частота 868 мгц что это
Праздник к нам приходит: ГКРЧ расширила ISM-диапазон 868 МГц в два раза
Короткая, но важная для причастных к IoT новость: ГКРЧ официально расширила безлицензионный диапазон 868 МГц, в котором традиционно живут такие сети, как LoRaWAN, Стриж/Вавиот, Sigfox и другие.
Официально это называется «неспециализированные устройства малого радиуса общего применения», а закреплены изменения в Приложении 12 к Решению ГКРЧ № 18-46-03-1 от 11 сентября 2018 года.
Что это означает конкретно для сетей LoRaWAN?
Во-первых, возможность ухода из диапазона 864-865 МГц в новый диапазон 866-868 МГц. Старый диапазон неудобен по двум причинам — и из-за рабочего цикла всего в 0,1 %, и из-за завала АЧХ существующих базовых станций на 2-3 дБ в его нижней половине.
Типовая базовая станция LoRaWAN может обслуживать 8 частотных каналов с шагом 200 кГц — то есть, при старой регуляции получалось 2 канала в верхнем диапазоне и 5 каналов в нижнем, итого 7. Новая регуляция позволяет развернуть все 8 каналов в верхнем и среднем диапазонах, а при необходимости (с использованием БС с двумя радиоблоками) — целых 16 каналов. Это не требует изменения текущего стандарта LoRaWAN, так как базовая станция может передать устройству список доступных для него каналов при его регистрации в сети.
Во-вторых, на базовых станциях можно поднять мощность выхлопа в эфир до 100 мВт, чтобы с большей уверенностью достучаться до конечных устройств в нисходящем канале. Это позволяет организовать нисходящий канал RX2 с более высокой скоростью, нежели восходящий, и уменьшить загрузку эфира при большом количестве устройств, которые нисходящий канал используют.
В-третьих, во всех диапазонах появилось ограничение на рабочий цикл. Поставить железку, которая будет отравлять всем жизнь, непрерывно что-то излучая в эфир, теперь нельзя. С другой стороны, это накладывает ограничения на работу базовой станции — теперь она не может занимать один канал более 10 % времени.
Впрочем, ограничения на базовую станцию можно обойти настройками сети — в нисходящем канале базовая станция может отвечать устройству либо на той же частоте, на которой последнее само вышло в эфир, либо на фиксированной частоте RX2. Активно используя комбинацию из них, можно «размазать» эфирное время базовой станции по разным частотным каналам — с учётом, что RX2 за счёт увеличенной вчетверо мощности теперь можно сделать быстрее, это в общем случае решает проблему.
В-четвёртых, в новом диапазоне есть ограничение на спектральную плотность мощности — 1000 мВт/МГц. Это означает, что в нём не смогут работать UNB-системы с их полосами в 100-200 Гц — при выходной мощности 25 мВт и полосе 100 Гц спектральная плотность сильно превысит разрешённую. Говоря проще, этот диапазон полностью отдаётся на откуп широкополосным системам — LoRa и меш-сети на 802.15.4.
В-пятых, возникает соблазть увеличить количество стандартных каналов регистрации устройств — это каналы, на которых БС обязана слушать эфир, т.к. при включении или перезагрузке устройство может выйти на любом из них. В данный момент таких каналов два, оба в верхнем диапазоне, и один из них при этом совпадает с каналом RX2.
Новая регуляция позволяет перекроить каналы по европейскому образцу — выделить три полноценных канала регистрации устройств, ни один из которых не пересекается с RX2. К сожалению, это потребует принятия нового регионального стандарта (LoRaWAN Regional Parameters) для России, что, в свою очередь, потребует перепрошивки устройств и перенастройки базовых станций. Впрочем, остаётся варивант добавления одного нового канала регистрации — тогда устройства, уже сделанные под RU864-870, продолжат работать штатно. С третьей стороны, и устройств таких пока немного (хотя пока там новые RP примут. ). С чётвёртой, текущие каналы позволяют применять устройства в аэропортах, не меняя их прошивки — базовая станция просто не должна давать им дополнительные каналы при регистрации в сети, и всё.
В общем, вопрос дискуссионный, поэтому резюмирую кратко: в LoRaWAN Regional Parameters для диапазона RU864-870 изменений не будет.
Прошивки устройств менять не требуется, в настройки сети можно по желанию внести новые диапазоны прямо уже сегодня. Устройствам они будут розданы автоматически (но так как уже зарегистрировавшееся устройство уже работает на старой сетке частот, на практике новая будет вводиться или в дополнение к старой для увеличения общего числа каналов, либо во вновь разворачиваемых сетях).
В-четвёртых, гармонизации с Европой у нас по-прежнему нет, использование европейских устройств и европейских настроек всё так же незаконно и может повлечь конфискацию оборудования. Европейские каналы — 868,1, 868,3, 868,5 МГц и 869,525 МГц — по-прежнему ни в один разрешённый в России диапазон не попадают.
Анализ частот 433MHz и 868MHz, применяемых в беспроводных системах сигнализаций
Беспроводная система сигнализации обладает такими качествами, как портативность, лёгкость в установлении и отсутствие проводов.
Все сигналы для связи с устройствами передаются по жестко заданным частотам. Как правило, в каждой стране есть свой бесплатный спектр радиочастот, а есть правительственный, распределение которого регулируется «Таблицей распределения полос частот между радиослужбами РФ», Постановление. Правительство РФ. 15.07.06 439-23. Можете скачать документ.
В документе перечислен весь перечень существующих радиочастот и указаны в каких диапазонах разрешено использовать коммерческим организациям. Согласно приложению №2 частота 433MHz лежит в диапазоне: 433,050 — 434,790 МГц и относится к неспециализированным устройствам радиочастотной идентификации, устройствам охранной радиосигнализации автомашин, а частота 868MHz (868 — 870 МГц) к неспециализированным устройствам охранной сигнализации.
На базе этих частот создают беспроводные охранные сигнализации.
Диапазон ISM
К бесплатным беспроводным каналам связи относится международный диапазон ISM (аббревиатура от Industrial, Scientific and Medical). Для его применения не требуется лицензирование. Bluetooth, Wi-Fi, IEEE 802.15.4, Zigbee работают в этом диапазоне.
Таблица распределения радиочастот
Благодаря высокой скорости работы радиоканала, высокой устойчивости к ошибкам связи и малому энергопотреблению этот диапазон применяется в большинстве современных устройств. Частоты 433MHz и 868MHz — это две главные группы, которые обычно используются в системе беспроводной сигнализации.
Особенности
Полоса частот 433MHz часто используется для управления многих устройств, перечислим распространенные:
868MHz предназначается для связи между беспроводными сетями датчиков. Большинство беспроводных систем используют частоту 433MHz, однако, она может работать нестабильно в условиях большого города. Главное требования предъявляемое к устройствам, работающих на этих частотах состоит в том, что они не должны создавать помех другим радиоэлектронным средствам.
Зависимость ослабления сигнала от расстояния
Дальность действия устройств, работающих на частоте 433MHz и 868MHz невелика, и сокращается в зависимости от наличия посторонних объектов на пути передачи сигнала. Частота 433MHz хорошо себя зарекомендовала для подвижных объектов. 868MHz имеет преимущество в скорости передачи, обмена данных и дальности передачи сигнала.
Зависимость ослабления сигнала от встречаемых препятствий
Усиливают сигнал при помощи антенн. Однако, у радиоволн отсутствует способность огибать препятствия. В законодательстве нет запретов на количество используемых ретрансляторов, репитеров и антенн, создав сеть из радиопередатчиков можно осуществлять передачу любого вида сигнала.
Считается наиболее надежная охранная сигнализация, построенная по радиочастотным протоколам. Например, Сбербанк издавал внутренний документ о запрете использования GSM-сигнализаций, поэтому все их объекты оснащены радиочастотными сигнализациями. Это можно объяснить двумя важными показателями: скорость срабатывания и передачи сигнала (мгновенное срабатывание), защищенность канала.
У меня остался один из таких радиопередатчиков, который до сих пор применяется вневедомственной охранной и некоторыми ЧОП-ами.
Внешний вид RF радиомодуля ATSU100 (производитель Израиль)
Сверху модуля производится подключение внешней антенны, справа разъем RS-232 для диагностики неисправностей, снизу для подключения датчиков
Клеммная коробка для подключения датчиков и питания к модулю ATSU100
Подведем итог преимуществ частоты 433MHz и 868MHz:
Улучшение сигнала
С точки зрения расстояния сигналы с большей длиной волны проходят большее расстояние и проникают через объекты лучше, чем сигналы с короткими длинами волн. Технически 433MHz может пройти большее расстояние, чем 868MHz.
Мощность передачи и чувствительность приемника — это два фактора, которые определяют диапазон. дБ — это децибелы, логарифмические единицы, которые используются для измерения радиочастотной мощности. Передача мощности относится к количеству ВЧ мощности, которая выходит из РЧ передатчика. Чувствительность приемника относится к минимальному уровню сигнала радио, она же может демодулировать. Большая мощность передачи может привести к большей дальности передачи.
Обработка нижеприведенных частот может улучшить качество передаваемого сигнала:
Второй способ усиления сигнала — применение внешних антенн.
Внешние антенны для улучшения сигнала
Размер антенны, направление и место ее установки влияет на качество улавливаемого сигнала, так как она прямо пропорциональна длине волны, поэтому их устанавливают как можно выше и в открытых местах.
Что лучше для электронных пультов: 433, 868 или 2400 МГц?
Что лучше для электронных пультов: 433, 868 или 2400 МГц?
В последние годы в электронной технике беспроводного управления (выключатели и др.) всё более ощутима тенденция перехода на более высокие несущие частоты. А именно, с традиционных 433 МГц на 868 и 2400 МГц. Что даёт такой переход на более энергоёмкий диапазон и чем вызвано это решение конструкторов, требующее переработку большого количества готовой документации?
По опыту развития компьютеров и аппаратов мобильной связи увеличение рабочей частоты было вызвано необходимостью повышения их производительности и сопровождалось миниатюризацией и повышением плотности упаковки. Это наглядно видно каждому потребителю, пережившему несколько этапов эволюции компьютеров и сотовых телефонов. Аналогичный этап развития переживают и другие средства дистанционного управления, системы наблюдения и пожарной охраны.
Про основной недостаток полосы 433 МГц
Общепринятыми в мире стандартами по регулированию частотных диапазонов для потребительского использования без специальных разрешений и лицензий выделены определённые полосы. Так, наиболее популярным и традиционным является полоса 433-447 МГц. Диапазон обладает хорошей энергоёмкостью, обеспечивающей уверенную связь в пределах мегаполиса при небольших размерах антенны и минимальной мощности передатчика (не более 10 мВт).
С быстрым увеличением количества оборудования, работающих в этом диапазоне волн, стала ухудшаться ситуация с их электромагнитной совместимостью. Создаваемые взаимные помехи бесчисленным множеством различных электронных устройств, работающих на одной несущей частоте и находящихся вблизи, приводят к ложным срабатываниям и нестабильной работе этого оборудования. Засорённость эфира в узкой частотной полосе ухудшают стабильность и надёжность работы многих беспроводных систем.
Так, на этой частоте могут одновременно функционировать автоматические шлагбаумы и ворота, дистанционные фонари и розетки, связные радиостанции и радиоуправляемые детские игрушки. Здесь же могут работать исполнительные устройства «умного дома». Если они располагаются достаточно далеко друг от друга, то их взаимное влияние будет ослаблено. Но в условиях крупного современного города с большой плотностью населения проблемы электромагнитной совместимости являются особенно актуальными.
Про частотный диапазон 868 МГц
Устройств, работающих по беспроводной технологии, с годами становится только больше. Несмотря на использование различных методов модуляции и кодирования, применение цифрового преобразования и других способов разделения сигналов, добиться существенного улучшения ситуации с уменьшением взаимных помех не удаётся. Поэтому коренным решением проблемы является переход на другой диапазон частот, находящийся в кратной удалённости от прежней полосы, – в пределах 868-870МГц.
Данный диапазон волн также можно использовать без разрешительных лицензий. При этом по требованию надзорных органов выходная мощность излучателей радиоволн не должна превышать 25 мВт. Чем выше частота излучения, тем больше проникающая способность электромагнитных волн и их защищённость от воздействия случайных промышленных помех.
Про дальность действия радиосвязи
Дальность действия радиотехнических систем связи определяется такими факторами, как мощность передатчика, чувствительность приёмника и условия распространения электромагнитных волн. Так как мощность излучателей ограничивается требованиями стандартов, то большое значение для увеличения дальности действия приборов приобретают второй и третий из указанных выше факторов.
Кроме того, по способности волн преодолевать железобетонные стены диапазон 868 МГц гораздо предпочтительнее по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц. То же самое касается и условий распространения в открытом пространстве, что объясняется особенностями строения атмосферы. На затухание волн влияет также влажность и загрязнённость воздуха. Существует эмпирическое правило радиоинженера: двукратное увеличение частоты в 2 раза сокращает дальность связи.
Более высокая частота выгодна тем, что даёт возможность уменьшать размеры антенны и повышать её эффективность излучения. Кпд антенны максимальна, когда её длина равна четверти, половине или всей длине излучаемой радиоволны. Частотам 2,4 ГГц, 868 и 433 МГц соответствуют длины волн 13, 35 и 70 см. Переход на более короткие волны также уменьшает влияние на качество связи помех от работы промышленных установок (трансформаторов, троллейбусных и трамвайных линий, промышленных генераторов и др. источников, создающих общий шумовой фон электромагнитных излучений).
С другой стороны более короткие волны теряют способность огибать препятствия (дифракция волн). 35 сантиметровые волны (868 МГц) наиболее эффективны в городских условиях с плотной застройкой домов и стационарными установками. Для мобильных устройств с постоянным перемещением установок более предпочтительна длина волны 70 см (433 МГц). Кроме того, технология производства приёмопередатчиков, работающих на частоте 868 МГц, более простая и экономичная, что обеспечивает высокую надёжность и долговечность работы.
Про габариты станций
Габариты приёмопередатчиков в основном определяются не выбором частотного диапазона и сложностью схемы, а размерами антенн. В качестве всенаправленных антенн проектировщики в большинстве случаев выбирают четвертьволновые вибраторы. При этом эффективная длина антенны для диапазонов 433 и 868 МГц составляет 17,3 и 8,2 см соответственно. Использование более коротких антенн снижает их эффективность, несмотря на применение различных схемных ухищрений в виде эквивалентов антенн.
Волны этого диапазона лучше распространяются и в коаксиальных кабелях, что позволяет легко удалить антенну от передатчика в пределах нескольких метров. Это очень удобно для мобильных устройств, устанавливаемых на транспортных средствах. Сигнал с частотой 2,4 ГГц будет сильно затухать в коаксиальном кабеле. Для удаления антенны от такого приёмопередатчика требуется специальный волновод.
Ещё раз про электромагнитную совместимость
Диапазон 2400 МГц уже использует большое количество бытовой электроники. На этой частоте функционируют роутеры беспроводного Интернета, модули Bluetooth сотовых телефонов, компьютерные приставки и внешние устройства, микроволновые печи. Эти источники могут излучать волны очень продолжительное время и учесть их работу практически невозможно.
В диапазоне 433 МГц работают системы охранной сигнализации. Однако режим их работы на излучение носит кратковременный характер, что позволяет нейтрализовать их влияние простым дублированием передаваемой информации. В отношении загруженности наиболее свободным диапазоном в России является 868 мегагерцовая полоса частот, так как она стала безлицензионной сравнительно недавно.
Для производителей устройств беспроводного дистанционного управления установлены определённые требования по обеспечению стабильности рабочей частоты, которые со временем только ужесточаются. Жёсткая привязка частоты особенно актуальна для города, где связь во многих местах обеспечивается за счёт многократного переотражения волн от многочисленных застроек и препятствий.
Про экономию электроэнергии
Закономерно, что чем больше частота излучения, тем больше электроэнергии будет потреблять передатчик. В типовом режиме стандартный ZigBee-трансивер, работающий на 2400 МГц, потребляет от сети ток 20-40 мА. Аналогичные трансиверы на частоте 868 МГц имеют значение потребляемого тока в 2 раза меньше. Данные показатели характерны для активного режима работы трансивера. В пассивном дежурном режиме потребляемый ток устройств не зависит от частотного диапазона.
Для экономии электроэнергии и увеличения быстродействия систем управления используется сонный режим работы оборудования, когда энергия потребляется только для поддержания рабочей температуры деталей без излучения в пространство. В режиме сна не происходит обмена информацией. Это обеспечивает минимальное время включения аппаратуры в активный режим без переходных процессов, что даёт львиную долю экономии потребляемой энергии.
Заключительный вывод
Современный уровень развития микроэлектронных технологий позволяет конструировать различные недорогие и экономичные телеметрические, охранные и интеллектуальные устройства беспроводной автоматики, применяемые в промышленности и в быту и работающие в нелицензионных диапазонах волн. Наиболее перспективной и эффективной частотной полосой для таких устройств по различным критериям является диапазон 868 МГц. Он оптимален в отношении электромагнитной совместимости и условий распространения радиоволн.
Использование диапазонов 433 и 868 МГц в системах промышленной телеметрии
Выбор частотного диапазона оказывает существенное влияние на характеристики проектируемой беспроводной системы, т.к. этот параметр неразрывно связан с дальностью связи, пропускной способностью, энергопотреблением и даже с финансовыми и инженерными затратами на проектирование. В статье будут рассмотрены преимущества и недостатки субгигагерцевых безлицензионных диапазонов частот по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц, широко используемым в потребительской электронике.
В диапазоне 2,4 ГГц работают такие популярные стандарты как Bluetooth, Wi-Fi и ZigBee. Однако значит ли это, что это лучший выбор разработчика при проектировании любой системы? Разумеется, нет. Субгигагерцевые диапазоны обеспечивают ряд преимуществ в виде большей дальности, сниженного энергопотребления, меньшей стоимости для таких приложений как системы безопасности и сбора данных со счетчиков энергии, низкоскоростные устройства промышленной телеметрии и домашней автоматизации. Примерное соотношение дальности связи и скорости передачи данных для различных беспроводных стандартов приведено на рисунке 1.
Рис. 1. Примерное соотношение дальности связи и скорости передачи данных для различных беспроводных стандартов
В Российской Федерации выделены два субгигагерцевых диапазона частот, где возможно безлицензионное применение радиопередающих устройств — 443 и 868 МГц. Термин «безлицензионный» означает, что потребитель может использовать радиопередающие устройства без специальных разрешений и регистрации. Однако необходимо, чтобы технические характеристики радиопередающих устройств отвечали техническим требованиям, утвержденным решениями Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ). За это отвечает производитель этих устройств, подтверждая соответствие их параметров установленным нормам.
Рис. 2. Разрешенные полосы в 868…870 МГц
Рис. 3. Затухание сигнала на разных частотах
Рис. 4. Ослабление сигнала на частоте 900 МГц различными препятствиями
Рис. 5. Полноразмерные и миниатюрные антенны
Рис. 6. Объем памяти для различных стеков протоколов
Рис. 7. Радиочастотные модули разных производителей на базе трансивера СС1101