Использование диапазонов 433 и 868 МГц в системах промышленной телеметрии

Выбор частотного диапазона оказывает существенное влияние на характеристики проектируемой беспроводной системы, т.к. этот параметр неразрывно связан с дальностью связи, пропускной способностью, энергопотреблением и даже с финансовыми и инженерными затратами на проектирование. В статье будут рассмотрены преимущества и недостатки субгигагерцевых безлицензионных диапазонов частот по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц, широко используемым в потребительской электронике.

В диапазоне 2,4 ГГц работают такие популярные стандарты как Bluetooth, Wi-Fi и ZigBee. Однако значит ли это, что это лучший выбор разработчика при проектировании любой системы? Разумеется, нет. Субгигагерцевые диапазоны обеспечивают ряд преимуществ в виде большей дальности, сниженного энергопотребления, меньшей стоимости для таких приложений как системы безопасности и сбора данных со счетчиков энергии, низкоскоростные устройства промышленной телеметрии и домашней автоматизации. Примерное соотношение дальности связи и скорости передачи данных для различных беспроводных стандартов приведено на рисунке 1.

Рис. 1. Примерное соотношение дальности связи и скорости передачи данных для различных беспроводных стандартов

В Российской Федерации выделены два субгигагерцевых диапазона частот, где возможно безлицензионное применение радиопередающих устройств — 443 и 868 МГц. Термин «безлицензионный» означает, что потребитель может использовать радиопередающие устройства без специальных разрешений и регистрации. Однако необходимо, чтобы технические характеристики радиопередающих устройств отвечали техническим требованиям, утвержденным решениями Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ). За это отвечает производитель этих устройств, подтверждая соответствие их параметров установленным нормам.

Частота, МГц

Основные характеристики

Назначение

Регламентирующий документ

(EN 300 220) (Рабочий цикл не ограничен)

Неспециализированные (любого назначения) устройства — устройства малого радиуса общего применения, включая устройства дистанционного управления и передачи телеметрии, телеуправления, сигнализации, передачи данных и других подобных передач.

Приложение 1 к решению ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001

5 мВт (Рабочий цикл < 10%)

Устройства охранной радиосигнализации — системы радиосигнализации, включающие системы общественной радиосигнализации и системы радиосигнализации для обеспечения безопасности.

Приложение 3 к решению ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001

10 мВт (Рабочий цикл < 10%)

Приложение 3к решению ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001

25 мВт (EN 300 220)

Рабочий цикл 0,1%

Приложение 11к решению ГКРЧ от 07 мая 2007 г. № 07-20-03-001

Приложение 11 к решению ГКРЧ от 07 мая 2007 г. № 07-20-03-001

10 мВт (EN 301 357)

Рабочий цикл 100%

Беспроводное аудиооборудование — устройства малого радиуса действия, используемые для передачи данных между акустическими системами, наушниками, микрофонами и другими аудиоустройствами.

Приложение 14 к решению ГКРЧ от 07 мая 2007 г. № 07-20-03-001

ГКРЧ — межведомственный координационный орган, действующий при Министерстве связи и массовых коммуникаций РФ и регулирующий на коллегиальной основе использование радиочастотного спектра в РФ. Основные требования к радиопередающим устройствам субгигагерцевых диапазонов приведены в таблице 1. Следует отметить, что распределение российских участков частот в диапазоне 868 МГц не совпадает с европейским. В частности, в РФ не разрешены к свободному применению мощные передатчики диапазона g3 (869,4…869,650 МГц), которые позволяют достигать дальности связи в десятки километров (см. рис. 2).

Рис. 2. Разрешенные полосы в 868…870 МГц

По сравнению с диапазоном 2,4 ГГц приемопередатчики диапазонов 433 и 868 МГц представляют собой относительно простые беспроводные решения, которые могут десятилетиями работать от батарей, обеспечивая при этом устойчивую связь не только на открытом пространстве.

Дальность связи

Увеличенная дальность связи систем субгигагерцевого диапазона по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц обусловлена несколькими факторами. В диапазонах 433 и 868 МГц можно использовать более узкую полосу приемника, что позволяет достигать значения чувствительности до –125 дБм, по сравнению с –102 дБм у микросхем 2,4 ГГц. Сужению полосы пропускания приемника препятствует долговременная нестабильность кварцевого резонатора, которая умножается на больший коэффициент для высокочастотного диапазона 2,4 ГГц. При прохождении через препятствия внутри зданий радиоволны субгигагерцевого диапазона ослабляются в меньшей степени, что особенно заметно в железобетонных зданиях. Даже на открытом пространстве затухание низкочастотного сигнала меньше, т.к. дальность распространения радиоволн прямо пропорциональна длине волны (обратно пропорциональна частоте сигнала). Инженерное правило гласит: увеличение частоты в два раза приводит к двойному сокращению дистанции связи. Зависимость затухания радиосигнала в свободном пространстве определяется формулой Фрииса:

где d — расстояние; λ — длина волны (в той же размерности, что и d).

В данном случае подразумевается, что приемная и передающая антенны имеют коэффициент усиления, равный единице. Ослабление радиосигнала в зависимости от расстояния и частоты продемонстрировано на рисунке 3. Для оценки качества радиолинка применяется понятие энергетического потенциала радиолинии или бюджета радиолинии (Link margin), который показывает, насколько сигнал на входе приемника превышает его предельную чувствительность. Бюджет радиолинии вычисляется по следующей формуле:

Link margin (дБ) = TX power — RX sensivity + ANT gain — Path loss,

где TX power — выходная мощность передатчика, дБм; RX sensivity — чувствительность приемника, дБм; ANT gain — совокупный коэффициент усиления приемной и передающей антенны, дБи; Path loss — затухание сигнала на радиотрассе, дБ.

Рис. 3. Затухание сигнала на разных частотах

Для устойчивой связи бюджет радиолинии должен быть не менее 10…20 дБ. Допустимый разброс этого параметра может определяться типом модуляции, наличием избыточного кодирования и каких-либо методов расширения спектра. Очень опасно строить беспроводную систему, которая не имеет достаточного запаса энергетического потенциала. Классический пример такого рода — развернутая зимой система становится совершенно неработоспособной в летние месяцы из-за распустившейся листвы деревьев. Если между приемником и передатчиком располагаются какие-то препятствия, то дополнительное ослабление сигнала определяется типом и толщиной материала (см. рис. 4).

Рис. 4. Ослабление сигнала на частоте 900 МГц различными препятствиями

Радиоволны субгигагерцевого диапазона характеризуются большей дифракцией, т.е. способностью огибать препятствия. К сожалению, радиоволны диапазона 2,4 ГГц распространяются подобно световому лучу, и попадание приемной антенны в зону радиотени даже от относительно небольшого объекта может нарушать связь. Например, для модулей XBee Pro 2,4 ГГц заявленная дальность связи в 3 км легко подтверждается экспериментом. На практике она достигает даже 4 км. Однако на таком большом расстоянии любое препятствие между приемной и передающей антеннами (человек, дерево, столб, машина) приводит к уменьшению количества успешно принятых пакетов с 80% до 0.

Габариты изделий

Выбранный диапазон частот практически не влияет на габариты изделия с точки зрения размеров и количества компонентов на печатной плате. Однако размер антенны прямо пропорционален длине волны, поэтому субгигагерцевые системы имеют антенны большего размера. Инженерная формула для расчета длины антенны в виде четвертьволнового штыря имеет следующий вид:

Длина антенны для диапазона 433 МГц составляет 17,3 см, для диапазона 868 МГц — 8,2 см. Разумеется, существуют миниатюрные антенны и для диапазонов 433 МГц, например, керамические чип-антенны, однако их эффективность меньше, чем у полноразмерных, т.е. тех антенн, размер которых соизмерим с длиной волны (см. рис. 5).

Рис. 5. Полноразмерные и миниатюрные антенны

В отличие от 2,4 ГГц антенны 433 и 868 МГц могут работать на кабель длиной в единицы метров. Затухание сигнала диапазона 2,4 ГГц в коаксиальном кабеле достаточно велико, поэтому на практике для данного диапазона вынос антенны на расстояние большее, чем несколько десятков сантиметров, едва ли возможно.

Помеховая обстановка

В диапазоне 2,4 ГГц работает большое количество потребительской электроники –Wi-Fi-роутеры и компьютеры, телефоны с Bluetooth и микроволновые печи. Особенностью данных источников помех является то, что они могут работать продолжительное время. Например, WI-Fi-роутер может часами и сутками работать на максимальной мощности при закачке фильмов. Что касается микроволновых печей, то их влияние, исходя из опыта автора, сильно преувеличено. Диапазон 433 МГц в крупных населенных пунктах также загружен многочисленными устройствами охранной сигнализации, однако все эти устройства включаются, как правило, лишь на короткое время, поэтому их влияние можно нивелировать правильным алгоритмом отправки пакетов — необходимо применять контроль доставки и повторные отправки сообщений. Наиболее спокойным относительно количества помех на текущий момент представляется диапазон 868 МГц, возможно, потому, что безлицензионным он стал в нашей стране относительно недавно.

Потребление энергии

В общем случае, чем выше рабочая частота системы, тем больше потребление тока. Это относится как процессорам, работающим с разными тактовыми частотами, так и к высокочастотным устройствам. Например, типовое потребление ZigBee-трансивера составляет 20…40 мА в диапазоне 2,4 МГц, в то время как трансиверы субгигагерцевых диапазонов имеют потребление в пределах 10…20 мА. Это касается, в основном, активного режима работы трансивера, т.к. в режиме сна параметры потребления не зависят от частотного диапазона. Для снижения энергопотребления важно, чтобы трансивер переходил из состояния сна в режим передачи за короткое время. У современных микросхем это время достигает единиц микросекунд, что позволяет строить на них системы со скачкообразной перестройкой частоты даже в субгигагерцевых диапазонах. Продолжительность работы в 10 и более лет от батарей обеспечивается периодическим засыпанием устройства на время от долей секунд до десятков минут. В моменты сна обмен данными по эфиру невозможен. При необходимости поддерживать 100% готовность радиолинка (по времени) нужно, чтобы приемник постоянно находился в активном режиме. Лучшие пакетные трансиверы имеют потребление порядка единиц мА в диапазонах 433 и 868 МГц. Минимальное потребление в активном режиме приема обеспечивают простейшие сверхрегенеративные приемники, однако они характеризуются низкими значениями чувствительности и избирательности. Например, радиомодуль Telecontrolli STE-RX-868 потребляет 0,7 мА, а радиомодуль RR18-433 всего лишь 70 мкА.

Чем дольше устройство находится в спящем состоянии, тем меньше требуемая емкость батарей для обеспечения заданного времени автономной работы. Обратная сторона спящего режима — снижение мгновенной доступности связи.

Сложность программного обеспечения

Любая беспроводная система представляет собой не только аппаратные средства («железо»), но и программное обеспечение, реализующее радиопротокол. В диапазоне 2,4 ГГц в основном используются стандартные стеки протоколов (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee), которые довольно сложны с программной точки зрения. Для их реализации требуется повышенный объем флэш-памяти микроконтроллера (МК) — от 1 МБ для Wi-Fi до десятков кБ для ZigBee (см. рис. 6). Проприетарные протоколы для субгигарцевого диапазона укладываются в единицы Кбайт, например, стек Silicon Labs EzMacPro. Кроме объема памяти стандартные протоколы требуют повышенной вычислительной мощности МК. Использование проприетарных протоколов во многих случаях оказывается более выгодным с точки зрения временных затрат на разработку. Преимущества же стандартных технологий в виде совместимости с оборудованием других производителей имеет значение главным образом в потребительской электронике. Едва ли разработчику системы охраны или сбора данных с промышленного оборудования нужно стремиться к тому, чтобы к его системе можно было подключать устройства конкурирующего производителя.

Рис. 6. Объем памяти для различных стеков протоколов

Какие компоненты доступны?

Практически каждый крупный производитель микросхем выпускает свою номенклатуру чипов для субгигагерцевого диапазона. Это трансиверы, раздельные микросхемы приемников и передатчиков и многофункциональные ИС, включающие высокочастотную часть и 8–32-разрядный процессор (см. табл. 2). Для тех, кто в силу недостаточности опыта или просто нехватки времени не хочет заниматься разводкой высокочастотных цепей, на рынке предлагаются радиочастотные модули с различной степенью интеграции. В простейшем случае радиомодуль может представлять собой микросхему трансивера, запаянную на плату с необходимой обвязкой. Довольно популярны модули на базе пакетных трансиверов Texas Instruments (см. рис. 7). Например, радиомодуль Panasonic PAN2355, построенный на базе микросхемы CC1101, имеет размеры всего лишь 8×8 мм. Для отправки пакета здесь необходимо запрограммировать многочисленные внутренние регистры трансивера СС1101. Относительная сложность управления компенсируется невероятной гибкостью — разработчик может настраивать вид модуляции, скорость передачи данных, полосу пропускания приемника, длину пакета и множество других параметров.

Микросхема (Производитель)

Особенности

Диапазон частот, МГц

Скорость передачи, макс.

Чувствительность, Дбм

Выходная мощность, дБм

Напряжение питания, В

Texas Instruments

Пакетный трансивер с гибкими настройками. Автоматическое формирование и проверка контрольной суммы. Автокоррекция ошибок. Пакетный и потоковый режим

Пакетный трансивер с гибкими настройками. Бюджетная версия СС1101

Отдельный приемник/передатчик на основе CC110L

Пакетный трансивер с повышенной устойчивостью к помехам

Узкополосный (12,5 кГц) пакетный трансивер с повышенной устойчивостью к помехам

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎