Speaker A
Наступною темою, яку ми розглянемо, буде теорія комунікації в інтернеті речей.
Лекція про теорію комунікацій в IoT: огляд технологій передачі даних, їх особливостей та компромісів між швидкістю, дальністю і енергоспоживанням.
Key Takeaways
- Інтернет речей — це складна система з багатьма рівнями передачі даних.
- Безпровідні технології є основою комунікації в IoT, з різними параметрами швидкості, дальності та енергоспоживання.
- Теорія інформації визначає фундаментальні обмеження каналів зв’язку.
- Вибір технології передачі — компроміс між швидкістю, дальністю і енергоефективністю.
- Реальні умови передачі сигналу значно впливають на якість зв’язку.
Summary
- Інтернет речей — багаторівнева система обміну даними від фізичних пристроїв до хмарних платформ.
- Теорія комунікації в IoT базується на фізичному рівні, переважно на бездротовій радіопередачі.
- Якість бездротового зв’язку залежить від потужності передавача, частотного діапазону, шуму, інтерференції та характеристик приймача.
- Фундаментальні обмеження швидкості передачі даних визначаються співвідношенням сигнал-шум і шириною смуги пропускання.
- Комунікаційні технології IoT поділяються за масштабом покриття: WPAN, WLAN, WAN, LPWAN та інші спеціалізовані мережі.
- Кожна технологія має свої переваги і обмеження по швидкості, дальності та енергоспоживанню.
- Порівняння технологій за швидкістю передачі та дальністю показує компроміс між цими параметрами.
- Вибір технології залежить від конкретних вимог застосування — швидкість, енергоефективність, дальність.
- Радіочастотна передача сигналу залежить від потужності, частоти, характеристик антен, відстані та умов середовища.
- Ідеальна модель передачі — пряма видимість (Line of Sight), реальні умови ускладнюють поширення сигналу через затухання і інтерференцію.
Full Transcript — Download SRT & Markdown
Speaker A
Ми вже на даному етапі, е, зрозуміли, що інтернет речей — це складна багаторівнева система обміну даними.
Speaker A
По суті, інформація в цій системі рухається від фізичного об'єкта через мережу доступу, потім через транспортні мережі,
Speaker A
потрапляє на обчислювальні вузли у хмарних платформах, ну, там через проміжні вузли, потім хмарні платформи.
Speaker A
Тобто ми бачимо, що вся ця система побудована на її передачі даних по суті. І таким чином одним з важливих наших завдань в цьому курсі буде розуміти різні моделі і закони передавання інформації.
Speaker A
Оці моделі вони розкривають, як саме дані потрапляють з розподілених віддалених пристроїв до систем обробки.
Speaker A
В сучасних айті системах використовується дуже велика кількість різноманітних комунікаційних технологій. Кожна з цих технологій передачі має свої обмеження, свої переваги і по швидкості, і по дальності, і по інших параметрах.
Speaker A
Тому важливо для, зокрема, інженера-проектувальника і рішення не просто знати, що такі технології існують, а розуміти певні фундаментальні принципи, е-е, які лежать в теорії зв'язку та теорії інформації. Саме ці принципи визначають е-е поведінку цих технологій і власне е-е
Speaker A
як ці технології взагалі, на чому вони базуються. От ми з вами розглянули е-е технологію, да? І вона також базується на от теорії комунікації.
Speaker A
Зазвичай розгляд комунікації починається з фізичного рівня, з того, як саме передається радіосигнал. Значить, в основному ми з вами розглядатимемо саме радіопередачу, тому що є, ну, звісно, що є її дротові, да, рішення, але в інтернеті речей більш розповсюджена саме бездротова
Speaker A
бездротова передача. І коли ми розглядаємо бездротовий зв'язок, то якість цього зв'язку визначається низкою факторів.
Speaker A
Це, по-перше, потужність передавача. По-друге, це частотний діапазон, в якому працюють передавач-приймач. Дуже важливий рівень шуму, в якому відбувається комунікація, і інші ефекти, такі як інтерференція, затухання сигналу в середовищах.
Speaker A
Ну і характеристики приймача також важливі. Тобто передавач — це перше, да, на що ми звертаємо увагу. Але приймач — це також важливо.
Speaker A
І всі ці параметри безпосередньо впливають на її такі споживчі для нас характеристики системи зв'язку, як пропускна здатність каналу, ймовірність виникнення помилок і дальність передачі.
Speaker A
Згідно з теорією інформації існують фундаментальні обмеження щодо швидкості передачі даних у каналі зв'язку. Значить, ці обмеження визначаються співвідношеннями сигнал-шум і шириною смуги пропускання. Саме тому різні технології працюють в різних частотних діапазонах і використовують різні методи модуляції та кодування, щоб знайти
Speaker A
певний баланс, певний оптимум між швидкістю передачі, надійністю та енергоспоживанням. Взагалі в сучасних айті-системах комунікації можна умовно поділити за масштабом покриття на персональні мережі wireless personal area network.
Speaker A
Е-е, це мала дальність на рівні там сантиметрів або декількох метрів. Там NFC, до речі, Bluetooth, Zigbee, це технології, що якраз відносяться зазвичай до персональних мереж. Значить, WLAN — це Wireless Local Area Network.
Speaker A
Це локальні мережі, які працюють вже на десятки, сотні метрів. Ну, Wi-Fi, наприклад, там покриває десятки метрів.
Speaker A
Далі WAN — це в нас Wide Area Network, широкомасштабні мережі, які охоплюють вже там кілометри і навіть більше площі, включають стільникові технології, зокрема.
Speaker A
І також LPWAN — це в нас Low Power Wide Area Network, спеціалізовані мережі інтернету речей з низьким енергоспоживанням і великою дальністю.
Speaker A
Е-е, значить, окрім того, в сучасній термінології іноді використовуються і інші поняття. Наприклад, HAN — це в нас Home Area Network, домашні мережі. Значить, FELD Network — це польові мережі.
Speaker A
Значить, AN — міські або районні мережі. WBAN — значить, мережі на тілі людини Body Area Network. Всі ці мережі є, по суті, частиною єдиної екосистеми IoT технологій і часто вони взаємодіють між собою. Жодна з цих технологій не є універсальною.
Speaker A
Кожна з них займає свою нішу. Там, наприклад, високошвидкісні мережі, такі як Wi-Fi, там 5G, забезпечують великі обсяги даних, але споживають велику енергію. На відміну від них LPWAN, значить, працюють роками від однієї там батареї, але передають обмежений обсяг інформації. Тому вибір конкретної
Speaker A
комунікаційної технології — це завжди компроміс, який визначається вимогами конкретного застосування. Ми з вами будемо всі ці технології поступово розглядати.
Speaker A
Лекцій в нас багато, матеріалу багато, значить, але якщо так оглянути одним оком, да, цю сукупність технологій, то ми тут бачимо порівняння всіх цих бездротових технологій за двома ключовими параметрами. Значить, по вертикалі в нас іде швидкість передачі даних від біт на секунду до сотень
Speaker A
гігабітів на секунду, а по горизонталі дальність зв'язку тут від сантиметрів до сотень кілометрів. Значить, що в нас в лівому нижньому куті? Тут якраз розташована технологія RFID, яку ми щойно розглянули. Значить, технологія ближнього радіусу дії з низькою швидкістю.
Speaker A
Це така коротка і низькопродуктивна технологія NFC, значить, на коротку відстань, але більш продуктивна стосовно швидкості передачі. Ну, а Airfit Ultra High Frequency, значить, це в нас такий дещо подалі вже на десятки метрів простягається.
Speaker A
По суті, більшість RFID технологій і NFC це якраз використовується для на коротких дистанціях для ідентифікації, про що ми сказали. Ее, значить, далі трохи вище тут в персональних мережах знаходяться в нас технології Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, Thread.
Speaker A
Вони забезпечують відносно невелику швидкість, хоча працюють на вже відстанях до десятків метрів, при цьому маючи низьке енергоспоживання.
Speaker A
В середній частині діаграми в нас представлені WLAN технології, значить, локальні мережі. Це в нас в основному Wi-Fi, відомий нам стандарт 802.11 сімейство. Забезпечують вони значно вищі швидкості передачі до гігабітів на секунду на сьогодні, але мають обмежений радіус дії на рівні десятків, максимум
Speaker A
сотень метрів. Та е-е правіше і вище розташовані в нас широкомасштабні мережі, такі як LTE, 3G, PPP, 5G, е-е, WiMAX.
Speaker A
Вони забезпечують і значну дальність вже на кілометри, там десятки, так, і високопропускну здатність. Ну і окремо виділені в нас LPWAN технології, такі як LoRa, NB-IoT, Sigfox.
Speaker A
Значить, вони займають область великої дальності на рівні десятків кілометрів, але з дуже низькою швидкістю передачі.
Speaker A
Оптимізовані вони якраз для енергоефективних айті пристроїв. Тобто ми тут бачимо один з ключових принципів теорії комунікації, її що завжди існує компроміс між швидкістю передачі, дальністю та енергоспоживанням.
Speaker A
І вибір конкретної технології залежить від вимог конкретного сценарію використання. Да. Значить, е-е, ми будемо розбиратися з цими технологіями для того, щоб на практиці потім могли більш усвідомлено е-е враховувати обмеження кожної з цих технологій, обмеження каналів зв'язку, там, по енергоспоживанню, по затримках,
Speaker A
по завадостійкості, ну, і по масштабованості, в принципі, також. Ну, давайте перейдемо до радіочастотної передачі.
Speaker A
Ключовим аспектом бездротового зв'язку є дальність передачі сигналу. Дальність передачі визначається декількома факторами. По-перше, потужністю передавача, по-друге, частотою, на якій працює е-е передавач і приймач.
Speaker A
Ну і відповідно до частоти можна довжину хвилі розглядати, да, вони там обернено пропорційно пов'язані. Далі характеристики антен мають враховуватися, які також впливають на підсилення сигналу. Е, далі дуже важлива відстань між передавачем і приймачем і умови середовища, які впливають на
Speaker A
розповсюдження сигналу. Там перешкоди, різноманітні відбиття, інтерференція, ну і шум, звичайно. Найбільш ідеалізованою моделлю є передача в умовах прямої видимості. Це називається Line of Sight. Е, передача в умовах прямої видимості без завад взагалі. Це така ідеальна модель. Ну, а в реальних
Speaker A
умовах сигнал зазнає затухання, багатопроменевого поширення, інтерференції від інших пристроїв і впливу матеріалів, які знаходяться на шляху сигналу.
Speaker A
Ее, значить, частота, про яку ми сказали, вона суттєво впливає на поширення сигналу. А більш низ...
Speaker A
Воно описує залежність між переданою та прийнятою потужністю у вільному просторі. Ось ми бачимо зверху це рівняння у абсолютних величинах, а нижче у децибельній, так званій формі. Тут у нас всі параметри переведені у логарифмічну шкалу.
Speaker A
Значить, децибели - це в нас логарифмічна шкала. І тому тут усі множення замінилися на плюси.
Speaker A
Хтось знає, що таке логарифмічна лінійка? Так от ми знаємо. Знаєте, да? Що там, що там, значить, можна множити за допомогою суву, значить, частини цієї логарифмічної лінійки, тому що там логарифмічні шкали і відповідно можна перетворити множення на плюси відстаней. Ось тут такий сам
Speaker A
принцип. Значить, ось ми в логарифмічній децибельній формі якраз і маємо тут, значить, що ми тут маємо? Ми маємо потужність е приймача, да? Тут, значить, потужність на приймачі.
Speaker A
І що тут у нас? Це потужність передавачаm. Далі GTX - це в нас коефіцієнт посилення передавача.
Speaker A
GRX- коефіцієнт посилення прийма. Далі лямбда, довжина хвилі в метрах, да, що відповідає частоті передачі. Ну і R - це в нас відстань між передавачем та приймачем.
Speaker A
Ее, значить, що ми тут бачимо? Значить, відстань у нас тут у знаменнику в квадраті, да, знаходиться. Тобто ми бачимо, що при е збільшенні відстані в нас будуть е-е зростати витрати і відповідно м буде зменшуватися ось ця потужність.
Speaker A
Е-е, ну, значить, частота. Частота в нас також, значить, тут у нас довжина хвилі, якщо на частоту перетворити, да, то частота також опиниться у знаменника. Тобто при збільшенні частоти в нас втрати також будуть зростати.
Speaker A
Е-е, значить, для оцінки придатності конкретної радіолінії е-е для роботи використовується іноді поняття бюджету каналу. Значить, link budget це називається англійською.
Speaker A
По суті, що це означає? Це ее максимально допустимі втрати сигналу між передавачам і приймачем, за яких зв'язок ще залишається можливим. Тобто свого роду це такий собі запас потужності, запас міцності радіолінії.
Speaker A
Е, ну, чомусь його так назвали бюджет, тобто, ну, бюджет тут в сенсі, що це ресурс, тобто це запас, який ми можемо витратити, розуміючи, що коли ми будемо збільшувати відстань або збільшувати частоту, то цей ресурс буде витрачатися, цей запас буде
Speaker A
тратитися, да? І таким чином ми можемо збільшувати це до певного моменту. там бюджет закінчиться наш. От, тобто ми робимо, як правило, із запасом, щоб був певний резерв, да, щоб не на межі, не на межі там цієї відстані, наприклад,
Speaker A
працювати, да, а щоб був певний запас, тому що взагалі ідеальна модель, вона ж не реалізуєма в реальності.
Speaker A
От. Але на ось на цьому поки що рівні оцінки, да, на на такій моделі ідеалізованій можна оцінити приблизно хоча б по таких е-е виразах.
Speaker A
Тобто можна сказати, що це така собі буде верхня оцінка. Верхня оцінка потужності сигналу на приймачі.
Speaker A
Ее в децибельній формі, ее ми бачимо, що бюджет каналу по суті це різниця між потужністю передавача і чутливістю приймача.
Speaker A
Е-е ми можемо врахувати таким чином коефіцієнти підсилення антен, ее або втрати в середовищі, втрати в кабелях, до речі, також тут можна рахувати. Ну, тобто затухання в середовищі, які відбуваються.
Speaker A
І сучасні технології АТО якраз часто спрямовані на оптимізацію саме цього параметра бюджету каналу. Наприклад, е, там от Bluetooth Low Energy, про який ми будемо ще говорити, він підвищує чутливість приймача. Підвищує е-е для того, щоб е по суті, значить, цей бюджет
Speaker A
збільшити. Значить, а ось технологія Лора, наприклад, забезпечує великий бюджет каналу, що дає змогу працювати на великих відстанях.
Speaker A
Е-е, проектанти IT-систем завжди, як ми сказали, вони стикаються з компромісами. Е, з одного боку, збільшення потужності передавача покращує дальність, але підвищує енергоспоживання.
Speaker A
І треба дивитися на нормативні обмеження, до речі, при цьому, да, тому що потужні передавачі можуть заважати якимось там сусіднім підсистемам, е-е, як це, наприклад, було з е-е телебаченням. Значить, у нас зараз, я не знаю, чи закінчилася ця історія з
Speaker A
аналоговим, е, мовленням. Ну, у нас досі є аналогові радіостанції, да, які віщають. Я не знаю, чи віщає досі якась та теле ее телепрограма по-аналоговому, але в принципі Україна ще у, по-моєму, 15-му році зобов'язалася повністю відмовитися від аналогового телебачення
Speaker A
внаслідок того, що потужні передавачі наземного мовлення, вони заважали, значить, е, сусіднім країнам, які вже відмовилися від аналогового телебачення. Тому перше, де Україна замінила аналогові передавачі на цифрові, це були саме границі, да, значить, по кордонах. От. А всередині ще
Speaker A
довгий час функціонувало аналогове телебачення. Не знаю, чи повністю воно зараз е зійшло на ні, чи чи щось ще залишилося на регіональних рівнях.
Speaker A
От тому що телевізор якось не дивлюсь. Ну добре, ми відволіклися. Значить, з іншого боку, покращення чутливості приймача дозволяє приймати більш слабкі сигнали, але воно, як правило, ускладнює апаратну реалізацію самого приймача.
Speaker A
Ее і таким чином зменшення загальних витрат воно досягається якраз оптимальним вибором частоти, антени і певної топології мережі, яка також впливає на процес обміну.
Speaker A
В більшості сучасних айт рішень перевага надається якраз не збільшенню потужності, а оптимізації протоколів, використанню ефективних модуляцій і обробці даних, яка дозволяє зменшити обсяг даних, що треба передавати кудись далі, да? Значить, ее, ну, що ми тут на малюнку бачимо? Ми тут
Speaker A
бачимо спрощену модель радіоканалу між передавачем і приймачем, яка ілюструє у нас основні параметри рівняння фріса. Зліва в нас передавальна антена з потужністю ПТ і коефіцієнтом підсилення GTX.
Speaker A
А справа приймальна. Антена з потужністю прийнятого сигналу PR і коефіцієнтом підсилення GRX. між ними відстань R, яка безпосередньо впливає на втрати сигналу. І тут ми бачимо, що сигнал, який передається з певною потужністю, він зменшується при поширенні в просторі. І на приймачі
Speaker A
рівень цієї потужності залежить від відстані, від коефіцієнтів підсилення і втрату середовища. Так, добре. Значить, що стосується втрат е-е у вільному просторі поки що, да, коли інженер, там проектант, архітектор i системи оцінює максимальну дальність зв'язку, він, як правило, починає з
Speaker A
базової моделі втрат у вільному просторі. Це називається freepace path loss fspl. Значить, це така базова бейлайн, да, базова модель. Ее, значить, це перше наближення, можна сказати, оцінки втрат сигналу. Втрат сигналу у вільному просторі. Значить, по суті, це показник,
Speaker A
який нам показує, наскільки слабшає радіосигнал, коли він поширюється від передавача до приймача без перешкод. Тобто, знов таки ідеальний випадок. Пряма видимість, перешкод немає.
Speaker A
Від чого залежать ці втрати? Залежать вони від трьох основних параметрів. Це ми сказали відстань між передавачем, приймачем. Це частота сигналу F, да, і швидкість світла. Тут як параметр фізична константа. Е-е, значить, чим далі R, да, тут у нас тим слабший
Speaker A
сигнал. Значить, тут ми бачимо квадратичну залежність, да, що хоча вона логарифмується. Це в нас у децибела, значить 10 десяткових логарифмів.
Speaker A
Ее чим вища частота, тим більші витрати, тим більші втрати сигналу. Значить, це в нас оцінка втрат сигналу у вільному просторі.
Speaker A
значить, спрощена, можна сказати, оцінка першого наближення, яка добре підходить для попередніх розрахунків. Звісно, що в реальному світі ідеальних умов немає. На сигнал впливають різноманітні е-е там відбиття від землі, ее від будинків.
Speaker A
Є такий ефект, як багатопроменеве поширення. Теж ми будемо про нього говорити. Інтерференція, рельєф місцевості. Тому це базова модель, яка дає верхню таку собі оптимістичну оцінку дальності.
Speaker A
Ее уточнені моделі м значить намагаються врахувати е-е додаткові параметри. Значить, ее, уточнена модель плоскої землі ground model враховує вже висоти, значить, висоту передавальної антени HT, приймальної антени HR і відбиття сигналу від поверхні землі.
Speaker A
Е-е тобто якщо так по-простому, то сигнал тут вже залежить не тільки від відстані, а й від висот антен.
Speaker A
І при великих відстанях потужність сигналу буде приблизно спадати, ее, як уже відстань у четвертій степені. Тобто ми бачимо, що реально при врахуванні ось цих висот, да, ее при врахуванні відбиттів сигналу від поверхні Землі, поки що ми на не дуже великій відстані
Speaker A
беремо там, де можна розглядати землю як плоску, да? то там вже, значить, це затухання відбивається значно швидше, аніж просто у вільному просторі.
Speaker A
Значить, ось відбиття землі вже ось таку таку дає корекцію. Ее якщо просто сигнал розходиться у просторі, да, і від землі не відбивається, то можна оцінити оптимістично, як там одиниця на R².
Speaker A
В реальному світі, якщо ми врахуємо хоча б відбиття від землі, то втрати будуть вже відноситись як один на вчетвертій степені. Ну чому один? Тому що якщо в нас відстань велика, то ми, в принципі, можемо і тут огробити і знехтувати цими
Speaker A
висотами. Та тобто якщо в нас тут на попередньому слайді, якщо тут відстань збільшити, збільшити, збільшити, то тут роль цих висот, вона буде зменшуватися, звісно, да? Е-е, але от, значить, в принципі, ця модель, вона висоти також оцінює. Ну, K - це в нас тут коефіцієнт
Speaker A
2 пі на лямбда. Ну, звісно, що, ее, для iTсистем це важливий факт. Е-е ці моделі, вони дозволяють інженерові i Айот оцінити максимальну дальність роботи пристрою, якщо він знає всі ці параметри.
Speaker A
зрозуміти, чому там одна технологія буде працювати, наприклад, там на відстані 10 м, а інша буде працювати на декількох кілометрах.
Speaker A
Е, ну і завдяки цій інформації, цим знанням, правильно вибрати параметри, правильно вибрати частоту, висоту встановлення антен, тип мережі.
Speaker A
Тобто, скажімо так, все це впливає на потім на те, яку саме технологію зв'язку він обере для того, щоб розгорнути свою систему. Звісно, що ее є типові рішення, да? Тобто ми знаємо, ага, в нас там відстані великі, а приблизно умови такі.
Speaker A
Зазвичай тут використовують технологію таку, але все ж таки я вважаю непогано знати, чому саме, да, ці е-е як правило, да, чому ці правила, що зазвичай використовують таку технологію, чому вони взагалі взялися, звідки вони взялися? Ось вони взялися з цих базових
Speaker A
речей. Ее, до речі, висновок ось по цій моделі плоскої землі, ее, говорить нам, що, наприклад, при збільшенні відстані в 10 разів витрати сигналу зростуть приблизно на 40 дБ. От якщо порахувати тут, підставити от, ее, значить, при збільшенні відстані в 10
Speaker A
разів маємо втрати сигналу приблизно на рівні 40 дБ. Якщо порівнювати з вільним простором, то там буде 20 дБ, значить, R², а тут R вчет степені.
Speaker A
Е-е, значить, ну, і ми сказали, що далі сигнал погіршується також внаслідок впливу ще інших там фізичних ефектів, там, відбиття від не тільки землі, а й від інших поверхонь, від стін, від будівель. Ее, і це призводить до того, що виникає декілька копій цього сигналу
Speaker A
на приймачі. Тобто він приймає основний сигнал, а потім приймає через там мінімальну е-е мінімальний час приймає ще копії цього сигналу і виникає така собі мішанина. Е, є ще ефект дифракції. Значить, дифракція - це коли сигнал огинає перешкоди, там,
Speaker A
наприклад, будівлі, кути будівель, при цьому втрачається його енергія і це також впливає. Ну і розсіювання.
Speaker A
Є в нас випадки, коли на шляху сигналу зустрічаються якісь там об'єкти, там листя наприклад дерева кущі якісь нерівності, е, до речі, там дощі, дощ, туман, сніг. Все це призводить до того, що сигнал розсіюється на цих дрібних об'єктах, особливо якщо їх багато. І це
Speaker A
також ефект, який, ну, в наступних уточненнях треба враховувати. От. для того, щоб оцінити реальні втрати сигналу у вільному просторі чи не у вільному просторі.
Speaker A
Для нас важливо зрозуміти, що е-е вищі частоти дають більшу швидкість, але характеризуються більшими втратами і мають гірше проникнення у просторі. А нижні, відповідно, мають менші втрати, кращу дальність і краще проходять через перешкоди. Але бітрейт, тобто швидкість, е, пропускна здатність такого каналу, як
Speaker A
правило, менша. Тобто високі частоти використовуються на менших дальностях, ее низькі частоти на великих дальностях, да? Значить, ее, якщо порівнювати відомі частоти 900 МГц та 2,4 ГГц, які часто використовуються в різних технологіях інтернету речей, то сигнал на 900 МГц має приблизно на 8-9 дБ менші
Speaker A
втрати, аніж сигнал на 2,4 ГГц. Тобто з практичної точки зору це означає, що він може працювати приблизно в два рази далі. Тобто 900 МГц приблизно в два рази більше охоплює площу. Ну, більше радіус, да охоплює.
Speaker A
Ее нижні частоти також краще проходять крізь стіни, тобто це пов'язано з довжиною хвилі. Е-е, так, тут у нас, до речі, є така табличка. Ну, зараз ми до неї дійдемо.
Speaker A
Значить, довжина хвилі сигналу на 900 МГц - це приблизно 33 см, а довжина хвилі на 2,4 ГГц - це приблизно 12,5 см. Тобто, ну, два з лишнім разів менше е-е довжина хвилі. А чим довша хвиля, тим менше вона
Speaker A
розсіюється, тим краще вона огинає перешкоди і глибше проникає в матеріал. В реальних Айот застосуваннях, Айотсценаріях, сигнал часто має проходити через стіни, через двері, через скло, через різні матеріали.
Speaker A
Е, і ось ми тут бачимо орієнтовні втрати сигналу на різних матеріалах. Наприклад, ось скло, значить, ее втрати сигналу 900 МГ, значить -0,8 дБ, а на 2,4 вже там -3 дБ. Значить, ее кладка з цегли відповідно там -13 -15
Speaker A
дБ. Е, стіна з гіпсокартону або двері дерев'яні, ну, мають приблизно однакові коефіцієнти поглинання. Значить, відповідно, -2 дБ втрат на 900 на 900 МГц сигналу і -3 дБ на 2,4 ГГц.
Speaker A
М, тобто, в принципі, ми можемо е-е підсумувати, що е-е значить на 900 МГц ми бачимо е-е втрати в нас менші загалом. І щоб оцінити, -6 дБ - це приблизно в два рази слабший сигнал. -12 дБ - це приблизно в чотири
Speaker A
рази слабший сигнал. Ось так приблизно. Е, в більшості реальних систем от саме немає прямої видимості, про яку ми казали, да? Сигнал проходить через перешкоди з різних матеріалів. І при при проектуванні треба враховувати, через що він може проходити цей сигнал,
Speaker A
через які матеріали він буде проходити, щоб правильно вибрати частоту, а звіти технологію, оцінити ее сумарні втрати сигналу, ось той самий бюджет, бюджет каналу плюс втрати в стінах і можливо застосувати певні топології, да?
Speaker A
Тому що е-е бувають такі технології, які не передбачають конкретної топології, а є варіанти, тобто чи використовувати межмережу, наприклад, чи будувати межмережу, чи просто ретранслятори поставити там і зіркова топологія буде.
Speaker A
Так. Ну добре. Значить, давайте ще практичне порівняння зробимо ось цих діапазонів. Так, ану-ка секундочку.
Speaker A
Да. Е-е, ось ми сказали, що в принципі в інтернеті речей найчастіше використовуються діапазони або 900 МГц, або 2,4 ГГц.
Speaker A
І ось ми можемо ще порівняти їх ее при різних умовах передачі. А ось такий графік. Е-е варто при цьому м врахувати, що 2,4 ГГц - це глобально доступний неліцензований діапазон, тому саме він отримав найбільше поширення у світі. там Wi-Fi,
Speaker A
наприклад, е на 2,4 ГГц працює Bluetooth, е-е і інші деякі технології. М перевагами діапазону 2,4 ГГц є те, що він забезпечує в 2 тире5 разів більшу пропускну здатність, ніж 900 МГц.
Speaker A
дозволяє використовувати менші антени, підтримується великою кількістю комерційних протоколів і доступний у більшості країн без ліцензії. Тому саме він застосовується у масових пристроях.
Speaker A
Але недоліками його є перевантажений спектр, тобто багато пристроїв працює ее в будь-якому місці, да? В місті, в будь-якому місці існують пристрої, що працюють на 2,4 ГГц. Да, Wi-Fi охоплює майже все місто. Е-е, і не тільки Wi-Fi.
Speaker A
Значить, вища чутливість до завад, гірше проходить через стіни та перешкоди і, відповідно, має меншу дальність у порівнянні з 900 МГЦми.
Speaker A
Значить, по дальності ми сказали в 2 2, по рази 900 МГц має більшу дальність, да? Хоча Хоча завдяки ось, наприклад, тим самим топологіям можна компенсувати обмежену дальність е сигналу 2,4 ГГц.
Speaker A
Тобто ретранслятори будуть підсилювати його просто більше разів, тобто борються за цим, намагаючись е-е зробити більшу дальність. Стосовно проникнення через перешкоди, ми сказали, 900 МГц має довшу хвилю і тому краще проходить через стіни, рослинність та інші перешкоди, а 2,4 ГГЦ поглинається будівельними
Speaker A
матеріалами. Ви, мабуть, з цим добре знайомі, ее, коли працюєте з вай-фаєм подалі від роутера, особливо, якщо це там декілька стін на шляху знаходиться.
Speaker A
Ее, по швидкості, значить, відповідно, 900 МГц має обмежену швидкість, а 2,4 ГГц в два-три рази швидше. Та якщо там два 2-2,5 рази більша дальність, то тут 2дтри рази більша швидкість.
Speaker A
Ее, таким чином, 2,4 ГГц зв'язок має менше взаємодіяти з окремими об'єктами. При цьому він більше страждає від загального шуму в каналі.
Speaker A
Значить, ну, про 2.4 ми сказали, що це найбільш популярні варіанти, це Wi-Fi та Bluetooth.
Speaker A
Ну, а 900 МГц - це FIT технологія, про яку ми сказали. Ну, один з діапазонів, да, найбільш популярний.
Speaker A
Ее, ну, бездротові телефони, в принципі, рації, да, такі існують, які, ее, ну, зараз мобільний зв'язок в основному використовується, але, в принципі, існують такі рації, які працюють на менших частотах, там, відповідно на більшу дальність розраховані.
Speaker A
Ну і таким чином, в принципі, ми бачимо, що 900 МГц - це такі більш нішеві, ее більш спеціалізовані застосування для, значить, для 900 МГц. І вони мають середню вартість взагалі обладнання, вартість технології, вартість системи в результаті.
Speaker A
2,4 - це більш масова, більш як за рахунок цієї масовості нижча вартість. Ось. Ну і більш популярний варіант, більш відповідно забитий діапазон частотний.
Speaker A
Так. Ну добре. Значить, як правило, сенсорні мережі працюють на 900 МГц, а високошвидкісні пристрої на 2,4 ГГц, да? Значить, ну, і ми тут бачимо, що, е, порівнюються тут між собою втрати у вільному просторі і у прямій видимості на 2,4 ГГц. Ось так. Тобто, ее, це
Speaker A
приблизно тут ми бачимо, що у нас по відстані тут логарифмічна шкала, да, від 01 до 0,1 і тут така сама відстань від 0,1 до 1, да? А раз у нас логарифмічна шкала, відповідно тут воно перетворюється на прямі лінії.
Speaker A
І ось ми бачимо, як втрачається сигнал, да, від міну40. Ну, тут давайте так. Мінус 60 дБ до -100 на кілометрі відстані для прямої видимості.
Speaker A
Да. А втрати у вільному просторі з урахуванням е-е висот антен, значить 1 м та з урахуванням відбиття від землі, значить відповідно буде більше. З -40 буде втрата аж до -120.
Speaker A
Так. Ну і, ну і, ну і, ну, і далі. Значить, ось у нас є така ще зведена табличка.
Speaker A
Порівняння частот. 900 МГц. В основному надійний сигнал, більш сильний, е-е, більш роз, ее, як називається розвантажений діапазон. Тут він перевантажений переповнений схильний до інтерференції. І в принципі це також проблеми, які долаються хитрими способами в діапазоні 2,4 ГГц, як різним технологіям співіснувати в
Speaker A
цьому діапазоні частотному. Значить, відстань а-а в 2,67 разів, якщо точно порахувати, більше, ніж у 2,4 ГГц. Тут відстані коротші, але компенсуються покращеним кодуванням і, знов таки, алгоритмами взаємодії.
Speaker A
Велика довжина хвилі дозволяє проникати через більшість матеріалів та перешкод, а ти цей сигнал потенційно піддається впливу більшості будівельних матеріалів, тобто затухає.
Speaker A
Швидкість передачі тут обмежена тут до двох-трьох разів швидше. Сигнал може залежати від високих об'єктів та перешкод. Краще проходить крізь листя.
Speaker A
Так, вплив на канал інтерференції з бездротовими телефонами 900 МГц, серфіт сканерами, сигналами мобільного зв'язку.
Speaker A
Ну, тобто якщо ми беремо якусь технологію і хочемо її розгорнути на 90 МГц, маємо розуміти, що от в цьому діапазоні працюють такі системи.
Speaker A
А, ну, а 2.4 в основному Wi-Fi буде інтерференцувати, інтерферувати інтерферувати з нашим з нашим сигналом. Вартість середня низька за рахунок масовості.
Speaker A
Так, добре. Значить, тепер, що стосується, що стосується інтерференції, так, що це таке? Це нам не потрібно. Це треба закрити.
Speaker A
Ось так, да? Значить, інтерференція і радіочастотні завади. Так, слайд видно, да? Так, а то щось вийно щось мене тут підглючиє про PowerPoint.
Speaker A
Ну ладно. Значить, ми сказали, що однією з ключових проблем бездротових мереж є радіочастотна інтерференція.
Speaker A
Ну, причини тут ті, що більшість сучасних бездротових технологій працюють у неліцензованих, тобто спільних діапазонах частот. Ну, коли в нас у вас є ліцензований діапазон частот, це означає, що ось він закріплений за певною технологією, а не ліцензовани можуть користуватися всі.
Speaker A
Тому і виникає ось ее цілий зоопарк технологій, що працюють на одній і тій самій частоті. І багато пристроїв в рамках цієї технології працюють на однаковій частоті. В результаті ми маємо ситуацію, коли декілька передавачів випромінюють сигнал одночасно, сигнали накладаються один на
Speaker A
одний і зростає кількість помилок. Звісно, що там є певні механізми, наприклад, коли ми спостерігаємо там помилку, запит іде на повторну передачу, але все це призводить до того, що а-а кількість цих повторних передач збільшується і загалом продуктивність системи падає.
Speaker A
От класичні приклади е радіочастотної інтерференції показані тут е у двох варіантах. Значить, один варіант - це співііснування технології е-е Wi-Fi з технологію Zigb.
Speaker A
От. І другий варіант, це інтерференція Wi-Fi з Bluetooth Low Energy. Е-е, ну і от якраз Wi-Fi Bluetooth Low Energy. Обидва працюють на 2,4 ГГц, але вони практика показує, що залишаються працездатними. Е, хоча, скажімо так, в різних реалізаціях стабільність роботи
Speaker A
вай-фаю при включеному блютузі у вас на смартфоні, наприклад, вона може бути різна, да, в більш дешевих там е пристроях у вас може Wi-Fi працювати погано, коли ви вмикаєте Bluetooth. Ну, намагаються цю проблему ее вирішувати.
Speaker A
Як же її вирішують? Ну, використовуються спеціальні механізми боротьби з інтерференцією. Е-е, і однією з них є так зване частотне перестрибування. Ну, це працює якраз у Bluetooth Low Energy.
Speaker A
Цей протокол використовує спеціальний метод, е, який так і називається, значить, frequency hooping spread Spectrum FHSs, значить, частотне перестрибування. Його сутність в тому, що а весь діапазон е-е значить 2,4 ее ггец, це там від 2 до 2,480 діапазон, да? Значить по загальному
Speaker A
діапазону розподілений. Так он він розбивається на канали. Загалом тут 40 каналів у нас там від нуля до 39.
Speaker A
Значить, ширина кожного каналу по 20 МГц і пристрій постійно змінює канал передачі. Причому вибір каналу відбувається псевдовипадково.
Speaker A
Якщо один канал виявляється забитим, то передача переходить на інший. Це зменшує імовірність тривалих колінь.
Speaker A
Ее, значить, тут, до речі, серед усіх цих каналів є три канали зарезервовані, які називаються канали оповіщення.
Speaker A
Е-е, ну, ми зараз не про технологію Bluetooth Low Energy, е-е, докладно говоримо, а про сам принцип, тобто як боротися з інтерференцією каналів, е-е, з, ну, з такими параметрами, як ми зараз тут дивимось, да, як ми бачимо, е-е, коли в нас 40 каналів, 40 полос, да,
Speaker A
смуг, е-е, цих частот маленьких, е-е, от виникає імовірність приблизно 15% колізій в середньостатистичних сценаріях.
Speaker A
А на відміну від Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, наприклад, працює ее на фіксованих каналах, як ми знаємо. Ну, то там вже пристрій може ее мати певну високорівневу логіку для того, щоб змінювати канал. Но частіше це зроблено на роутері. Тобто роутер може дивитися,
Speaker A
що у вас там канал перевантажений. Якщо у вас там стоїть авто, налаштування на роутері, значить, він може змінити частоту. Але сама по собі технологія Wi-Fi, вона не використовує такого частотного перестрибування, да? Це, тобто, це на більш високорів, на більш
Speaker A
високих рівнях відбувається зміна каналу, а частіше це, якщо простий роутер взяти, то там він буде, ви можете і просто вручну поставити фіксований канал, і він буде постійно працювати на цьому каналі.
Speaker A
постійно займати відповідну частину спектру і далі вже Bluetooth Loveng буде підлаштовуватися під ці канали, щоб уникати ось цих ділянок частотного діапазону, які зайняті вай-фаєм.
Speaker A
Ее, до речі, в більш нових версіях, там Bluetooth 5, ее, нареш, які зараз підтримуються більшістю сучасних смартфонів, там є додаткові механізми.
Speaker A
Там є маски каналів, які дозволяють виключати зашумлені ділянки спектра з роботи. Е, використовується адаптивне перестрибування, коли система сама вчиться, які канали краще використовувати, які краще не використовувати. Тобто все спрямовано на те, щоб зменшити кількість ось цих колізій і підвищити стабільність зв'язку
Speaker A
ее якраз в умовах, коли ее ми працюємо одночасно з вай-фаєм. Тобто Bluetooth розвивається якраз в напрямку такого співіснування з Wi-Fi.
Speaker A
Крім Bluetooth Low Energy, да, і просто блюuзу, у діапазоні 2,4 ГГц працює також Zigb та інші iot протоколи. Тобто багато технологій створюють постійну конкуренцію за ось ці канали і смуги частот.
Speaker A
для неліцензованих діапазонів це типова ситуація, це природне явище. Ее і от якраз Bluetooth SL Energy з нею бореться з цією ситуацією завдяки своєму частотному перестрибуванню.
Speaker A
Е-е, значить, да, ну, ось тут ми бачимо, що, в принципі, більшість каналів - це піддані, вони зарезервовані. О, ее, а ось три канали зарезервовані для, е-е, спеціальних, ее, задач, там вони називається канали оповіщення, а англійською Advertising Channels. І, е,
Speaker A
завдяки ним відбувається пошук пристроїв в зоні і розсилки так званих бікон повідом. Крім того, коли йде взаємодія, ініціація пристроїв, також це іде в основному по ось цих службових каналах. Тобто це такі собі радіомаяки, через які пристрої повідомляють, що вони знаходяться в цій
Speaker A
зоні і що них можна знайти і до них можна підключитися. Так як у вас там Bluetooth колонка або Bluetooth навушники оповіщають, що вони можуть встановити з'єднання от по цих каналах, да? І до речі, вони якраз, як бачите, вони якраз вибрані таким чином.
Speaker A
щоб поменше колізіювати з вай-фаєм. Тобто ось ми тут бачимо канал, перший канал вай-фаю, да? І ось, значить, канал оповіщення, він знаходиться за межами цього першого каналу, да? А останній знаходиться за межами там 11-го каналу вай-фаю.
Speaker A
До речі, вони також мають обмежену пропускну здатність ці канали. Да. Ну ладно. Значить, давайте підемо далі.
Speaker A
Ось теорія інформації. Значить, також цікава тема. Навіщо взагалі вона нам потрібна? Ее будь-які конкретні технології передачі будьто значить ее мережа, значить, як це називай Network, велика мережа, або це там якийсь е-е зв'язок близько близької дальності там. Ну, в
Speaker A
будь-якому разі, е-е, активно використовується базова ідея така, що передача даних обмежується шириною каналу, обмежується рівнем шуму і фізикою сигналу.
Speaker A
Головний компроміс можна тут сформулювати так, що чим вищий в нас бітрейт, тим тим менша в нас дальність і вища вимога до якості сигналу, що що несе інформацію до цього бітрейту.
Speaker A
Значить, і однією з головних інженерних задач при розробці системи зв'язку, це одночасно збільшити швидкість, збільшити дальність і залишитися при цьому в межах дозволеного спектру і шуму. І тут ми стикаємося з фундаментальними певними обмеженнями, які треба знати.
Speaker A
Ну по-перше це так званий критерій Найквіспа. Значить, ідея цього критерію досить проста. Є обмеження, скільки бітів ми можемо передати через канал певної ширини, тобто через лінійний канал з обмеженою смугою пропускання без інтерференції.
Speaker A
І ось ми бачимо, що максимальна тут швидкість передачі становить подвоєну смугу пропускання в герцах.
Speaker A
Значить, ось ця частота. Е-е, тобто канал, як як це розуміти, да? що канал має обмежену ширину, обмежену товщину, можна сказати, в нього не можна запхати нескінченну кількість сигналів.
Speaker A
Ну, це, до речі, там Найкві сформулював це як символи, да? Значить, кожна порція інформації - це деякий символ. Значить, е, таким чином бітрейт ее приблизно в два рази більший за ширину каналу.
Speaker A
Ось про що нам говорить ось ця межа Найквіста або критерій Найквіста. Ее, значить, якщо спробувати передати більше, то буде виникати спотворення сигналу. Сигнал буде накладатися сам на себе. Буде, ее, значить, символи, порції інформації будуть накладатися одна на одну і відповідно частина даних буде
Speaker A
втрачатися. Тобто, якщо намагатися порушити це правило, далі закон Хартлі. Значить, Хартлі додав ще одну важливу ідею, що важлива не тільки швидкість імпульсів, а і скільки різних сигналів ми взагалі можемо розрізнити.
Speaker A
Е-е, ось у нас є, значить, такий вираз. Значить, R = Fπілогарим двійковий M. Значить, що в нас тут за параметри? Значить, R - це в нас бітрейт у бітах на секунду, значить, який визначає, значить, швидкість передачі інформації, да? Fπ - це в нас
Speaker A
частота імпульсів. IM - це в нас кількість різних рівнів сигналу, яку ми можемо передати.
Speaker A
Наприклад, кількість різних рівнів амплітуди. Тобто ми беремо амплітуду, ділимо на ее дельту, на що ми там, значить, на скільки рівнів ми хочемо, да? Ее як інтерпретувати, значить, максимальна кількість рівнів амплітуди ось визначається по такій формулі.
Speaker A
Значить, якщо ми передаємо два рівні, то це в нас двійкова система. Це в нас два рівні, оди біт. Якщо чотири рівні, значить два біти потрібні, да? Щоб передати чотири різні комбінації, вісім рівнів треба передати, значить нам знадобиться три біти і так далі. Тобто
Speaker A
два у відповідній степені. Чим більше рівнів, тим більше інформації можна передати в одному імпульсі. Значить, один імпульс. І то, в залежності від того, яка в нас амплітуда, ми з'ясовуємо, що це за сигнал, що це за значення. те саме. Е, звісно, що чим
Speaker A
більше в нас буде рівнів цього сигналу, рівнів цієї амплітуди, тим складніше нам на приймачі розрізнити ці е-е види сигналу і тим сильніше на них впливає шум. Тому е-е це прямим чином впливає на вибір, скільки нам взагалі тут рівнів
Speaker A
амплітуди взяти. Ну і якщо поєднати ці дві ідеї, то ми можемо отримати таку собі теорему Шено на Хартлі, яка враховує шум. Ее, значить так.
Speaker A
Так. Ні, ну як якщо просто, значить, якщо просто поєднати критерій найвістей закон Хартлі, то ми ось отримаємо такий вираз, що R не перевищує 2Б, тобто ширини смуги пропускання і помножити на логарифм двійковий m.
Speaker A
Тобто максимальна швидкість передачі даних залежить від ширини каналу, кількості рівнів сигналу. І все це прямим чином впливає на технології, зокрема технології інтернету речей. Якщо ми хочемо збільшити дальність, то нам треба зменшити бітрейт або використати більш прості сигнали, тобто зменшити.
Speaker A
Прикладом такої технології є якраз, наприклад, la Wave. Вона на малих пітрейтах ее але використовує прості сигнали. Низька пропускна спроможність, а дальність висока. Якщо ми хочемо велику швидкість, значить нам треба збільшити , використовувати більше різних комбінацій, е, більш складні
Speaker A
модуляції відповідно застосувати. І нам потрібен кращий сигнал, тобто там, де менше шуму для того, щоб забезпечити бітрейт високий. Ну, наприклад, Wi-Fi працює за таким принципом. Ее будь-яка технологія - це компроміс. Не можна мати одночасно і високу швидкість, і велику
Speaker A
дальність, і високу стійкість до шуму. Найквіст нам обмежує швидкість через ширину каналу, а Хартлі додає вплив кількості рівнів сигналу, які разом задають верхню межу бітрейту. Ну, а шум додатково зменшує наші реальні можливості щодо передачі даних.
Speaker A
Да, значить, після Найквіста і Хартлі з'являється такий важливий результат, як теорема Шенна Хартлі, яка враховує шум.
Speaker A
Ось в нас вираз ее важливий вираз. Значить, С це в нас максимальна швидкість передачі.
Speaker A
Тут воно через R, тут воно через С. Ну, так, так іноді прийнято писати. Значить, с максимальна швидкість передачі біти за секунду. Значить, B - це в нас ширина каналу. S - це в нас потужність сигналу у ватах. Іноді як W помічають. Значить,
Speaker A
ну, а N - це в нас рівень шуму або потужність шуму. Значить, що нового додав тут Ше?
Speaker A
Значить, він саме додав врахування шуму. Тобто він показав, що швидкість передачі обмежена не лише каналом, а і шумом, який виникає на шляху сигналу.
Speaker A
Ключовий ефект в тому, що якщо шум зростає, то відповідно е-е це відношення в нас зменшується, падає і швидкість також відповідно падає. Якщо сигнал кращий, сигнал кращий, значить, в чисельнику величина більша, значить, відповідно швидкість буде зростати.
Speaker A
Але залежність ця, вона є логарифмічною, а не лінійною. І внаслідок цього, щоб подвоїти швидкість, треба або значно збільшити ширину каналу B, або сильно покращити співвідношення S до N. Іноді це називається SNR, тобто сигнал noйс ратіо, да? Тобто відношення сигнал шу.
Speaker A
Просте збільшення потужності ее сильно не допомагає. Тут, як правило, треба одночасно на декілька параметрів впливати.
Speaker A
Ее також показав, що не обов'язково передавати ідеально чисті сигнали, а можна додати спеціальні коди виправлення помилок і передавати закодований таким способом сигнал.
Speaker A
Навіть при шумі, тобто в шумному середовищі сигнал може бути навіть слабшим за шум, але все одно залишається можливість відновлення даних.
Speaker A
Ну ладно, значить, ми про це поговоримо ее на наступній лекції. Так, давайте на цьому нашу лекцію завершимо.
Speaker A
Питання є по цій порції інформації? Начебто ні. Ну добре, має. Добре, тоді зараз невелика перерва і зустрічаємося. M.
Topics:Інтернет речейтеорія комунікаціїбездротовий зв’язокIoT технологіїLPWANWi-FiBluetoothрадіочастотна передачашвидкість передачі данихенергоефективність
