Эффективность узкополосных пресетов в Meshtastic.

Эффективность узкополосных пресетов в Meshtastic.

В предыдущем материале мы с усердием изучали концепцию и реализацию устройства для личной радиосвязи, позиционируемую в статусе аварийной (связь последнего шанса). Но не возбраняется ею развлекать себя и сейчас. А также строить на её основе городские сети. Конкретно речь идёт про LoRa и Meshtastic, причём у последнего имеются альтернативы.

А ежели вдруг?

Очень своевременно в локации местного автора и в самый мороз Россети выпали в даун, так что на протяжении нескольких часов электричества не было на относительно обширной территории. Почему-то сразу кончилась вода, и фактически потухла сотовая связь.

Под предлогом блэкаута тут же отвалилась и местная ветка городской сети Meshtastic, что говорит о массовой практике запитывания устройств прямо от электросети. По крайней мере в инфраструктурной её части. Потому как с соседними районами двусторонняя связь пропала, трейсроут вообще не проходил, и только откуда-то издалека, с «возвышенных нод», что-то едва принималось. Время от времени.

Что с этим можно поделать.

Понимая, что при действительно серьёзном «событии» такая городская сеть долго не проживёт, и сперва развалится на фрагменты, а потом и вовсе деградирует до отдельных нод, толку от которых чуть, подумалась одна мысль. Для связи в статусе аварийной категорически противопоказана чужая инфраструктура, принадлежащая непонятным людям. Положиться на неё нельзя ни в какой степени. Сегодня пригодная для ретрансляции нода есть, завтра она сгинула.

Далее возникает закономерный вопрос о возможностях радиоканала «точка-точка» на нестандартных пресетах. Желательно узкополосных, ибо при наступлении «события» все поступят так же, а диапазон не резиновый. Вроде бы мысль очевидная и правильная.

Табличка зависимости RSSI от SF (Spreading Factor) и BW (bandwidth) нам уже знакома и даже в какой-то степени понятна. Чем меньшее число наблюдается на пересечении строк и столбцов, тем этот набор параметров полезнее:

Было бы интересно разнести пару идентичных нод на существенное расстояние, и, варьируя BW, оценить разницу в качестве связи. На примере стандартных пресетов мы видим обещание ощутимой разницы в дистанции при изменении BW:

Договоримся первоначально взять параметры пресета VERY LONG SLOW, и, не меняя SF и CCR (Cycling Coding Rate), уменьшать BW, переходя на узкополосные и дюже медленные пресеты.

По большому счёту, подобного эксперимента никто не делал, либо не счёл нужным публично огласить его результаты. А оно интересно.

Чего стоит желать.

Договоримся сразу, что нас интересует связь в реальных, а не выдуманных восторженными энтузиастами условиях. То есть никаких антенн на крыше или в окне на двадцатом этаже. Никаких «волновых каналов» с размерами, пригодными для гнездования стаи сорок. И прочих тому подобных мало реальных предположений, как бы оно могло быть, если дать волю.

Наоборот, нехай связь будет прямо с уровня земли (в условиях сибирской зимы милостиво допускаются первые этажи домов, с размещением нод на подоконниках), непременно при отсутствии прямой видимости промеж нодами, то есть с многократным переотражением сигнала от окружающих архитектурных излишеств. Что примерно соответствует ситуации «лес и горы, друг друга не видим, потерялись неделю назад».

Антенна - добротный резонансный вертикальный диполь.
Мощность - вся, какая есть, уж простите. Стандартно 20 dBm.

Моделирование медленных пресетов в домашних условиях.

Это своего рода подготовительный эксперимент, для понимания, будет ли оно вообще работать.

Устанавливаем мощность нод в -3 dBm, что составляет всего ½ mW.
Меньше поставить просто физически нельзя. По крайней мере, для Heltec.

Лучше сперва выставить BW поуже, и по RTL-SDR донглу с непременно термокомпенсированным кварцем посмотреть, совпадает ли средняя частота ноды с выставленной через приложение частотой, а спектр излучения одной ноды с другой.

У местного автора середина излучаемого нодами спектра оказалась на килогерц выше заданной частоты, но сами спектры на удивление точно совпали. Точность попадания в слот не столь критична, а вот друг в друга откровенно радует.

Далее ноды разносятся на расстояние не менее 15-20 длин волн, то есть более семи метров. Это делается для выноса приёмника из ближней зоны антенны передатчика. Теперь показания RSSI должны изменяться на то же значение dBm, что и в передатчике.

Но, скажем прямо, безэховой камеры с радиопоглощающим покрытием стен у нас нет, и классические испытания с аттенюатором по входу приёмника или выходу передатчика мы поставить не сможем. Но зато в жилом железобетонном здании завсегда удастся разместить ноды так, чтобы радиосигнал связывал их через несколько переотражений от стен. Длинный коридор между комнатами налево и направо нам дан именно для этого.

Понять, что связь происходит через переотражения, очень просто: сдвигая одну из нод буквально на десяток см, можно зафиксировать изменение RSSI на 10-20 dB. Значит, реализуется многолучевой приём с интерференцией сигнала. Нода оставляется в положении с минимальным RSSI.

Значение BW в приложении можно задавать только целыми числами из ряда 10-15-21-31-41-62. Хотя в левом столбце первой таблицы для всех узкополосных пресетов числа дробные, и по-хорошему, округляются иначе. Но если округлить их математически правильно, включается какой-то из стандартных широкополосных пресетов. Всё не так просто.

При изменении BW приложение будет самостоятельно назначать частотные слоты, помещая рабочий канал в разные участки диапазона 868 MHz. Это противоречит смыслу эксперимента, поэтому частота канала выставляется фиксированной, на более-менее чистой от помех частоте. RTL-SDR поможет в поисках такого частотного интервала.

В качестве измерительного сигнала использована телеметрия. Обе ноды рассказывают друг другу о заряде своей батареи, а результат считывается из «Signal Metrics Log» приложения в виде пар SNR и RSSI.

График кратких испытаний (по три измерения для каждого значения BW) даёт две кривульки, верхняя из которых соответствует SNR, а нижняя RSSI. Чем каждая из кривулек отклоняется выше, тем радостнее:

К поведению трейса RSSI никаких претензий предъявить нельзя, от ширины спектра сигнала напряжённость поля в точке приёма зависеть не должна. По крайней мере, для модуляции LoRa. В классической радиосвязи всё чуть иначе, там чувствительность приёмника, ограниченная шумами, растёт с уменьшением ширины полосы. Но мы не будем смешивать два совершенно разных случая.

А вот снижение SNR с уменьшением BW премного озадачивает. Получается, выгоды от душения брандвича и нету вовсе.

Единственное, что поможет нам воздержаться от цитирования сакральных идиоматических выражений, достаточно высокое значение RSSI. Даже на субмилливаттной мощности передачи, сигнал в антенне приёмной ноды всё ещё достаточно сильный. Возможно, для реальной радиотрассы с на порядки более слабым сигналом в месте приёма, всё будет по-другому.

Реальная радиотрасса.

Как договаривались, пусть будут два здания из железобетона, в которых ноды расположены на низких этажах, а окна смотрят в диаметрально противоположные стороны. Между зданиями лес, застройка, и вообще всякая промзона. Расстояние по карте примерно 500 метров.

Связи по прямой нет. Если в зданиях поставить ноды на подоконники окон, смотрящих друг на друга (подобная возможность имеется), связь только ухудшается. То, что промеж зданиями, непрозрачно для радиоволн такой мощности. Хотя мощность выставлена на максимум, 20 dBm.

Радиотрасса предположительно строится вкруголя, через переотражения от железобетонных зданий. Они расположены достаточно далеко (километры), чтобы радиосигнал описал дугу окружности, соединив не видящие друг друга окна. На местности такие здания действительно есть.

Интересно, что периодически возникал коннект с отличными параметрами. Местный автор поначалу считал это глюком, ибо такого просто не может быть. Но потом поглядел в окно, и узрел самолёт на глиссаде. Похоже, низколетящий крупный самолёт замечательно подходит для переотражения сигнала Мышастика. Радиолюбители по примерно той же схеме пользуются ионизированными следами метеоров. Бурсты короткие, но их хватает.

Естественно, аномально хорошие точки из лога замеров изгнаны.

Так же заметно, что ночью связь ощутимо ухудшается. Виноваты ли в этом сорокоградусные сибирские морозы (ночью стоит туман от вымораживания влаги), снегопады ли, бог его знает. Возможно, отражающая поверхность зданий тоже как-то меняется от изморози. Версии могут быть разные, но холодными зимними ночами Мышастику однозначно плохеет.

Теперь результаты тестов. Есть схожесть с «домашним» экспериментом:

Циферки под синим трейсом означают количество точек в выборке. Точки накладываются друг на друга, их численность не очевидна. Закрашенные точки символизируют собой математическое ожидание, через них сплайном проведены трейсы.

И, к удивлению, зависимости SNR и RSSI от BW фактически-то и нет.

Оговорочка.

К сожалению, выборки этих двух параметров для разных значений BW накапливались не за один день. При постоянно изменяющейся погоде. Между тем диэлектрическая проницаемость среды распространения радиоволн сильно зависит, например, от влажности воздуха.

Для многолучевого приёма через многократное переотражение это уже критично. При интерференции колебаний с малой длиной волны пучности электрического поля в месте приёма постоянно сдвигаются в пространстве от любого чиха за окном, а антенна малого размера строго зафиксирована, и не умеет за ними следовать.

Кстати.

В местах общения любителей затейливых видов радиосвязи можно почитать и даже увидеть, как люди, ничтоже сумняшеся, сравнивают свои антенны простым пингом до соседа, тупо по индикатору SNR. Ну или RSSI. При этом антенны до и после замены могут быть разных размеров, и закрепляться в разных точках пространства. Но это никого не волнует. А напрасно.

Как мы теперь понимаем, получить на показометре кардинально другое значение, отличающееся на 10-15 dB, можно простым смещением той же самой антенны на десяток см в сторону или по высоте. Про дифракцию и интерференцию волн информация не закрытая, и даже упоминается в школьном курсе. Но понимания её широкими народными массами нету.

Эффективность антенны есть величина расчётная, её для нужного азимута и угла места покажет вменяемый моделировщик. И то в идеале. Замерить это вне безэховой камеры и специализированной аппаратуры практически невозможно. Ещё раз смотрим на любое стадо точек графика, и дивимся их разбросу. И это мы ещё не двигали антенну...

Но люди, конечно же, будут продолжать кидать трейсроут вдаль, и смотреть на ничего не значащие циферки.

Наглядно видно, что в городских условиях RSSI не опускается менее -125 dBm (0.13 µV). Дальше SNR уходит ниже -15 dB, с потерей связи. Эфир довольно шумный, и весь потенциал узкополосных режимов просто не может реализоваться. Плюс к тому при длительной передаче пакета есть не иллюзорный шанс словить в канале связи помеху, которых на диапазоне великое множество. Связь в модуляции LoRa процесс вероятностный.

Похоже на то, что нет смысла уходить на узкополосные медленные пресеты. В случае работы с переотражённым сигналом выгоды нет никакой. Для связи в пределах прямой видимости всё может быть иначе, но это редко реализуемый на практике, а потому мало кому интересный случай.

Ограничения медленных пресетов.

Скорее всего, с пресетами медленнее 41.7 kHz по Bandwidth никакого желания работать не возникнет, потому как больно уж они неторопливые.

К примеру, на трейсроут между двумя нодами может понадобиться минут этак десять, что невероятно озадачивает. Всё дело в соблюдении нодами регламента по утилизации канала и задержками перед включением передачи, обусловленными алгоритмом маршрутизации в сетях Meshtastic. Причём задержки обратно пропорциональны BW, и запросто могут достигать нескольких минут.

Как видите, местный автор завершил свои эксперименты на BW=15, причём с малым числом точек в выборке. Просто терпения не хватило. До более узкополосных вариантов дело даже не дошло. С предельной очевидностью стало ясно, что пользоваться ими невозможно.

Отсюда понятно, почему стандартные пресеты закончились на VERY LONG SLOW, да и этот режим впоследствии убрали. Для малых групп он ещё как-то подходит, но при числе пользователей в несколько десятков сеть шибко тормозит. Почтовый голубь летает быстрее.

Практический вывод.

При реализации прямой связи «точка-точка» на переотражениях и без создания ячеистой сети, в городских условиях достаточно пресета VERY LONG SLOW. Все прочие узкополосные пресеты ощутимого выигрыша в качестве связи, грубо оцениваемой по SNR, не дают.

В случае прямой видимости это наблюдение может быть неверным.

Meshtastic: сам себе провайдер SMS-ок.

Урбанистическая концепция «15-минутного города», возникшая из лучших побуждений лет десять назад, но получившая известность в качестве элемента «новой нормальности» Шваба во времена ковидобесия, лично для местного автора таки обрела актуальность. Он практически не покидает трёхкилометрового участка местности месяцами, причём это даже не радиус условного круга, а его диаметр.

AFP-FSK модем c приёмным трактом Уивера

Очередной лонгрид от Мастера Ласто на тему сочинения из ничего и палок брутальной железяки для тактической радиосвязи в виде безобидного цифрового модема под AFP-FSK режимы. На этот раз всё не так примитивно, как раньше. Будем трогать руками метод Уивера, то есть получать SSB перегибанием НЧ спектра сигнала пополам два раза подряд, что даже звучит интересно.

Возможен ли разговор двух Ардуин на КВ?

Сегодня мы будем решать задачу (ну или хотя бы попытаемся это сделать) приёма информации, переданной по эфиру, силами простейшей Ардуины. Автономно, без компьютера. Также оговоримся, что радиоканал расположен в пределах КВ диапазона, что подразумевает радиус действия порядка 1000 км при мощности в пару Ватт даже в случае самодельной железяки.

№ 1Хомяк, будь готов...

Непонятно к чему готовимся, но мы уже точно готовы.
Ко всему.

Но пока что не все.

Пионер же

№ 2Мысли по теме

Спасибо, очень интересная и полезная статья.

Поделитесь, каким образом Вы решили вопрос бесперебойного питания? Это тема важная, по затратам и хлопотам пожалуй и по более чем сам модуль LoRa.
Я использую повербанк TopON TOP-T72 (18000 mAh). Оказалось, он прекрасно работает в режиме ИБП, одновременно подзаряжается и выдает ток на потребителя. Беглый поиск в интернете показал, что такой режим поддерживает не любой повербанк.
Подключен модуль Heltec LoRa Wireless Stick Lite V3 ESP32 (ESP32S3 + SX1262). Замер USB тестером показывает ~0.25А при передаче и ~0.13А в паузе.
При отключении электричества повербанка примерно хватает на сутки. Думаю "в случае чего" это время уменьшится, т.к. интенсивность обмена возрастет. А может быть наоборот, так как большая часть нод отвалится.
И, конечно, возникает вопрос: на сколько в таком режиме хватит его аккумуляторов?

По антеннам. 6 этаж 9-тажного дома, Подмосковье.
Было антенна "Триада-МА 890 всенаправленная 868 МГц, 8дБи" подоконник, снаружи.
Заменил на maxon. Прикручена к оконной раме, снаружи. Направление подстраивал чуть, градусов на 10-15. Чтобы не светило прямо в дом напротив
Результат: уровень сигнала на ближайшей ноде возрос на 3-5 дБ. Нода одна и та же.
У maxon широкий передний лепесток, ~120°. А задний меньше на 20 дБ. Это оптимальный вариант для работы. Всяко лучше, чем мокрая стена в качестве рефлектора.

Хочу обратит внимание всех заинтересованных на следующие моменты.
Количество нод meshtastic в диапазоне 868 в Москве и ближнем Подмосковье ~1500, активно каждый момент примерно треть. Это мои оценки, судя по статистике на моей ноде.
Есть, наверное, приватные сети, есть meshcore. Чтобы не мелочиться удвоим число нод. Это примерно 3000 на 27-30 млн жителей. Сотая процента. Ещё сбор информации с датчиков, сигнализации, ворота, игрушки.
Всё эти устройства работают в прерывистом режиме с небольшим коэффициентом заполнения. И всё же диапазон изрядно загружен.
При этом порог вхождения в meshtastic достаточно высокий и не думаю, что технология станет действительно массовой.
Однако буквально на днях я обнаружил в продаже следующий девайс:
ozon.ru
Это радиомост, "удлинитель ethernet". Работает в диапазоне 868, "пробивает бетонные стены", обеспечивая мегабитовые скорости. Т.е. работает непрерывно. Антенны — штыри.
Такой девайс закроет весь диапазон нафиг, в радиусе километра. Если это пойдет в народ, то всех остальных если не вырубит совсем, то прижмет сильно. При том, что тут порог вхождения нулевой — воткнул-включил.
Тут обзор устройства:
mysku.club

Кстати, Вам удалось поднять приватную сетку "в диаметре 3 км"?

Поскольку местный автор засунул внутрь корпуса ноды аккумулятор примерно на 15 Ah (см. статью с его предыдущими приключениями), то на энергоэффективной прошивке всё это живёт недели две, с учётом периодической, но редкой передачи. Повербанк не нужен.

Роль - «молчаливый клиент».
То есть по факту всё время на приёме.

Да, приватную сеть удалось построить, путём организации вторичного канала. Мощности хватает 10 dBm, да там и 1 dBm достаточно. Потому что городской канал в том же частотном слоте не отказывается ретранслировать непонятное ему (у большинства настройка «Rebroadcast mode» стоит в положении «ALL»).

Ежели что, мощность выкручивается на максимум, и переходим на прямую связь точка-точка.

Ну а вай-фай на ISM диапазонах - это зло, конечно.
Вот тут ростехнадзор и должен возбуждаться.
Сертификации там в принципе быть не может.

ivanstor

№ 3Ростехнадзор?

Ноды meshtastic ни одна, наверное, регламент не соблюдает. По мощности так точно. Так что ростехнадзор начнет порядок наводить, то мало кто выживет.

Да тут, наверное, смысл в том, что надо просто приводить требования, непонятно откуда высосанные, к общемировым практикам.

Вспоминается, как как на заре СиБи в Стране породили вообще ни с чем не совпадающую сетку. Даже что-то мелкими партиями под неё выпускалось. Ну и понятно чем это всё закончилось. А нельзя было сразу взять стандарт?

Та же история с рациями.

Местный автор много раз наблюдал, как в туризме тупо по необходимости для связи в горах-лесах (в том числе и в спасательных подразделениях, так их назовем) тупо залазят в радиолюбительский диапазон 144 МГц. Не работает там 70-ка, вот хоть тресни. Ну так выделите пару-тройку каналов, наподобие американского MURS (Multi Use Radio Service) или европейского аналога. Всё уже придумано. Но нет.

С мештастиками то же самое.

Если в каждом дворе будет по ноде, да, оно способно работать и на 25 мВт. Но по факту 100 мВт оптимально. Просто узаконьте именно эту мощность, она во всём мире такая. Но хочется ж по второму кругу поиграться в кейс СиБи образца 90-ых.

ivanstor

№ 4Тоже приколы...

Здравия, брат!
Очень хорошая статья - благодарю!

О тебе узнал из местного ТГ сообщества мыша - кто-то выложил статьи в пдф формате (надеюсь - ты на них не в обиде, так как статьи совпадают точь-в-точь с оригиналом).

Сам экспериментирую только с декабря (пришли хелтеки с али).

Сообщества в городе (ну, и сетки мыша, конечно) пока нет. Потому поставил одну ноду под крышу дачи (наверно, ей там плохо сейчас), другая - носимая, третья - на окошке, ей повезло (у неё ещё и MQTT есть).

Настройки для России стандартные.

Итак: первая (бедняжка) иногда кого-то да поймает. Но эти кто-то что-то совсем редко, да и не откликаются... Ну, может заезжие... Двое - точно из нашего ТГ. Так как у меня выставлено фиктивное местоположение, по оценке дальности 4 км получилось. Дача в низине, холмы, дома, предприятия есть до его (нефиксированной) ноды. Ну ладно, у второго GPS нет, но прикол в том, что моя-то нода его увидела, а его мою - нет.(пообщались потом через mqtt).

Второй прикол: домашняя нода (у неё тоже фикс, поэтому тоже показывает расстояния). На расстояния я обычно не смотрю - там расстояния от 80 до 260 км, что естественно. Но попались ноды без mqtt - а там расстояния - 200 км. Известно оборудование, всё остальное (прыжки и когда) -... Ну, в 200 км не верю, мож взял свою фиксированную погулять?

В общем, есть над чем подумать и поэкспериментировать (всё же хочу с дачной нодой общаться. 10 км по прямой со всеми ужасами цивилизации.

Это вам в "(густо)населённых" пунктах не скучно (смотрю по активности переписки в нашей ТГ - они там кучкуются, изучают локации, у них проекты по установке ретрансляторов). У меня тоже есть проект по установке ретранслятора (ух, горы у нас хорошие). Дождёмся тепла... Да и с антеннками надо поработать...

Ещё раз спасибо за твои статьи.
Буду ждать ещё, местный автор ;-)

Серёга