# 關於社群 Modem Preset 設定更動與頻率更改的倡議
我是這次跟蜜蜂一起上山去進行點名活動的交流電，根據此次活動觀察到的現象我想提出將 Modem Preset 由原本的 Long Fast 調整為 Medium Fast，這是因為我們發現在大量節點上線後，由於 Long Fast 傳輸速率只有 1kbps 左右，導致每個路由控制封包都必須傳輸大約 0.6~0.7 秒。這雖然看起來不多，但根據設備觀測頻道使用率總是不低於 30%，最高可達 51%。也就是說如果在隨機時間發射，有 30~50% 的機率和其他人的封包造成碰撞，這在有幾組設備彼此無法互相看到信號的時候尤為嚴重。下列將為大家詳細解釋整套理論：

## 1. SNR 就算夠用，在信號重疊時也沒救
Lora 雖然採用的是展頻技術，但並非 CDMA 系統，遇到兩組信號重疊時並沒辦法分開封包。這種情況下會有下列兩種可能後果：
* 當 A/B 兩節點信號強度差不多時，造成兩者信號都無法解碼（因為信號重疊會造成失真）
* 當 A/B 其中一方特別強（比如 RSSI 強了 10dB），才會由信號強的一方勝出

雖然 Meshtastic 有盡量利用 CSMA/CA 機制進行碰撞避免，但是在部分場景下並沒用。比如當我們有 A/B/C 三個節點時：
* 此時 A 在山上，B/C 在山的兩側，B/C 彼此無法收到對方信號
* B/C 有一定機率在重疊的時間發射，就會依據信號強度的差距，造成上述兩種後果的其中一種

## 2. Long Fast 與 Medium Fast 的 SNR 差異並沒那麼大
| Preset | Bandwidth (kHz) | SF | Data Rate (kbps) | Link Budget | Best For |
| ----------:| ---------------:| ---:| ----------------:| -----------:| ---------------------------- |
| LongFast | 250 | 11 | 1.07 | 153dB | Default |
| MediumSlow | 250 | 10 | 1.95 | 150.5dB | Better speed |
| MediumFast | 250 | 9 | 3.52 | 148dB | Fast with good range |
| ShortSlow | 250 | 8 | 6.25 | 145.5dB | Fast with moderate range |
| ShortFast | 250 | 7 | 10.94 | 143dB | Very fast, shorter range |
| ShortTurbo | 500 | 7 | 21.88 | 140dB | Maximum speed, minimum range |

資料來源： Meshtastic 官方文檔

在表格中可以看到，Long Fast 與 Medium Fast 的 Link Budget（也就是從發射端到接收端總共可以承受多少衰減）其實只差 5dB，稍微讓節點換個位置都很容易帶來超過 5dB 的信號增強了。或者就是如下，將預設頻率設定到距離 LTE 頻段更遠的 slot 1 上，也可以帶來接收效果的提升。

## 3. 在這種環境中，減少封包碰撞對整個網路的收益可能更多
本次活動中觀察到，在有大量節點上線時，有一定量的信道時間都是被路由相關封包占據了。這些控制封包是 Meshtastic 協定的一部分，不可能避免。因此只能藉由調高速度來減少它們的佔用時間，進一步避免由於重傳造成的額外封包碰撞（畢竟空中已經有一半時間都被控制封包佔用，這時候再有人發封包就會和原本的封包撞在一起）。如果能藉由調快傳輸速率來減少封包碰撞的機率，也可以提升總體傳輸效率，因為碰撞造成的損失可以比損失的 5dB SNR 還更多（但如果移動到最遠離 LTE 頻段的頻率上，損失也可能被抵消掉）

## 4. 我們與 LTE 之間的距離
由於 LoRa 的專利並未過期，實質上只有 Semtech 一家公司能生產 LoRa 收發器晶片。而它們出品的晶片使用成本最低的直接轉換 (Direct Conversion，或稱 Zero-IF) 將 RF 信號轉換到基頻進行 DSP 處理，並不注重在遭遇強信號（比如 LTE B8 9xx MHz）下的表現。因此在附近有基地臺時，很容易因為基地臺造成接收電路的過載，使 SNR 下降。在不變更現有電路的情況下，解決這個問題最快的方式其實就是移動運作頻率到距離 LTE 頻段最遠的 Slot 1（Medium Fast 模式下具體頻率為 920.125MHz）。

註：我有特別檢查過 SX1262 的 datasheet，並發現它上面畫的圖是超外差而非直接轉換，不過在底下的規格依然出現了 I/Q 校正之類的字眼，因此實際上它可能只是把第二組 ADC 省略沒畫出來。

## 5. RF 笑能
由於 LoRa 收發 IC 並沒提供功能輸出原始 I/Q 資訊，因此沒辦法直接檢查 LTE 干擾造成的底噪升高，不過還是有間接觀察的方式：
* 已知 LTE 信號會在過強的時候造成干擾（可以視為底噪升高），且干擾造成的底噪升高速度大於干擾本身的升高速度（參考 3rd Intercept Point 的定義）
* 已知在信號與環境實際底噪（也就是不考慮干擾的部分）都遠大於接收機本身底噪的狀態下，加上衰減器會同時衰減兩者，因此 SNR 大致保持不變
* 可以購買 5dB 與 10dB 衰減器，在完全不接衰減器 (0dB 衰減)，接 5dB，接 10dB 與兩個都接 (15dB 衰減)總共 4 種情況下測試 SNR 變化曲線

圖中顯示的是 LTE 頻段典型強度下，會造成的假信號。要注意的是此處只考慮都是純正弦波時的情況，現實中由於 LTE 信號是 OFDM 調變，含有非常多頻率，彼此的互調 (Intermodulation) 會導致產生的干擾信號像是底噪一樣填滿整個頻譜。
[工具連結](https://markimicrowave.com/technical-resources/tools/ip3-intermodulation-calculator/)

[圖片來源](https://www.researchgate.net/figure/Effect-of-intermodulation-distortion-in-the-adjacent-channel_fig6_338819249)
圖中展示在輸入的 LTE OFDM 信號有非線性失真時，會造成兩側「長胖」，導致臨近頻率的干擾，原本使用的 923.875MHz (Long Fast slot 16) 相較我們建議的 920.125MHz (Medium Fast slot 1) 距離 LTE B8 頻段下緣（大約在 929.5MHz 開始，直到 960MHz 都是 LTE B8 基地臺下行信號）近很多。因此受到的影響也會更明顯。

## 6. 結論
我們建議可以展開針對移動到 920.125MHz 的 Medium Fast 模式進行壓力測試，尋找願意實驗的節點來進行壓力測試（比如在地下室轉發大量 MQTT 測試頻道擁塞程度），或是在郊外進行不同頻段的 SNR 測試。而且因為使用的頻率與原先頻道並不同，不會造成互相影響的問題（當然如果節點放得太近也會互相干擾）。

另外上述論點都能在 Meshtastic 官方 Blog 中看到： <https://meshtastic.org/blog/why-your-mesh-should-switch-from-longfast/>
雖然臺灣整體節點密度沒國外高，但未來還是有很大的發展空間，因此日常碰上傳輸速度瓶頸也可能是遲早的事情。

## X. 參與測試
頻道設定連結 [這裡](https://meshtastic.org/e/#CgsSAQEoATABOgIIIAo3EiCKwOEes2kk-UZfcYEkFfqSO4rspA2nhnQzs5MOmdfk3hoGTWVzaFRXJQEAAAAoATABOgIIIAo7EiDLUdyJWCmXkfOHTkolR7-6ZZQfxeEbdSNHWu9kd9QcVRoKU2lnbmFsVGVzdCUCAAAAKAEwAToCCCAKOxIgy2jnf86fTpf_4AFAf-mCwbzRoxpCV0P90dqJo0-w_SYaCkVtZXJnZW5jeSElAwAAACgBMAE6AgggEhEIARAEOAhABkgBUBZYAcgGAQ)
QR Code:

要注意的是，在新的頻率上使用新設定，如果沒有其他人架設 MQTT 中轉是沒辦法互通的，不過要是越來越多人願意一起參與測試，這個情況應該會大幅改善。