Diskussioner om trådløse mesh-netværksteknologier fokuserer oftest på de højere niveauer af protokol-stacken. Routing-egenskaber, sikkerhed, pålidelighed og applikationslaget får mindre opmærksomhed – og det fysiske (PHY) lag bliver oftest helt overset. Hvem kan frit fra hukommelsen huske, hvilket PHY man bruger til BLE, Zigbee, Z-wave eller Thread? PHY-laget står ikke desto mindre for en stor del af kommunikations-linkets ydelse
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 10 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Thomas Steen Halkier, CEO NeoCortec og Tim Cooper, ledende applikationsingeniør, Semtech
Et PHY-lag styrer transmission og modtagelse af data gennem luften. Modulationsformen bestemmer, hvordan de rå bits af information transmitteres som elektromagnetiske signaler, der efter modtagelse konverteres tilbage til baseband-signaler. Rækkevidden af radiokommunikations-linket er proportionalt med transmitter-effekten, receiver-følsomheden og kommunikationsfrekvensen. Receiver-følsomheden afgøres af receiverens båndbredde, støjtallet/-gulvet for receiveren (NF) samt demodulatorens minimum for signal-/støjforholdet (SNR), der igen afhænger af modulationsformen.
Frekvensbåndet kan ikke frit vælges, da brugen er reguleret af myndighederne i den region, hvori systemet fungerer. Sub-GHz frekvensbånd giver generelt en længere rækkevidde end 2,4GHz-båndene. Transmitter-effekten er også reguleret af regionale bestemmelser, hvad der gør receiverens følsomhed og modulationsformen til de to primære faktorer, vi kan arbejde med. Typisk er trade-off dataraten versus følsomheden, hvor den længere rækkevidde sker på bekostning af den overførte mængde af data. (En øget følsomhed kan desuden oversættes til øget modstandsdygtighed over for støj).
Modulation og demodulation
Digitale modulationformer i low-power komponenter går typisk i retning af lav kompleksitet og et lavt forbrug. Historisk har modulationsformer som OOK, FSK og FSK-varianter som MSK og GMSK været brugt i mesh-netværks radiokommunikation.
OOK (On-Off-Keying) koder informations-bits på en RF-carrier på en ret rudimentær måde: Den binære værdi af ”1” repræsenterer, at carrier-bølgen er ”on”, mens den binære værdi af ”0” repræsenterer, at carrier-bølgen er ”off”. Denne modulation er nem at generere og let at detektere, men er omvendt følsom over for støj, ligesom receiveren typisk kræver en SNR på rundt regnet +16dB for en bit-error-rate (BER) på en procent.
FSK (Frequency Shift Keying) mapper den digitale information til en frekvensmodulation af carrier-signalet ved at skifte mellem to udtalte frekvenser, f1 og f2, der repræsenterer en bit ”1” og en bit ”0”. FSK er enkel at modtage og har en bedre immunitet over for interferens, men kræver en demodulator med et SNR i omegnen af +9dB for en BER på en procent.
LoRa-modulation
For lige at forklare forskellen mellem LoRa og LoRaWAN: LoRa er PHY-lags modulationen, og LoRaWAN er en lag 2 LPWAN-netværksarkitektur baseret på LoRa-modulationsformen.
LoRa-modulation bruger CSS (Chirp Spread Spectrum) kombineret med en Forward Error Correction for at sprede den kodede information som en frekvens ”chirp” (en rampeformet ændring i frekvenser over tid). CSS er mindre følsom over for støj, smalbånds interferens og højeffekt bursts af interferens.
Hvor OOK- og FSK-modulation koder enkeltbit-symboler (”1” eller ”0”), så er det ikke tilfældet med LoRa-modulation. I stedet bruger LoRa symboler, der repræsenterer multiple bits kodet i et enkelt chirp. For eksempel med en SF (Spreading Factor) på 7 repræsenterer ét symbol 2^7 = 128 mulige værdier (7 bits pr. symbol). Hvert symbol er repræsenteret af forskellige placeringer af start- og slutfrekvenser i selve chirpet.
Signal-/støjforhold
For at dekode et moduleret signal skal en RF-receiver være i stand til at skelne det ønskede signal fra støjen. Som vi så i det foregående afsnit, kan OOK og FSK kræve betydeligt højere signaleffekter end støjgulvet i receiveren på henholdsvis 10-15dB og 6-10dB, så et positivt SNR er nødvendigt. Med LoRa-modulationen tillader receiverens evne til at korrelatere det modtagne spread spectrum chirp under støjgulvet modtagelsen af negative SNR-signaler, altså under støjgulvet for transceiveren. Desuden svarer den samme transmissionstid (datarate) i den negative SNR-modtagelse til en 8-9dB følsomhedsfordel i forhold til FSK. Det omfang, hvormed LoRa kan modtage signaler under støjgulvet, er givet i tabellen over spreading-faktoren andetsteds i denne artikel.
Denne egenskab betyder, at LoRa-baserede systemer giver et mere pålideligt radio-link i situationer, hvor der er støj og med en længere rækkevidde sammenlignet med andre modulationsformer. Denne funktion er fundamentet for LoRaWAN LPWAN-teknologien, hvor netværk er opbygget i stjernekonfigurationer rundt om en gateway. Den høje følsomhed giver en mobillignende rækkevidde med en lav transmitter-effekt, hvilket gør netværkskommunikation over mange kilometer til en mulighed.
NeoMesh 2. generations mesh-netværk
NeoMesh, som kom på markedet i 2014, er en 2. generations mesh-netværksprotokol, der adskiller sig fra andre mesh-netværkstyper som ZigBee, BLE Mesh, Thread, Z-Wave og lignende gennem en høj skalérbarhed og fuldstændigt decentral struktur med et ægte lavt forbrug for alle komponenter i netværket.
Traditionelle mesh-netværk bruger komponenter med forskellige roller i netværket. Visse er low-power typer med reduceret funktion, men de kan kun fungere maksimalt i selskab med andre fuldt funktionelle (ikke low-power) komponenter. Kun elnet-forsynede komponenter kan fungere som routere, der kræves til at udbygge rækkevidden af netværket. Endelig bruger traditionelle mesh-netværk en central master, som organiserer hele netværket.
NeoMesh består kun af fuldt funktionelle komponenter, så alle noder kan fungere som routere, hvilket løbende kan udbygge rækkevidden, da komponenter/noder fungerer som kommunikationsrelæer til yderligere noder. Alle NeoMesh-produkter kører synkroniseret, så de kan gå i sleep-mode, når der ikke er aktivitet. Derfor kan alle komponenter i netværket fungere i årevis på helt almindelige batterier.
Routing i NeoMesh sker med en patenteret Speed-Routing-protokol, der er optimeret til store mesh-netværk med mulighed for routing, hvor topologien ikke er statisk, så noderne kan reelt være i bevægelse. Speed-Routing har ingen begrænsning i antallet af hop, så derfor er løsningen ideel til store netværk.
NeoMesh-protokoller er ikke specifikt bundet til et givent PHY-lag. Ved introduktionen brugte NeoMesh 2,4GHz-båndet med FSK-modulation ved 500kbps. I 2015 blev sub-GHz-båndene, 868MHz (EU) og 915MHz (US), tilføjet – stadigt med FSK-modulation, men ved 250kbps.
2,4GHz-versionen gør brugere af NeoMesh i stand til at bygge produkter, som kan bruges overalt i verden, men ydelsen er ikke imponerende i forhold til rækkevidde og støjufølsomhed. Sub-GHz-varianterne giver længere rækkevidde ikke mindst indendørs eller under jorden.
Mens de 2,4GHz og Sub-GHz FSK-baserede varianter af NeoMesh har gjort brugere af NeoMesh i stand til at bygge mange innovative løsninger til smarte bygninger, smart landbrug, industrien, transportsektoren og andre områder, så er der fortsat applikationer, som kræver længere afstande mellem mesh-netværkets noder eller en bedre ydelse i støjfyldte omgivelser.
NeoMesh og LoRa – det bedste fra begge verdener
Kombinationen af NeoMesh og LoRa giver længere rækkevidde og bedre immunitet over for støj. Men det er nu ikke bare plug-and-play at samle disse to innovative teknologier i én og samme løsning.
Mens LoRa giver den bedre ydelse i linket, så er der dog begrænsninger i RF-lagets bitrate. Som nævnt opererer NeoMesh normalt ved en minimum datarate på 250kbps. Denne relativt høje bitrate handler ikke om at transmittere en masse data, men om at transmittere små datapakker på meget kort tid for at opnå den ultra low-power ydelse, der kendetegner NeoMesh. De korte time-on-air hjælper i den forbindelse NeoMesh til at overholde de strenge krav, som EU stiller til duty-cycles i 868MHz-båndet.
Afhængigt af frekvensbånd og den aktuelle transceiverversion er LoRa-bitraten begrænset til maksimalt 203kbps (2,4GHz, SF=5, BW=1625kHz). Selv om denne konfiguration af LoRa-transceiveren ikke giver den længste rækkevidde – og heller ikke den bedste SNR-ydelse – så er det fortsat bedre end for eksempel FSK for den samme transmitterede effekt.
Med konfigurationer til længere afstande som SF=12, BW=125kHz og drift i 868MHz-båndet så er bitraten reduceret til 292bps (ikke kilobits, men bits!). En så lav bitrate øger i sagens natur time-on-air for en given datapakkes størrelse, og det gennemsnitlige forbrug stiger også, hvad der gør det vanskeligt at overholde EU’s begrænsninger for duty cycle.
Ikke alle applikationer kræver et lavt forbrug, som elmålere eller styringer af gadelys. Visse applikationer kræver heller ikke en lang rækkevidde, men ville med fordel kunne være mere robuste over for støj, såsom smarte bygninger eller monitering af skibscontainere. Begge ville være ideelle kandidater til 2,4GHz-båndets globale implementering. Men disse applikationer kunne have fordel af ufølsomhed over for støj, da 2,4GHz-båndet ofte er meget trafikeret af andre applikationer som Wi-Fi og Bluetooth.
Kombinationen af NeoMesh og LoRa-modulation udvider ikke kun rækkevidden og link-ydelse af det normale NeoMesh, men giver også en bedre indendørs, dyb-indendørs og underjordisk dækning sammenlignet med LPWAN på grund af multihop-netværkstopologien. Desuden giver NeoMesh bedre mulighed for tovejs kommunikation og end-to-end kvitteringer. NeoMesh understøtter også distribution af firmware-opdateringer i alle komponenter i netværket på grund af systemets filoverførselsfunktionalitet.
FAKTABOKS:
NeoMesh på LoRa er nu tilgængelig
I november 2023 demonstrerede NeoCortec sit første NeoMesh-produkt med LoRa-modulation under Wireless Congress i München. Under Electronica i München i 2024 kunne NeoCortec og Embit (italiensk producent af trådløse moduler) lancere det første NeoMesh på et LoRa system-on-a-module. Med udgangspunkt i Semtechs SX1281 LoRa Connect-transceiver er modulet rettet mod 2,4GHz-frekvensbåndet. Fire måneder senere under Embedded World i Nürnberg lancerede NeoCortec og Embit et modul baseret på Semtechs LR1121-transceiver. Dette modul giver NeoMesh mesh-netværksegenskaber i et utal af konfigurationer. Først er der multibåndsmodulet med support af 2,4GHz, 868MHz og 915MHz sub-GHz ISM-frekvensbåndene. Desuden kan modulet konfigureres til en række LoRa-modulationsindstillinger, så brugeren har mulighed for at optimere rækkevidde og ydelse. Endelig kan modulet også konfigureres til brug af (G)FSK-modulation, hvis rækkevidden og støjimmuniteten fra LoRa ikke er nødvendig.
Ud over modulerne tilbyder NeoCortec også NeoMesh protocol-stacken på licens. Det er en attraktiv mulighed til applikationer med helt særegne krav eller store volumener.
FAKTABOKS SLUT
Billedtekst:
1: Receiver-følsomhed (i dB) afhænger af receiverens støjgulv (NF) og demodulatorens signal-/støjforhold (SNR).
2: Visualiseringer af OOK- (venstre), FSK- (center) og LoRa- (højre) modulation.
3: Applikationer med lang rækkevidde og/eller høj støjimmunitet kunne være smart landbrugselektronik, overvågning af skove mod brand og/eller tørke samt indendørs i smarte bygninger.
4: Kombinationsløsningen sikrer god støjimmunitet i både 2,4GHz samt sub-GHz-båndene.
5: Tabel over spreading-faktor.
