Wireless 101
M11 · L04
الوحدة 11 · الدرس 4

عشرون بايتاً في الساعة، عشر سنين

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