Swift雨燕蜂窝无线通信系统介绍

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1. 概述

物联网小无线通信技术众多,其中大多是小范围小规模的无线通信技术,而行业难点是如何做到广覆盖、大容量、低功耗。

针对以上难点,宏讯物联研发了Swift雨燕蜂窝无线通信技术,是运营商移动通信网络的小型化。通过将大型的运营商基站小型化为微基站,用户可以在现场部署大量微基站,从而拥有属于用户的私有“运营商网络”。这套网络有大容量、高实时性、广覆盖、低功耗等特点,可以接入用户的海量节点。

2. 信道复用技术介绍

在信道设计上,我们采用时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)混合架构,如下图所示。

系统整个大周期为64秒,小周期为1秒。

小周期可容纳800个时隙,大周期可容纳51199个时隙。每个通信节点可在单个时隙内工作,并可选择不同的通信周期。所以单频道的系统容量为800~51200个节点(不同通信周期可容纳节点数不一样)。

系统可分为28个独立频率的信道,其中有2个信道是公共信道,26个信道是业务信道。所以系统最大容量为26倍的单信道容量。所以整个系统容量为20800~1331200个节点(不同通信周期可容纳节点数不一样)。

3. 基站实施部署

每个基站可覆盖100-300米,即1-3公顷。通过部署多个基站,形成蜂窝网络,从而实现全面覆盖,提供一套通信网络。如下图所示。

在基站信道覆盖范围内,光伏组件可通过此基站将电压电流等信息上传通信。并且系统还带有基于RSSI的定位功能,可以定位组件的大概位置。

单个基站会包含2个公共信道,2个业务信道提供服务。根据终端的不同的通信周期,单个基站的接入容量为1600~102400个节点。

4. 系统通信架构

整体系统结构如下图所示:

终端就近选择基站入网,入网后即可上传信息。信息通过集中器中转,会转发给用户自己的服务器。

5. 低功耗

终端模块只需要在自己的时隙工作,绝大部分时间处于休眠状态,所以可以做到极低功耗。

终端模块的工作周期是1~64秒,周期为1秒时,休眠时间占比是99.875%。周期为64秒时,休眠时间占比是99.998%,所以终端模块能做到极高的续航时间。

6. 系统指标

  • 10万个节点的系统容量
  • 单个基站1600个节点/秒的并发通信
  • 单个基站10万个节点的总通信容量

7. 产品列表

7.1. 简介

产品分为硬件产品和软件产品。

序号

产品

属性

1

通信模组

硬件

2

基站

硬件

3

集中器

软件

通信模组型号:SW-N01

基站型号:SW-S01

7.2. 通信模组 SW-N01

7.2.1. 概述

SW-N01模组采用了雨燕蜂窝通信协议,可以提供1Mbps的物理层速率,最大发射功率4dBm。模组支持串口指令和SDK二次开发两种使用方式。

7.2.2. 产品特性

  • 支持雨燕蜂窝无线网络
  • 支持低功耗
  • 支持OTA升级
  • 支持透传用户数据

7.2.3. 规格参数

7.2.3.1. 极限参数

超过以下参数范围时极有可能损坏模块。

参数

范围

单位

电源电压

-0.3~+3.9

V

I/O电压

-0.3~3.9V

V

射频接收最大功率

+10

dBm

工作温度范围

-40~+85

存储温度范围

-40+125

7.2.3.2. 静态参数

正常工作状态下模块电器参数(@25℃)

参数

标号

最小值

典型值

最大值

单位

备注

电源值

Vcc

1.8

3.3

3.6

V

接收电流

IRX

-

13

-

mA

发送电流

ITX

-

18

-

mA

发射功率+4dBm

休眠电流

ISleep

-

2

-

uA

输入逻辑1电平

VIH

0.7*Vcc

-

Vcc+0.3

V

输入逻辑0电平

VIL

-0.3

-

0.3*Vcc

V

输出逻辑1电平

VOH

Vcc-0.4

-

V

输出逻辑0电平

VOL

-

0.4

V

7.2.3.3. 射频参数

参数

最小值

典型值

最大值

单位

发送频率

2360

-

2500

MHz

最大发送功率

-

-

4

dBm

传输速率

-

1

-

Mbps

接收灵敏度

-

-96dBm@1Mbps

-

dBm

7.2.3.4. 其他参数

主要参数

描述

备注

通信距离

100米

晴朗空旷,天线增益5dBi,高度2.5米,速率1Mbps

外形尺寸

17.5*28.7mm

7.3. 基站 SW-S01

7.3.1. 概述

SW-S01是采用了雨燕蜂窝通信协议的微型基站,可以提供提供区域信号覆盖。

7.3.2. 产品特性

  • 支持雨燕蜂窝无线网络,提供基站信号覆盖
  • 支持POE供电
  • 支持OTA升级
  • 单基站最远覆盖半径300米
  • 支持透传用户数据

7.3.3. 设备参数

7.3.3.1. 电气参数

参数

典型值

供电

POE供电48V

功耗

1W

7.3.3.2. 以太网通信参数

参数

典型值

网络接口

RJ45

通信速率

100Mbps

7.3.3.3. 射频通信参数

参数

典型值

工作频率

2.4GHz

通信速率

1Mbps

发送功率

+22dBm

通信距离

视距300米

7.3.3.4. 环境参数

参数

典型值

工作温度

-20℃ ~ +60℃

工作湿度

10% ~ 90% 相对湿度,无冷凝

8. 技术对比

8.1. 光伏组件场景技术对比

目前雨燕蜂窝技术已应用于光伏组件场景,这是此场景下各种通信技术对比。

技术方案

特点描述

有线

RS-485

需要额外增加通信电缆,电站布线困难,需要挖槽、埋管等,不适合组件级的数据通信,一般用于汇流箱、逆变器的通信。

PLC电力线载波

不需要额外增加线缆,使用组件本身的电力线传输数据。

微逆产品使用交流电PLC进行通信,组件优化器产品使用直流电PLC进行通信。

通信系统和电力系统没有解耦,数据通信容易受到电力传输干扰。

PLC网络带宽有限,系统灵活性不足,不利于容量扩展。

PLC的调制解调芯片价格较为昂贵,增加了系统实现成本。

无线

WIFI

芯片价格较低,信号覆盖范围有限,不适合组网,无法实现大规模节点接入。

LoRa

典型物联网协议,不能组网。为实现大规模节点接入,需增强无线信号收发能力,使用高品质通信模块及天线,或者加大网关部署容量,这都会增加系统实现成本。

NB-IoT

典型物联网协议,芯片成本高,且属于运营商网络,需要耗费流量资费。

Zigbee

实际的组网能力有限,现有应用中,网络容纳的节点数量一般不超过100个。为了优化性能,需要专业人士参与规划、人工配置网络结构。

Skylark

针对大规模组网推出的无线自组网,容量大,扩展灵活、更少配置、部署简单。

Swift

针对大规模组网推出的蜂窝无线传感器网络,容量大,实时性高,部署简单。

8.2. Swift与Skylark对比

Swift是基于TDMA和FDMA的蜂窝无线技术,Skylark是无线自组网技术。两个技术各有优势,具体对比如下:

技术

优势

劣势

Swift

  1. 实时性高,组件可做到最快1秒1次的上报周期
  2. 单基站容量没有限制,1秒1次的通信周期可容纳1600个节点,10秒可容纳16000个节点,以此类推
  3. 采用TDMA机制为每个节点分配时隙,通信稳定,丢包更少
  4. 单跳组网网络结构简单,出现通信问题时容易排查
  5. 节点对RAM和FLASH的需求更少,节点可采用更低成本的MCU
  1. 单跳组网,需要部署更多的基站

Skylark

  1. 多跳自组网,部署少量基站即可,部署更简单
  1. 大规模组网时,上报周期需要定为分钟级,比如3分钟
  2. 单基站可容纳最大400个节点
  3. 通信采用CSMA机制,节点之间竞争上报数据,存在大量丢包,需要重发才能保证可靠通信。丢包较多
  4. 自组网通信结构复杂,出现问题时需要资深运维工程师来调试
  5. 自组网协议栈复杂,需要较大的RAM和FLASH才能运行协议栈,MCU的价格较贵

9. 数据传输

9.1. 传输链路

传输链路如下图所示:

数据采集板采集到数据后,通过串口将数据发送给终端模块,终端模块通过蜂窝无线网络将数据发送给基站,基站汇总数据发送给核心网,核心网再发送给用户服务器。

对用户通信来说,传输链路可简化为:

数据采集板采集到数据后,通过蜂窝通信网络,实现了数据透传,数据发送给了用户服务器。

9.2. 数据内容

蜂窝通信并不限制用户所传数据的格式和内容,实现的是数据透传。

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