среда, 5 марта 2014 г.

Сравнительный анализ частотных диапазонов 433 МГц и 2400 МГц для применения в АСКУЭ

Для понимания, что лучше все таки (433 МГц или 2400 МГц) для применения в системах АСКУЭ, обратимся к физике. На основании этих выкладок можно говорить о том, будут ли реально работать большие объекты АСКУЭ на этих частостах.

План анализа:
2)      Полоса пропускания обеих диапазонов:
3)      Скорость передачи данных в этих диапазонах. (данных 2-х типов: пользователя и сетевых служебных данных самой сети)
4)      Помехозащищенность каналов связи


Физика распростанения радиоволны в эфире.

Кратко: чем ниже частота, тем распростанение лучше. Т.е при одинаковой мощности передатчиков 433 и 2400 МГц, сигнал 433 передаст данные дальше.
См. формулу ослабления для свободного пространстава:

 где:
LFreeSpace – ослабление в dB в свободном пространстве
d – расстояние в метрах
f – частота в МГц  
Вывод: по этой формуле лучше 433 МГц. Но, если учесть, что для 433 допустимая мощность в эфире 10 мВт, а для Zigbee она составляет 100 мВт то это как раз выравнимает дальности обеих технологий с точки зрения разрешительной документации ГКРЧ. Технологии равны.

Полоса пропускания обеих диапазонов.

Для Zigbee:


для 433 МГц
 
Вывод:
Для Zigbee свободная полоса частот состоит из 80 МГц, а для 433 всего лишь 1.8 МГц.
Рабочая полоса для Zigbee равняется 5 МГц, тогда как для 433 она не превышает 0,4 МГц.
Если объяснить это простым не инженерным языком, то:
- широкая полоса – это выше скорость передачи, а соответственно возможность передачи больших объемов служебной сетевой информации, которая как раз нужна для MESH динамической радиосети. В эту широкую полосу можно вложить алгоритмы сжатия и корекции ошибок сигнала. В эту широкую полосу можно вложить шифрование канала связи. И. Т. Д.
- узкая полоса частот – это отсутствие высокой скорости передачи. Если допустить, что скорость можно сделать высокую, тогда возникает вопрос, а чем же пожертвовали. Как правило жертвуют, помехозащищенными алгоритмами сжатия, от которых сильно загружается полоса спектра. Говорить о полноценной MESH радиосети неприходится.

Для понимания: MESH радиосеть требует очень большого служебного трафика в канале связи. Ведь передаетя информация о 100 роутах (хопах). Кроме того, вместе с хопами, передается информация с самого счетчика. Если представить, что вычитка данных со счетчика передается по цепочке их 50 других счетчиков, то это как раз может происходить в широкой полосе с оптимальной скоростью. В 433 полоса непозволит тянуть информацию о 50 хопах. Максимум точка – многоточие, или не более 2-3 хопа с потерей скорости.
Это как автомобильная дорога их 10 полос в каждую сторону и 1 полосы в каждую сторону. По какой дороге, больше грузов можно перевезти за одно и тоже время тысячей автомобилей, которые выезжают одновременно? Ответ очевиден. Примерно так нужно полосу частот рассматривать и для передачи в АСКУЭ.
Кроме того, перспективы 433 не имеют расширения по скорости. В Zigbee идет тенденция на увеличение скорости передачи, путем параллельной работы одновременно на нескольких каналах.


Скорость передачи данных в этих диапазонах. (данных 2-х типов: пользователя и сетевых служебных данных самой сети). Помехозащищенность каналов связи

Для развеивания мифа о том, что на 433 МГц можно получить MESH да еще и с надежно работающими хопами без потери скорости….
В этом нам поможет формула соотношения допустимого уровня сигнал/шум на выходе приемника, который принимает цифровой сигнал.  Из всего множества формул, эта как раз подходит для оценки, так как учитывает скорость передачи в радиоканале и полосу пропускания..


Где:
SNR - Отношения СИГНАЛ/ШУМ  на выходе приемника модуля, с гарантированным коэф. ошибок. SNR – функция энергии бита шумового отношения плотности спектра (Eb/No).
(R)-скорости передачи данных.
(B) полоса пропускания.
Своими словами: О чем говорит эта формула?
SNR – показывает, на сколько dB должен полезный сигнал быть выше шума в спектре сигнала, что бы гарантированно принимать полезные данные с заданной скоростью и не иметь «сбоем и глюков».
SNR – зависит от расстояния передачи, препятствий радиосигналу и.т.д Этот параметр самый удобный для анализа.
Так вот:
У нас, критичный параметр в этой формуле В – полоса пропускания. Мы говорили о ней выше. Как раз она меньше у 433 МГц в 12.5 раза. Значит из этой формулы видно, если В уменьшать, (а для 433 оно реально меньше) то в результате соотношение SNR увеличивается и это если мы не трогаем скорость передачи R.
Для того, что бы чувствовать как работает формула, приведем график:

Из этого графика видно, что чем выше скорость передачи (например для Wi-Fi =2000kbits) тем нужно обеспечивать более широкую полосу передачи при заданном коэф SNR. А мы знаем, что у Wi-Fi работает вся полоса 80 МГц. У Zigbee для 250 kbits полоса 5 МГц из них для данных самих счетчиков остается только 9600 бод. Таким образом, когда говорят, что 433 МГц обеспечивает такую же скорость как у Zigbee с построением MESH, то в это уже мало верится. Соотношение SNR это величина какого то предела. Как правило, SNR это типовые параметры в микросхемах приемников от 3 – 10 dB. Если нужно получить большие соотношения (как в космической связи), то делают входные цепи с криогенным охлаждением. Для АСКУЭ SNR как правило от 3 до 6 dB, так как цена играет немаловажную роль.

Не может 433 обеспечить скорость передачи по MESH и надежную доставку данных при равных условиях как у Zigbee. Полосы не хватает, а значит строят топологии сбора точка-многоточие.
Ответ на все дает просто ФИЗИКА.



Возможность шифрования данных в радиоканале.

Как уже говорили выше, шифрование в 433 какое то есть. Некоторые его используют и жертвуют скоростью передачи, некоторые не используют но зато выжимают с этой технологии хоть какую то скорость и хоть какие то 2-3 роута. ПОЛНОЦЕННОЕ ШИФРОВАНИЕ – это не только пароль на канал связи, а еще и цифровое разделение подсетей в пределах одного частотного канала. Видно одно, технология 433 в этом ограничена.

Общий вывод:
Технология 433 МГц, удобна для применения в топологиях точка – точка или точка – многоточие. Построение полноценных радиосетей потребителей, которыми можно покрывать большие площади, на данной технологии невозможно в виду ограничения физическими свойствами полосы пропускания и ограниченной мощностью излучения.
Технология Zigbee работает на более высокой частоте. Имеет небольшую дальность передачи между устройствами, но за счет широкой полосы пропускания в радиоспектре, позволяет передавать большие объемы « сетевой математики», что позволяет строить большие радиосети, покрывать большие площадя одной единой радиосетью. Это в свою очередь снижает точку учета, делает проще инсталяцию, экономит ресурс на командировках и. т. д.