Всем известно, что важной особенностью сетей с низким энергопотреблением и широким радиусом действия (LPWAN) является их сверхнизкое энергопотребление. Большинство технологий LPWAN заявляют о способности обеспечивать срок службы батареи более 10 лет, что делает их предпочтительным типом подключения для сетей датчиков Интернета вещей (IoT), работающих от батарей.
Как LPWAN обеспечивает столь длительный срок службы батареи?
звездообразная топология
Ввиду больших физических расстояний сеть LPWAN можно развернуть в топологии «звезда», при этом она по-прежнему будет эффективно охватывать обширную географическую территорию. Как упоминалось в предыдущей статье, топология «звезда» с одним прыжком позволяет сэкономить на порядок больше энергии, чем ячеистая топология, применительно к беспроводным сетям ближнего действия.
Асинхронная связь
Большинство сетей с низким энергопотреблением и широким охватом, работающих в нелицензируемом диапазоне частот, используют упрощенные протоколы управления доступом к среде (MAC) для асинхронной связи. Например, широко используемый протокол случайного доступа ALOHA. В системе ALOHA узлы получают доступ к каналу и отправляют сообщения в любое время, не посылая базовой станции сигналов с запросом разрешения и не отслеживая текущие передачи других узлов для координации.
Главным преимуществом этого протокола произвольного доступа является то, что он не требует сложных механизмов управления. Это значительно снижает энергопотребление и упрощает конструкцию приемопередатчика. Недостатком является то, что асинхронная связь может существенно ограничивать масштабируемость. Это связано с тем, что передача данных между узлами происходит нескоординированно, что повышает вероятность коллизий пакетов и потери данных.
режим сна
Конечные узлы LPWAN запрограммированы таким образом, что работают только тогда, когда им необходимо передавать сообщения. В остальное время приемопередатчик отключается и переходит в режим глубокого сна, потребляя при этом очень мало энергии. Если предположить, что узлу требуется отправлять всего несколько сообщений в день (вверх по каналу), то энергопотребление будет очень низким.
При двунаправленной связи конечный узел должен находиться в активном состоянии, чтобы принимать сообщения, передаваемые по нисходящему каналу от базовой станции. В этом случае можно настроить график прослушивания таким образом, чтобы узлы просыпались только в заранее определённое время для приёма сообщений, передаваемых по нисходящему каналу. В качестве альтернативы можно скоординировать работу узлов и базовых станций таким образом, чтобы сообщения по нисходящему каналу отправлялись вскоре после поступления данных по восходящему каналу. Это помогает сократить время, в течение которого узел должен находиться в “включённом” состоянии для приёма данных.
Имеют ли различные технологии LPWAN одинаковый срок службы батареи?
Ответ — однозначно «нет». На самом деле энергопотребление и, как следствие, время автономной работы могут значительно различаться не только между различными технологиями LPWAN, но даже между различными моделями развертывания одной и той же технологии. Рассмотрим ниже два основных фактора.
Во-первых, время “широковещательной” передачи — основной показатель энергопотребления во время передачи — значительно варьируется в разных системах LPWAN. Для ясности: передача данных является наиболее энергоемким процессом для конечного узла. Время широковещательной передачи — это общее время, необходимое для распространения сообщения от узла до базовой станции. При прочих равных условиях: чем короче время широковещательной передачи, тем ниже энергопотребление. Если одно и то же сообщение отправляется три раза для обеспечения избыточности, его общее время широковещательной передачи и энергопотребление утроятся.
Во-вторых, не все сети LPWAN используют сочетание всех трёх вышеупомянутых методов. Например, для повышения качества обслуживания сотовые сети LPWAN используют протоколы синхронизации, в соответствии с которыми конечные узлы должны посылать сигнал базовой станции, чтобы запросить разрешение на отправку сообщений (т. е. установить связь). Помимо того, что этот процесс приводит к повышенному энергопотреблению из-за избыточных накладных расходов, он также делает энергопотребление и общий срок службы батареи каждого устройства непредсказуемыми, поскольку сложно предсказать, сколько раз необходимо выполнить установку связи, прежде чем будет разрешена отправка сообщения. .
Технология Telegram Segmentation, одобренная ETSI, представляет собой уникальный метод передачи данных, который позволяет свести к минимуму время широковещательной передачи, одновременно обеспечивая оптимальный баланс между качеством обслуживания и энергопотреблением.
В конечном счете, 10 или даже 20 лет — это действительно очень длительный срок с точки зрения срока службы батареи, однако для его обеспечения необходимо всесторонне учесть целый ряд факторов. Помимо общих условий, таких как частота обмена сообщениями и тип используемой батареи (желательно с низкой скоростью саморазряда), в конечном итоге выбор подходящей технологии LPWAN действительно имеет значение. модуль nbiot
