Visserligen har ett stjärnnätverk mindre maximal täckning än ett meshnätverk. Med programvaran kan bli mycket komplex vid multipla noder. För de flesta OEM-tillverkare är det därför betydligt mer fördelaktigt att implementera ett stjärnnätverk än ett meshnätverk. Och kan man faktiskt uppnå multikilometertäckning med ett enkelt stjärnnätverk på ISM-banden. Det skriver här Alviano Burello,Business Development Manager för RF och trådlösa system, Future Electronics.

Tekniken för anslutning av enheter över olicensierade ISM-bandfrekvenser (Industrial, Scientific and Medical) under 1 GHz har utvecklats under det senaste decenniet och erbjuder nu fler möjligheter, men på bekostnad av högre komplexitet.
Processorkraften i 1990-talets processorer var begränsad och därmed begränsades konstruktörens möjligheter att välja topologi – de flesta trådlösa nätverk var på den tiden punkt-till-punkt-, buss- eller stjärntopologier som kördes med enkla protokoll.
Begränsningar i avstånd och antal noder som stöddes med dessa system ledde dock till framväxten av mesh- och trädnätverk. På senare år har det förefallit som om branschen nått konsensus om att ZigBee, ett meshnätverksprotokoll med industristandard, erbjuder det bästa sättet att implementera ett multinodnätverk med lång räckvidd på ISM-banden.
Men meshnätverk är komplexa i sig själva och svårare att implementera än stjärnnätverkskonfigurationer. Det är ett högt pris att betala för de extra kilometrarnas täckning som ZigBee erbjuder, om funktionerna i ett stjärnnätverk är tillräckliga för uppgiften i alla andra avseenden. Den nya tekniken som beskrivs i den här artikeln har därför dragit till sig mycket intresse bland RF-konstruktörer.

Meshnätverk: komplexa i sig själva
Ett stjärnnätverk har mindre maximal täckning än ett meshnätverk. Fig 1 visar att täckningen hos ett stjärnnätverk är begränsad till sträckan mellan en bestämd nod och en annan bestämd nod.
Ett meshnätverk ger däremot i praktiken en matris av repeatrar som kan ta emot och skicka vidare en signal från en valfri nod till en annan valfri nod. I ett meshnätverk är signaltrafiken dynamisk och signalerna skickas från en nod till nästa som en stafettpinne tills att signalen når sin destination. Detta betyder att meshnätverkets täckning i teorin kan göras obegränsad.
I praktiken är programvaran mycket komplex när det gäller karakterisering av multipla noder, implementering av systemtider och signaltrafik mellan noder. Ju fler noder som finns i nätverket, desto fler möjliga vägar kan datatrafiken ta. Programvaran för styrning av ett meshnätverk kan snabbt bli stor och svårhanterlig.
Detta påverkar i sin tur minneskraven hos den maskinvara som stöder ett meshnätverk, och därmed även materialkostnaden. Ett komplext meshnätverksprotokoll som ZigBee kräver användning av en mikrostyrenhet med hög specifikation, samt stora minnesresurser. Ett meshnätverk ställer alltså höga krav på systemresurserna både vad gäller maskinvara och programvara.

Fig. 1: topologier för stjärnnätverk (vänster) och meshnätverk (höger).

För OEM-tillverkare som kräver ett ISM-bandnätverk med flera kilometers täckning, men där datahastigheten är relativt låg, har problemet tidigare varit att meshnätverket har varit den enda möjliga topologin – stjärnnätverken var i regel begränsade till ett täckningsområde på cirka 1 km i öppna utrymmen, förutsatt att länken använde en låg bithastighet som kunde stödja ett tillräckligt signal-/brusförhållande (SNR/signal-to-noise ratio).
För de flesta OEM-tillverkare hade det dock varit betydligt mer fördelaktigt att implementera ett stjärnnätverk än ett meshnätverk. Eftersom ett stjärnnätverk består av en enda masternod och ett antal slavnoder blir signaltrafiken betydligt enklare än i ett meshnätverk. Ett asynkront system håller kontrollsignaltrafiken så kompakt som möjligt, och det blir då möjligt att få så effektiv användning som möjligt av den tillgängliga kapaciteten, samtidigt som energiförbrukningen kan minimeras och risken för kollisioner mellan dataframes hålls låg. Programvaran som krävs i ett stjärnnätverk är därför betydligt mindre än i ett meshnätverk.
Dessutom behöver varje nod i ett meshnätverk vara intelligent (och därmed komplex och dyr), medan stjärnnätverkets intelligens är koncentrerad i kontrollenhetens nod – slavnoderna är enkla och billiga att tillverka.
Faktum är att ett stjärnnätverk kan implementeras genom en enda mindre mikrostyrenhet och ett litet flashminne i styrnoden. Detta betyder även att systemet förbrukar liten mängd energi vilket gör det lämpat för batteridrivna tillämpningar.
Begränsningen som hindrar konstruktörer från att implementera stjärnnätverk har i stället varit räckvidden mellan noderna. Täckningsområdet påverkas kraftigt av den modulering som används av RF-transceivrar. RF-transceivrar med frekvenser under 1 GHz använder i regel FSK-modulering (Frequency Shift Keying) eller ASK-modulering (Amplitude Shift Keying). Båda systemen är känsliga för brus och störningar som tenderar att begränsa det område som transceivrarna klarar att täcka in.
En ny digital modulering har lanserat av Semtech erbjuder kraftigt utökade avstånd mellan noderna – överföringarna kan enkelt skickas så långt som 10 km över öppna områden inom de uteffektnivåer som gällande bestämmelser tillåter, till exempel upp till 14 dBm vid 868 MHz. Det här utökade omfånget mellan noderna betyder att system som tidigare krävde meshnätverk för att uppnå täckningsområden på flera kilometer kan istället implementera ett stjärnnätverk och ändå behålla alla fördelarna med den enklare arkitekturen.
Semtechs nya modulering går under namnet LoRa (vilket står för Long Range) och det är ett helt asynkront digitalt moduleringsschema. Systemet bygger på DSSS-tekniken (Direct Sequence Spread Spectrum) och kan variera längden på chipping-koden och bandbredden för att anpassa systemet till den bithastighet som krävs inom intervallet 300 bits/s till 21 kbits/s.
LoRa-systemets höga prestanda visar sig i dess förmåga att ta emot signaler som är ända ned till -22 dB under brusets nedre gränsvärde, plus en avvisning av intilliggande kanaler på minst 65 dB med 25 kHz förskjutning – ungefär 30 dB bättre än vad som är möjligt med FSK-modulering.
Semtech har samtidigt gjort det möjligt att använda gemensam ortogonalitet mellan signaler på samma frekvens samtidigt som data överförs med olika bithastigheter – en teknik där kollisioner kan undvikas mellan de två signaluppsättningarna, och som ger högre sammanlagd bithastighet över alla givna länkar.
Semtech tillverkar ett antal transceivrar med LoRa-moduleringssystemet och med frekvenser under 1 GHz. Alla erbjuder extremt hög känslighet – upp till -148 dBm vid 169 MHz för multifrekvensmodellerna SX1276, SX1277 och SX1278 (se figur 2). Toppvärdet för överföringseffekt vid antennen är 20 dBm, vilket ger ett stort maximalt länkutrymme på 168 dBm. Kombinationen av ett stort länkutrymme, låg störningskänslighet och låg kollisionshastighet understryker enheternas förmåga att täcka in ett område på flera kilometer.

Fig. 2: blockschema över transceivrarna SX1276/SX1277/SX1278 från Semtech. Klicka här för större figur.

Enheterna är samtidigt tillräckligt energisnåla för att kunna köras med batteridrift. Alla LoRa-enheter i SX127x-serien, inklusive SX1272 och SX1273, erbjuder FSK-modulering och LoRa-modulering som möjliggör bakåtkompatibilitet med befintliga enheter som redan finns installerade på fältet. De drar bara 9,5 mA i FSK-läget och 10 mA i LoRa-läget, och arbetar över ett stort spänningsområde från 1,8 V till 3,7 V.
Många OEM-tillverkare kommer att välja LoRa-tekniken eftersom det då blir möjligt att använda stjärnnätverkstopologin som har lägre materialkostnad än ett motsvarande meshnätverkssystem. Semtechs LoRa-enheter möjliggör också materialkostnadsreduktion på andra sätt – de arbetar till exempel med en billig standardkvartskristall med en tolerans på ±30 ppm för PLL-referensfrekvensen.

Ökat intresse för stjärnnätverkstopologi
Robusta trådlösa nätverk med lång räckvidd i de olicensierade frekvensbandet under 1 GHz är användbara inom många marknadssektorer. Med lanseringen av LoRa-tekniken från Semtech kan många sådana tillämpningar nu implementeras som enkla och prisbilliga stjärnnätverk i stället för dyra och komplexa meshnätverk. Ekonomin i trådlösa nätverk blir betydligt mer tilltalande vad gäller funktioner som automatisk mätaravläsning, home automation, sensornätverk, smarta nät, övervakning och kontroll av bilparkeringar, säkerhetsutrustning och gatubelysning. Det stora länkutrymmet och den höga störningsavvisningen gör att LoRa-enheterna passar system med stora öppna områden, men även för miljöer där det annars är svårt att utföra RF-överföringar, till exempel enheter inuti byggnader och under jorden eller i utrymmen där kraftiga RF-störningar förekommer.
Eftersom FSK-modulering används i stor utsträckning och erbjuder högre dataöverföringshastigheter – SX127x-enheterna från Semtech ger 300 kbits/s jämfört med maximalt 40 kbits/s i LoRa-läge – bör lanseringen av LoRa inte ses som slutet för äldre FSK- och ASK-modulering. Det är dock ett mycket stort framsteg inom RF-teknik på ISM-banden, ett steg som troligen kommer att innebära ett stigande intresse för stjärnnätverk.
Systemkonstruktörer kommer också att hitta andra intressanta sätt att använda de stora täckningsområden som Semtechs nya RF-teknik erbjuder. En blandad lösning är en möjlighet: ett lokalt nätverk med stjärntopologi, implementerat med LoRa-modulering, där gatewaynoden ansluter till ett WAN-nätverk (Wide Area Network), till exempel mobiltelefonnätet, via ett standardprotokoll som WMBus, där anslutningen till WAN-nätverket sker över en GFSK-modulerad länk. Faktum är att LoRa-modulering även gör det möjligt för konstruktören att implementera ett skyddat nätverksprotokoll – tekniken ger närmast total frihet att konstruera lämpliga radionätverk inom de ramar som begränsas av täckningsområdet och signal-/brusförhållandet.

Filed under: Mikrovag