物联网传感器系统和无线电要求

石榴姐

物联网传感器系统和无线电要求 [复制链接]

 

在传感器节点位置固定的物联网系统中，无需支持移动客户端的无线电系统开销。这意味着不需要支持切换和多个基站的开销。由于客户端设备的移动而导致的衰落将不是问题；然而，无线电周围环境的变化仍可能导致衰落，尽管它不应该像在移动应用中那么深。这意味着包括交错是明智的。

物联网无线系统的要求取决于使用案例。例如，对于每隔几个小时发回一次温度数据的系统，用于发回数据的无线系统不需要处理高数据速率，但它可能需要坚固耐用且功耗低。此外，还需要考虑需要覆盖的距离，因此传输功率和传输效率将成为系统选择的一个因素。对于低数据速率要求，链路稳健性可能会有所折衷，因为 ARQ 纠错是可能的。如果系统需要靠电池供电，那么无线链路的功耗即使不是整体功耗的最大因素，也是一个重要因素。这将使无线链路的选择变得至关重要。

发送回连续视频馈送的系统需要比返回单个传感器读数的简单系统具有更高的数据速率。它需要更加健壮，因为如果没有显着的带宽开销，它就无法充分利用 ARQ。电池操作是不实用的，除非电池很大或有一些电池充电机制（太阳能、风能、柴油发电机）。

可以设想一个在不同时间需要不同要求的系统。例如，在农业自动化系统中，我们可以使用战略性放置的传感器组合来测量温度、湿度、阳光和其他条件。这些传感器可以通过蓝牙或 Zigbee 等低功率无线电系统连接回被监控田地中间的本地控制中心。本地控制区域处理来自传感器的数据（边缘计算的示例）并通过蜂窝链路链接回中央控制中心。中央控制中心控制广阔地理区域的农业运营。

通常情况下，本地控制中心不需要发回太多数据——温度、白天的日照时间、光照强度、土壤湿度等等。但是，可能会有一些情况需要我们快速检查位置——某个区域的温度突然升高表明发生火灾，而某个区域的传感器突然下降。由于位置偏远，我们不想派人去检查，因为当检查组到达那里时可能已经太晚了。在人口迅速老龄化、没有人力从事农业工作的国家，这是一个现实的前景。在这种情况下，我们希望派遣机器人甚至无人机从本地控制中心进行检查。如果我们必须从中央控制中心驾驶机器人或驾驶无人机，我们将需要一个高带宽链接到本地控制中心，并从那里到机器人或无人机。解决方案是将资源放在靠近无人机或机器人的地方——人或计算机。在边缘拥有可用的计算资源来控制无人机非常有意义。

即使无人机或机器人是完全自主的，并且现场和本地控制中心都配备了 5G 网络，因此任何发回的视频都能以全清晰度接收，我们仍然需要高速链路将视频数据传回中央控制中心，所以我们可以看到发生了什么。在这种情况下，我们需要能够将通信速度提高几个数量级，这对于当今的无线电技术来说是不可能的。如果可以做出决策的唯一方法是取回数据，则甚至可能需要安装点对点无线链路。为了摆脱对高速链接的需求，有必要将计算资源移动到靠近它们可以监控视频数据的地方。一个可以识别火灾并发送消息“有火灾”的系统比“我们有问题”更有用。

带宽、比特率、延迟和距离

随着带宽的增加，最简单的调制可以支持的比特率也随之增加。如果带宽是固定的（因为它是无线系统的监管要求），那么增加比特率的唯一方法是使用更深的相位和幅度调制（16-64 QAM）。使用更高阶调制的宽带宽系统将很快遇到物理限制：更高的调制会降低可接受的噪声水平，因为需要更大的信噪比 (SNR)，但带宽越宽意味着噪声越大，因为噪声是在带宽上集成的。如果您以全功率发射，那么获得更高 SNR 的唯一方法是将发射器移近接收器（反之亦然）。

如果您的应用程序既需要高比特率又需要远距离工作，您需要重新考虑您的系统。您使用的传感器是否合适？许多解决方案使用带有 AI 软件的视觉（摄像机）来执行任务。视频图像消耗大量带宽。没有其他类型的传感器可以完成这项工作吗？例如，可以使用雷达来完成吗？如果答案确实是否定的，那么您将需要考虑将计算移动到更靠近相机的位置。如果您可以在边缘完成全部或大部分处理，那么需要发送的消息的大小是多少？

如果系统有高带宽和低延迟的需求，那么唯一的选择将是5G。由于基站和服务器之间的延迟，低延迟要求将迫使您将计算移动到边缘。5G虽然承诺4ms时延，但空中时延已经是当前一代产品的两倍，基站到服务器的时延可达20ms甚至更长。