مقایسه شبکه LoRa و MYTHINGS

MYTHINGS و LoRa، مقایسه کیفیت خدمات در مواجه با تداخل خارجی!

0

مقدمه

اینترنت اشیا به سرعت در حال توسعه است. انتظار می‌رود تا سال 2025 کل ارتباطات اینترنت اشیائی از مرز 22 میلیارد بگذرد. فاکتور موثر و تسهیل کننده این رشد، شبکه‌های گسترده کم مصرف است (LPWAN). رشد روز افزون ادوات اینترنت اشیا، ترافیک رادیویی سنگینی در طیف فرکانسی آزاد (بدون مجوز) ایجاد می‌کند. طبق تحقیقی که ABI در اواخر سال 2018 انجام داده است، تکنولوژوی‌های LPWAN بدون مجوز، 71 درصد بازار را به خود اختصاص داده‌اند. یکی از فاکتورهای اثر گذار بر کیفیت سرویس (QoS)، تداخل است که باید در راه‌حل‌های آینده مد نظر قرار گیرد.

به سفارش BehrTech ، یک مطالعه اصولی و بی طرف برای ارزیابی و مقایسه QoS شبکه MYTHINGS وLoRa صورت گرفته است. هسته MYTHINGS تقسیم تلگرافی فوق باند باریک (TS UNB) است. این فناوری، تنها فناوری LPWAN در طیف بدون مجوز بوده که بصورت استاندارد توسط ETSI تهیه شده است (TS 103-357).

در این مطالعه، عملکرد شبکه، در شرایطی تداخلی و تحت عنوان نرخ خطای پاکت (PER) اندازه‌گیری می‌شود. PER نشان دهنده میزان داده‌های از دست رفته در کل پیام انتقالی است. در LPWAN، معمولا از acknowledgment دریافت موفقیت آمیز پیام‌ها، چشم پوشی می‌شود تا توان مصرفی کاهش یابد. در نتیجه، PER یک شاخص مهم برای قابلیت اطمینان و کیفیت سرویس LPWANهاست. در بخش اینترنت اشیا صنعتی، معمولا به PER کمتر از یک درصد نیاز است.

این مطالعه نشان خواهد داد که برای پیاده سازی یک سیستم اینترنت اشیا صنعتی (IIOT)، MYTHINGS نسبت به LoRa، مقاومت بالاتری در برابر تداخلات دارد. همچنین در این مطالعه نشان داده شده است که در یک محیط پر تداخل و با برد شبکه‌ای یکسان، MYTHINGS پیامی را از دست نمی‌دهد، اما LoRa بیش از ده درصد کل پیام‌های ارسالی را از دست می‌دهد.

نصب تجهیزات آزمایش

در یک شبکه بی‌سیم، علی الخصوص برای یک شبکه غیر سنکرون LPWAN، تداخلات بین سیستمی عبارت است از سیگنال‌های رادیویی که توسط خود سیستم یا سیستم‌های مشترک در همان باند فرکانسی منتشر می‌شود. در این مطالعه تداخل بین سیستمی بر اساس مدل تداخل استانداردی که توسط IEEE توسعه یافته است، تولید شده است. این مدل تداخلی یک مدل تصادفی از تداخلات متغیر است که توسط اندازه‌گیری‌های بلادرنگ تعریف می‌شود. این نمایانگر تداخلات واقعی است که حال حاضر و آینده شبکه های بی سیم را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

ستاپ آزمایشی در شکل 1 نشان داده شده‌است. با اتصال یک تضعیف کننده به فرستنده، توان دلخواهی یرای سیگنال تنظیم می‌کنیم تا بتوان فاصله‌های مختلف بین فرستنده و ایستگاه پایه را شبیه سازی کرد. به طور هم‌زمان یک سیگنال ژنراتور دیجیتال، با تقلید از شرایط محیطی مختلف، تداخلاتی را منتشر می‌کند. سپس بلوک Combiner، سیگنال را از طریق LoRa یا MYTHINGS انتقال می‌دهد. تمامی اجزای سخت افزاری در این آزمایش از طریق کابل به یکدیگر متصل شده‌اند.

ستاپ آزمایشی برای LoRa و MYTHINGS
شکل 1: ستاپ آزمایشی برای LoRa و MYTHINGS

این آزمایش برای مقایسه ای معتبر و بی طرفانه انجام شده است. برای جلوگیری از نتایج گمراه کننده رویکردهای زیر مورد استفاده قرار گرفته است:

  1. انتخاب سخت افزار: سخت افزار مورد آزمایش به نحوی انتخاب شده‌است تا بهینه‌ترین عملکرد هر تکنولوژی را تضمین کند. برای LoRa، از استارتر کیت اینترنت اشیا Multitech با عنوان EU-mode MultiConnect Conduit استفاده شده است. این برد برای ارتباط LoRa با ضریب پخش SF) 12) تنظیم شده است؛ هر چه SF بیشتر باشد، مقاومت در برابر تداخلات و حساسیت بیشتر شده ولی در عوض نرخ دیتا کم می‌شود. برای MYTHINGS از پایلوت کیت BehrTEch با نام EU-mode MYTHINGS استفاده شده است.
  2. الگوی تداخل: سیگنال تداخلی ایجاد شده برای هر دو نوع ارتباط یک‌سان و به یک اندازه است.
  3. ستاپ آزمایشگاهی: از یک جعبه فلزی برای جلوگیری از هم شنوی فرستنده و ایستگاه پایه از طریق لینک رادیویی بی‌سیم استفاده شده است. این کار تضمین می‌کند که تمامی پیام‌های LoRa و MYTHINGS باید از پس زمینه نویزی شبیه سازی شده عبور کنند. به منظور کاهش تلفات توان ناخواسته، از کابل‌های با کیفیت استفاده شده است.
  4. مدت اندازه‌گیری: برای گرفتن نتایج آماری معتبر، زمان کافی در نظر گرفته شده است ( 1ساعت و 4 ساعت).

مدل تداخل

چهار کلاس تداخلی برای نشان دادن سطوح مختلف چگالی سیگنال (α) نشان داده شده‌اند.

انواع مدل های تداخلی
شکل 2: سناریوهای تداخلی مختلف

تعاریف مربوط به کلاس‌های تداخلی، چگالی سیگنال و سناریوهای معادل، از دنیای واقعی گرفته شده‌اند. شهرهای بزرگی مانند برلین، بارسلونا و نیویورک عموما تراکم جمعیتی بین 4 تا 6 هزار به ازای هر کیلومتر مربع دارند. میانگین افراد هر خانه 2 نفر است، بنابراین تراکم خانه‌ها به ازای هر کیلومتر مربع بین 2 تا 8 هزار است.

برای محاسبه چگالی سیگنال (α)، فرض شده‌است حدود 7 هزار خانه به ازای هر کیلومتر مربع وجود دارد. در سناریوی شهر هوشمند، فرض بر این است که در هر خانه 10 دستگاه به یکدیگر متصل‌اند؛ حدود 70 هزار در هر کیلومتر مربع. طبق پیش‌بینی‌ها، 50=α در نظر گرفته شده‌است که به این معناست در هر خانه 100 تا و در هر کیلومتر مربع 700 هزار دستگاه وجود دارد. در هر دو آزمایش، فرض شده که هر دستگاه پیامی 5 میلی ثانیه‌ای را هر 10 ثانیه می‌فرستد.

منظور از تراکم چیست؟

  • 7 هزار خانه در هر کیلومتر مربع
  • 100 دستگاه متصل در هر خانه
  • 700 هزار دستگاه در هر کیلومتر مربع
  • 6 پیام در دقیقه
  • هر پیام 5 میلی ثانیه

نتایج

شکل‌های 3 تا 6 عملکرد شبکه MYTHINGS در مقابل LoRa را در دو سناریوی تست، یکی بدون نویز و دیگری با نویز نشان می‌دهد.

نتایج به صورت نرخ خطای پاکت، نسبت به توان سیگنال هر سیستم و طی مدت 60 دقیقه اندازه گیری می‌شود. لازم به ذکر است که توان سیگنال را می‌توان مستقیما با برد بین فرستنده و ایستگاه پایه مقایسه کرد. هر چه توان سیگنال پایین‌تر باشد، فاصله دورتر بوده و احتمال خطا بیشتر است.

سناریوی بدون تداخل

شکل‌های 3 و 4 نتایج آزمایش در سناریوی بدون تداخل نشان می‌دهد. همان طور که انتظار می‌رفت، وقتی که فقط نویز وجود داشت، تقریبا هیچ تفاوتی بین عملکرد دو شبکه وجود نداشت. با فرض سیگنالی به اندازه 129- (dBm) ، تمامی پیام‌ها در LoRa و MYTHINGS با موفقیت دریافت شده و PER=0. این نتیجه تایید می‌کند که سخت‌افزار انتخابی معتبر و بدون خطاست. لازم به ذکر است در تمامی سناریوها، نویز پس زمینه Additive White Gaussian Noise) 10dB) بالاتر از نویز حرارتی در نظر گرفته شده است تا از نوسانات کنترل نشده نویزی جلوگیری شود.

عملکرد شبکه MYTHING در شرایط بدون تداخل
شکل 3: عملکرد شبکه MYTHING در شرایط بدون تداخل
عملکرد شبکه LoRa در شرایط بدون تداخل
شکل 4: عملکرد شبکه LoRa در شرایط بدون تداخل

سناریوی تداخلی

شکل 5 و 6 تفاوت مشخصی در QoS را نشان می‌دهد. برای یک سیگنال 126- (dBm)، در شبکه MYTHINGS هیچ پیغامی از دست نرفته است اما در شبکه LoRa پیش از 10 درصد پیام انتقالی از دست رفته است.

در کاربردهای IIoT، کم‌تر از 1 درصد PER لازم است. جالب است که حتی با افزایش توان سیگنال،  سیستم LoRa باز هم 4 تا 5 درصد تلفات دارد. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت در حضور تداخل، همیشه مقداری تلفات داده در ارتباط LoRa خواهیم داشت.

عملکرد شبکه MYTHINGS در شرایط تداخلی
شکل 5: عملکرد شبکه MYTHINGS در شرایط تداخلی
عملکرد شبکه LoRa در شرایط تداخلی
شکل 6: عملکرد شبکه LoRa در شرایط تداخلی

برای ادغام بیشتر اعتبار آماری این نتایج، اندازه‌گیری‌ها یک بار دیگر و به مدت 4 ساعت صورت گرفته است (شکل 7). یافته ها نشان داد که میزان تفاوت بین عملکرد MYTHINGS و عملکرد شبکه LoRa با آزمون 60 دقیقه ای قبلی مطابقت دارد. افت شدید خطای بسته برای MYTHINGS رخ داد در حالی که از دست دادن بسته برای LoRa ثابت ماند.

مقایسه MYTHING و LoRa در تست 4 ساعته
شکل 7: مقایسه MYTHING و LoRa در تست 4 ساعته

نتیجه گیری

هدف از این مطالعه، ارزیابی و مقایسه قابلیت اطمینان و QoS شبکه‌های LoRa و MYTHINGS با یکدیگر، در سناریوهای IoT/IIoT با سطح بالایی تداخلات رادیویی و الکترو مغناطیسی است. برای اطمینان از اینکه مقایسه‌ای دقیق و مناسب صورت گیرد، آزمایش با نقشه‌ و ستاپی محتاطانه، تجهیزات و سخت‌افزارهای سطح بالا و طی مدت زمانی مناسب صورت گرفته است.

نتایج نشان می‌دهد که در محیط ایده آل که هیچ تداخلی وجود ندارد، دو شبکه خیلی شبیه به هم عمل می‌کنند. اما در دنیای واقعی که تداخل‌های مختلفی وجود دارد، تفاوت مشخصی بین قابلیت اطمینان شبکه LoRa و MYTHINGS وجود دارد.

حتی در SF=12 که برد بالا و ایمنی در برابر تداخل را به ارمغان می‌آورد، سیستم LoRa باز هم نمی‌تواند شرط PER کمتر از یک درصد را تامین کند. در طرف دیگر، سیستم MYTHINGS می‌تواند سرعت از دست رفتن بسته را به صفر برساند.  این به آن معناست که تداخل خارجی کمترین تاثیر را بر روی شبکه MYTHINGS داشته و دریافت پیام از قابلیت اطمینان خیلی بالایی برخوردار است. در طرف دیگر، دریافت پیام در شبکه LoRa غیر قابل پیش‌بینی بوده و از یک روز تا روز دیگر متغیر است.

با رشد سریع بسترهای IoT بی‌سیم و افزایش میزان استفاده از طیف فرکانسی بدون مجوز، می توان نتیجه گرفت که راه‌حل‌های LPWAN چالش های وسیعی در QoS و مقیاس پذیری تجربه خواهد کرد. MYTHINGS با استاندارد TS-UNB در هسته آن، قادر به ارائه سطح جدیدی از QoS برای شبکه‌های IoT نسل بعدی است.

وقتی حرف از دنیای عمل IIoT می‌شود، روی هر پیغام حساب شده و اگر یکی از دست برود، منجر به پیامدهای اساسی خواهد شد. در مقایسه با LoRa، شبکه MYTHINGS مقاومت بالاتری در برابر تداخل داشته و اتصالی قدرتمند و آینده محور ارائه می‌دهد. با استفاده از MYTHINGS، مشاغل می‌توانند کاربردهای جدید IoT و ادوات را در زیرساخت‌های موجود خود یکپارچه کنند.

برای مشاهده سایر نوشتارهای مربوط به الکترونیک و مخابرات، اینجا کلیک کنید!

Choose your Reaction!
دیدگاه خود را بنویسید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

redronic.com