Поток

Энергоэффективность LPWAN

Часто в интернете можно увидеть следующую картинку, с утверждением, что:
«Любые существующие беспроводные технологии передачи данных обладают такими характеристиками как дальность, скорость и энергоэффективность. Причем одновременно можно соответствовать лишь 2-м из 3-х. Технология LPWAN обеспечивает энергоэффективную передачу данных на большие расстояния.»
 

Сразу возникает вопрос: “Неужели GSM и LTE – энергетически не эффективны?

         Тут явно смешаны понятия затратность и эффективность. Увеличение дальности всегда требует увеличения затрат энергии, что влечет за собой уменьшение скорости передачи при фиксированной мощности передатчика. Увеличение битной скорости в 2 раза -
- в 2 раза уменьшает площадь покрытия шлюза в открытом пространстве. 

 В LPWAN необходимо передать информацию на большое расстояние, но, при этом, максимально эффективно расходуя энергию (работаем от батарейки) – т.е. энергоэффективно.  
Под энергоэффективностью LPWAN понимается эффективность расходования батарейки конечным устройством на передачу единичного сообщения на расстояние до шлюза. 
Энергоэффективность LPWAN обеспечивается двумя ключевыми техническими параметрами системы:
1.     Качеством приемника шлюза;
2.     Количеством служебных бит на одно информационное сообщение.

Из ограничения Шеннона следует, что максимальная дальность связи, при прочих равных условиях, пропорциональна энергии бита информации и не зависит от типа модуляции. Это значит, что, улучшая характеристики радиоканала, мы можем только приблизиться к физическому пределу, но не более. Большая дальность передатчика LoRa реализуется за счет именно медленной передачи информации, а тип ее модуляции только позволяет это технически просто реализовать.

Второй параметр энергоэффективности зависит от используемого радио протокола, который должен обеспечить минимально необходимую долю служебной информации в каждом сообщении.

Энергоэффективность LPWAN = качественный приемник + минимальная длина посылки.

         Для создания энергоэффективной LPWAN системы необходимы:
  1. Качественный приемник, обеспечивающий максимальную чувствительность, помехозащищенность и динамический диапазон в реальных условиях эксплуатации;
  2. Качественный протокол связи, обеспечивающий минимальную долю служебной информации на каждое полезное сообщение.

Если не обеспечить необходимое качество приемника шлюза, то для обеспечения такой же дальности связи, придется увеличивать энергию сообщения в эфире (увеличить мощность или время передачи), что уменьшит энергоэффективность. 

При разработке LPWAN протоколов идет битва за каждый лишний бит в поле информационного сообщения. Чем меньше служебной информации, чем короче сообщение, тем более энергоэффективным будет радио протокол, и при этом нельзя забывать про надежность и безопасность.

Энергоэффективность безлицензионного LPWAN обеспечивается за счет использования максимально возможных коротких сообщений, что дает следующие преимущества:

· Увеличение дальности за счет уменьшения скорости передачи
· Увеличение срока службы батарейки за счет сокращения времени в эфире
· Увеличение пропускной способности за счет сокращения длины сообщения
· Повышенная помехозащищенность коротких сообщений

Протокол GoodWAN проектировался именно с учетом обеспечения максимально возможной энергоэффективности при дальности работы заведомо не хуже, чем у SigFox или LoRaWAN и позволяет отправить как минимум вдвое больше информационных сообщений от одной батарейки.