได้รับได้ที่ -144 dBm เป็นอย่างน้อย อย่างไรก็ดี หากเราใช้ code มาช่วย spread ในการส่งข้อมูล เช่น Symphony Link ใช้ขนาดช่องสัญญาณ 125 kHz ที่มี noise -124 dBm ดังนั้น จะสามารถได้รับถึง 20 dB coding ที่ฝั่งรับสามารถรับสัญญาณได้ที่ -144 dBm เช่นกัน จะเห็นได้ว่า เราสามารถเพิ่ม process gain โดยนำ coding มาช่วย แต่ก็ใช้ bandwidth มากขึ้น เช่นกัน
Licensed vs. Unlicensed - LPWAN โดยส่วนมากจะทำงานในย่าน Unlicensed (868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz) เพราะสะดวก ประหยัดค่าใบอนุญาต เพราะสามารถใช้งานได้โดยที่ไม่ต้องขออนุญาตก่อน อย่างไรก็ดี ย่าน Licensed ก็มีข้อดีตรงที่มีการรบกวนของสัญญาณน้อยกว่า โดยกลุ่ม GSMA (Group Special Mobile Association) ได้วางแผน ที่จะ ออกมาตรฐานของ LPWAN ที่ทำงานในย่าน Licensed โดยมีบริษัทผู้ให้บริการมือถือหลายรายเข้าร่วม เช่น AT&T, Bell Canada, China Mobile เป็นต้น
Sub-GHz Spectrum availability worldwide - เนื่องจากแต่ละประเทศ มีนโยบายการใช้งานช่วงความถี่ ที่แตกต่างกัน แถบย่านความถี่ ที่ใช้ทั่ว ๆ ไปสำหรับ LPWAN มี 2 กลุ่มใหญ่ คือ 868 MHz (จากยุโรป) และ 915 MHz (จากอเมริกา) และ มีบางประเทศ ที่กำหนดช่วงความที่ ที่ไม่สามารถทำให้เป็นมาตรฐานได้ ในปัจจุบันนี้ LPWAN ยังไม่มีช่วงความถี่ ที่เป็นมาตรฐานทั่วโลก อย่าง 2.4 GHz ที่ใช้ใน WiFi จนกว่าประเด็นนี้จะแก้ปัญหาได้
LPWAN Platforms
LoRa Alliance - เป็นมาตรฐานเปิด สำหรับเครือข่ายที่เรียกว่า LoRaWAN พัฒนาโดย Semtech, IBM และ Actility จุดเด่นของ LoRaWAN คือ มีระบบ ecosystem แบบเปิด ซึ่งหมายความว่า จะมีซอฟต์แวร์ และ ผู้ผลิตสามารถผลิตตามมาตรฐานของ LoRa ที่ทำงานร่วมกันได้ นับเป็นเทรนของเทคโนโลยี IoTs ในยุคนี้เลยก็ว่าได้ LoRaWAN จำเป็นต้องทำงานในระบบ Cloud ที่มี Network Server อย่างไรก็ดี มาตรฐานของ LoRaWAN นั้น ยังขาดในเรื่องของการ Roaming, Retry disconnected, QoS เป็นต้น มีหลายเทคโนโลยี นำมาตรฐานของ LoRa ไปพัฒนาต่อยอด และเสริมฟังก์ชันของตัวเอง
Link Labs - เป็น LPWAN ที่ใช้ ตามมาตรฐานของ LoRa ในชั้น Physical แต่ก็มีการพัฒนาฟังก์ชันบางส่วนเพิ่มเติมไป จำเป็นต้องใช้ LoRa chipsets ส่งข้อมูลได้ไกลกว่า WiFi 100 เท่า และราคาถูกกว่าระบบ Cellular มีรูปแบบการเชื่อมต่อแบบ Star ทำงานในย่านความถี่ 915 MHz ISM และ 868 MHz ในชั้น MAC นั้นไม่ได้ออกแบบตามมาตรฐานของ LoRa
Sigfox - มีการติดตั้งเสาอากาศ (Antenna) บนเสาติดตั้ง (Tower) ลักษณะเดียวกันกับเสาโทรศัพท์ และรับข้อมูลจากอุปกรณ์ sensor ต่าง ๆ ทำงานในย่านความถี่ 915 MHz และ 868 เช่นเดียวกันกับ Link Lab, Sigfox ส่งข้อมูลขนาดเล็ก (12 ไบต์) อย่างช้า ๆ (300 baud) โดยใช้ BPSK เพื่อให้ส่งข้อมูลไปได้ไกลมาก Sigfox เหมาะกับระบบที่ต้องการส่งข้อมูลขนาดเล็ก แต่ส่งบ่อยและส่งได้ไกล เช่นระบบแจ้งเตือน, ระบบตรวจสอบที่อยู่, และพวกมิเตอร์วัดค่าต่าง ๆ ที่เป็นลักษณะทางเดียว มีการตอบ Ack กลับไปเพียง 4 ข้อความต่อวัน
NWave - จัดอยู่ในหมวดของ Ultra narrowband (UNB) radio รวมกับ Software Defined Radio (SDR) ทำงานในช่วง sub-1 GHz unlicensed spectrum มีรูปแบบการเชื่อมต่อเป็นแบบ star คล้ายกับ LabLink อุปกรณ์ติดต่อกับ base station โดยตรง
Weightless - กำหนดมาตรฐานโดยกลุ่ม Weightless SIG เป็นอีกมาตรฐานเปิด ทำงานที่ sub-1GHz unlicensed spectrum (915 MHz และ 868 MHz เป็นย่านความถี่ช่วงเดียวกับ IEEE 802.11af) ในปัจจุบันนี้ มี 2 มาตรฐานย่อยคือ
- Weightless-N; ส่งข้อมูลแบบทางเดียว ต้นทุนต่ำ แบตเตอรี่อยู่ได้นานถึง 10 ปี
- Weightless-W: ส่งข้อมูลได้สองทิศทาง (ใช้ Time-Division Duplex กับ Frequency hopping) ต้นทุนสูงกว่า Weightless-N แต่แบตเตอรี่จะอยู่ได้ 3-5 ปี
ยังมีเทคโนโลยีอื่น ๆ อีกหลายตัว เช่น Ingenu, Haystack, Senet, ThinkPark, LTE-MTC และอีกมากมายที่ไม่ได้กล่าวถึง
ก่อนหน้า: ตอนที่1 | ตอนที่ 2
ที่มา: http://www.link-labs.com/low-power-wireless-sensor-network/
Updated: 5 ส.ค. 58
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น