Wireless 101
M11 · L04
الوحدة 11 · الدرس 4

عشرون بايتاً في الساعة، عشر سنين

صندوق حسّاس صغير بهوائي قصير على عمود بين صفوف المحاصيل عند الغسق، وخلفه حظيرة.
حسّاس يرسل بضعة بايتات في الساعة، وعلى بطاريته أن تدوم سنوات. هذه الأجهزة تطارد الجولات لكل بت، لا البتات لكل هرتز.

طاردت الوحدتان 5 و6 البتّات لكل هرتز. وهذه الأجهزة تطارد الطاقة لكل بت والسنتات لكل عقدة. حسّاس بابٍ على خليّة عملةٍ مسألةٌ أصعب من غيغابت على عشرة أمتار — فالغيغابت يحلّه المال.

01 / 11
Wireless 101
M11 · L04
قلب التصميم، مُقدَّراً

الراديو هو 1.3% منها

خليّة CR2032 مقسومةً على عقد
I_{avg} \le \frac{220\ \text{mAh}}{87\,660\ \text{h}} = 2.51\ \mathrm{\mu A}
  • تقريرٌ بلوتوثيٌّ ساعيٌّ ≈ 8 ميلي أمبير × 15 ميلي ثانية = 33.3 nAh
  • × 87 660 حدثاً = 2.92 mAh من خليّة 220 mAh
  • فيبقى للنوم 217 mAh → المسموح 2.48 µA نائماً

لا شيء هنا يشكو نقص الهرتزات. كل شيءٍ يشكو نقص الجولات والسنتات.

02 / 11
Wireless 101
M11 · L04
البلوتوث — جهازان وشعارٌ واحد

التقليدي يقفز، وBLE يرتشف

  • التقليدي: 79 × 1 ميغاهرتز، قفزٌ ترددي بـ1600/ث → مكوث 625 µs
  • إرسالٌ مزدوجٌ زمنيٌّ خالصٌ على متتاليةٍ واحدة (الدرس M10-L4) — مفتاحٌ لا مُزدوِج
  • BLE: 40 × 2 ميغاهرتز، 2402 + 2k ميغاهرتز؛ 37 قناة بيانات
  • GFSK بمليون رمزٍ في الثانية — ثبات الغلاف في الدرس M5-L2، مقبوضاً
  • 0.5 bit/s/Hz تبذيرٌ وغير ذي صلة؛ أمّا مكبّر صنف C الرخيص فلا

نطاق 2.4 غيغاهرتز مُتقاسمٌ مع الواي فاي (الدرس M11-L1)، فكلاهما مصمّمٌ ضدّ التداخل، لا الضجيج وحده (الدرس M9-L3).

03 / 11
Wireless 101
M11 · L04
التسويق، وتعرّف على الدرس M8-L4

«4× المدى» يحتاج 12 ديسيبل

الطبقة المشفَّرة S = 8، أمام الدعوى
10\log_{10}8 = 9.03\ \text{dB} \;<\; 20\log_{10}4 = 12.04\ \text{dB}
  • ثمانية رموزٍ لكل بت → 8× الطاقة لكل بت = 9.03 ديسيبل
  • 4× المدى يكلّف 10n لو₁₀4 — وهي 12.04 ديسيبل عند n = 2 فقط
  • السيليكون الحقيقيّ يقيس نحو 10 ديسيبل → 1010/20 = 3.16× في الفضاء الحرّ
  • داخل المباني عند n = 3: 1010/30 = 2.15×. وعند n = 4: 1.78×

دعوى مدىً بلا أُسّ خسارةٍ إنّما تذكر أفضل حالتها. والثمن: 125 كيلوبت/ث، أي 8× زمن الهواء.

04 / 11
Wireless 101
M11 · L04
زيغبي — 802.15.4

الشبكة المتشابكة تشتري 14 ديسيبل بالمجّان

  • 250 كيلوبت/ث بـO-QPSK؛ 32 رقاقةً لكل 4 بتّاتٍ = 2 مليون رقاقة/ث
  • كسب المعالجة 2×10⁶/250×10³ = 8 = 9.03 ديسيبل (الدرس M10-L1)
  • من 0 إلى −100 ديسيبل ميلي واط، ناقص 16.1 ديسيبل هامش → 29 م لكل قفزة
  • ثلاث قفزاتٍ تبلغ 87 م؛ وقفزةٌ واحدةٌ تحتاج 14.4 ديسيبل زائدة
  • يُتقاضى كُموناً و10 لو₁₀3 = 4.8 ديسيبل من الإنتاجيّة وتعقيداً

الموجّهات لا تستطيع النوم. وشبكةٌ متشابكةٌ من بطاريّاتٍ فقط ليست قابلةً للبناء.

05 / 11
Wireless 101
M11 · L04
جرّبها — سمِّ قيدك

أيّها ينجو؟

المعدّل 1.0 kbit/s
المدى 100 m
البطاريّة 5 yr
معامل النشر SF12
مناسب: LoRa، NB-IoT مستبعد — WiFi:البطاريّة SF12: 30.5 رمز/ث، 293 بت/ث، 151 dB
06 / 11
Wireless 101
M11 · L04
LoRa — أفضل وصلةٍ في الدرس

حيلة CDMA، بـchirp

معامل النشر، وكسب المعالجة نفسه من الدرس M10-L1
R_s = \frac{B}{2^{SF}},\quad R_b = SF\cdot R_s\cdot CR,\quad G_p = \frac{B}{R_b}
  • SF12: 125 000/4096 = 30.52 رمزاً/ث → 12 × 30.52 × 4/5 = 293 بت/ث
  • SF7: 125 000/128 = 976.6 رمزاً/ث → 5469 بت/ث، بمدىً قدره 18.7×
  • Gₚ = 125 000/366.2 = 341 = 25.3 ديسيبل، مقابل 21.07 في IS-95
  • حساسيّة −137 مقابل أساسٍ −117 ديسيبل ميلي واط = 20 ديسيبل تحت الضجيج

ولكل بتٍّ هو رقمٌ عاديّ: Eₖ/N₀ = −20 + 25.3 = +5.3 ديسيبل (الدرس M9-L1). والنبضة المتدرّجة تقدّم الباقي.

07 / 11
Wireless 101
M11 · L04
151 ديسيبل، وما يحدّها فعلاً

دقيقتان من الصمت

الموازنة
151 dB
على الهواء
1155 ms
ثمّ إطفاء
114 s
  • 14 ديسيبل ميلي واط − (−137) = 151 ديسيبل، مقابل 110 للواي فاي
  • الـ41 ديسيبل = +22.0 أضيق + 25 إشارةً مُرخَاة − 6 قدرة ✓
  • مدفوعةً بـ10 لو₁₀(6×10⁶/293) = 43.1 ديسيبل من المعدّل
  • دورة عمل 1% → 31 رسالة/ساعة عند SF12، و873 عند SF7 (28×)
  • الصنف A مُنحازٌ صعوداً: نافذتان قصيرتان، ثمّ لا وصول
08 / 11
Wireless 101
M11 · L04
إنترنت الأشياء الخلوي — طيفٌ مرخّص

كتلة موارد واحدة، ولا شيء أكثر

حامل NB-IoT، والـ21 ديسيبل الزائدة
12 \times 15\ \text{kHz} = 180\ \text{kHz},\quad 10\log_{10}128 = 21.07\ \text{dB}
  • 180 كيلوهرتز هي كتلة موارد LTE واحدةٌ بالضبط (الدرس M10-L2) — تدخل حاملاً حيّاً
  • نحو 164 ديسيبل خسارة اقتران: 23 − 164 = −141 ديسيبل ميلي واط مطلوبة، و128 تكراراً تعطي 21.07 ديسيبل
  • LTE-M: 6 كتل = 1.08 ميغاهرتز، نحو 1 ميغابت/ث، نحو 156 ديسيبل، تسليم + VoLTE
  • PSM وeDRX — لا التضمين — هما ما يشتري العقد

164 مقابل 151 ديسيبل لـLoRa، لكن 9 ديسيبل منها قدرة إرسالٍ فقط. وعلى الحساسيّة الفجوة 4 ديسيبل.

09 / 11
Wireless 101
اختبار سريع

تحقّق ممّاترسّخ

أربعة أسئلة عن راديوات إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة — ميزانيّة الطاقة، ومدى BLE، وشبكة زيغبي، وLoRa.

السؤال 1 من 0
النتيجة 0/0

10 / 11
Wireless 101
M11 · L04
خلاصة

ما تعلّمته

  • عقدٌ على 220 mAh يعني 2.51 µA؛ والراديو 1.3% منها
  • BLE Coded S=8 يعطي 9.03 ديسيبل، لا الـ12.04 التي تستلزمها «4×»
  • شبكة زيغبي المتشابكة: 29 م لكل قفزة، وموجّهاتٌ لا تنام
  • LoRa عند SF12: 293 بت/ث، 151 ديسيبل، 31 رسالةً في الساعة
  • NB-IoT = كتلة موارد واحدة بـ180 كيلوهرتز؛ وLTE-M تضيف الحركيّة والصوت
التالي: الوحدة 12، المشروع الختامي
تجميع كل ما سبق ←
كل الدروس اقرأ المقالة
11 / 11