Bezprzewodowe technologie ultraniskiego poboru mocy (ULP) (Część IV)

Opóźnienie

Projektujesz elektronikę? Zarezerwuj 4 października 2018 r. na największą w Polsce konferencję dedykowaną projektantom, Evertiq Expo Kraków 2018. Przeszło 50 producentów i dystrybutorów komponentów do Twojej dyspozycji, ciekawe wykłady i świetna, twórcza atmosfera. Jesteś zaproszony, wstęp wolny: kliknij po szczegóły. © Evertiq

Opóźnienie systemu bezprzewodowego można zdefiniować jako czas który upłynął pomiędzy nadaniem sygnału a jego odebraniem. Chociaż zwykle jest to wartość rzędu milisekund, jest to ważny parametr dla aplikacji bezprzewodowych. Małe opóźnienie nie jest tak ważne dla aplikacji, która automatycznie pobiera dane z czujnika, na przykład raz na sekundę, ale może stać się ważne dla aplikacji konsumenckiej, takiej jak pilot zdalnego sterowania, kiedy ważne jest żeby użytkownik nie zauważył opóźnienia powstałego pomiędzy naciśnięciem przycisku a późniejszą operacją. Poniższa lista porównuje opóźnienia dla technologii omówionych w tym artykule. Należy pamiętać, że po raz kolejny są one zależne od konfiguracji i warunków pracy. • ANT: Pomijalnie małe • Wi-Fi: 1,5 milisekundy (ms) • Bluetooth Low Energy: 2,5 ms • ZigBee: 20 ms • IrDA: 25 ms • NFC: odpytywana zazwyczaj co sekundę (ale może być określona przez producenta produktu) • Nike+: 1 sekunda Niskie opóźnienia podane dla ANT i Wi-Fi wymagają ciągłego czuwania urządzenia odbiorczego, które przez to szybko zużywa baterię. Stosując czujniki o małym poborze mocy i zwiększając czas przesyłania komunikatów w ANT, można znacznie zwiększyć żywotność baterii, niestety kosztem większego opóźnienia. Niezawodność transmisji i współistnienie sieci Poprawne przesyłanie pakietów ma bezpośredni wpływ na żywotność baterii i odczucia użytkownika. Zasadniczo, jeśli istnieje problem z dostarczeniem pakietu danych ze względu na nieoptymalne warunki transmisji, takie jak: przypadkowe interferencje z pobliskich nadajników lub celowe zakłócanie częstotliwości, to urządzenie i tak będzie próbowało retransmitować dane, aż do momentu pomyślnego dostarczenia całego pakietu. Takie działanie skraca żywotności baterii. Ponadto, jeśli system bezprzewodowy jest ograniczony do jednego kanału transmisyjnego, to w zatłoczonym środowisku fal radiowych drastycznie pogorszy się niezawodność transmisji. Zdolność urządzenia nadawczo-odbiorczego do działania w obecności innych urządzeń radiowych określana jest jako współistnienie (coexistence). Zjawisko to jest szczególnie interesujące, w sytuacji gdy różne układy scalone RF działają w tym samym urządzeniu, tak jak: technologia Bluetooth Low Energy i Wi-Fi w smartfonie. Standardowym sposobem osiągnięcia współistnienia technologii Bluetooth i Wi-Fi jest zastosowanie poza pasmowego schematu transmisji OOB (Out-of-Band Signaling), wykorzystującego połączenia pomiędzy każdym układem scalonym i zarządzającego czasami, kiedy każde z nich może przesyłać lub odbierać dane. Możemy wyróżnić pasywne współistnienie, które odnosi się do mechanizmów unikania interferencji i aktywne, które odnosi się do metody chip-to-chip. Sprawdzonym sposobem wspomagania pasywnego współistnienia jest metoda zmiany kanałów. Technologia Bluetooth Low Energy wykorzystuje technikę FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), przeskakując pseudolosowo pomiędzy 37 kanałami danych, aby uniknąć interferencji. Tak zwane adaptacyjne zmienianie częstotliwości AFH (Adaptive Frequency Hopping) stosowane dla Bluetooth Low Energy umożliwia każdemu węzłowi mapowanie często przeciążonych kanałów, które następnie są pomijane w przyszłych transmisjach. Jest to skuteczny sposób na pomijanie stałych kanałów, z których korzystają inne standardy. Najnowsza wersja specyfikacji Bluetooth 5 wprowadziła udoskonalony algorytm sekwencjonowania kanałów (CSA #2), co znaczenie zwiększyło odporność na zakłócenia. ANT pozwala na użycie wielu częstotliwości RF, z których każda posiada szerokość 1 MHz. Po wybraniu jednej, cała komunikacja odbywa się na pojedynczej częstotliwości, a zmiana kanału następuje tylko wtedy, gdy wystąpi znaczny spadek transmisji na wybranej częstotliwości. Aby zminimalizować przeciążenie sieci, ANT stosuje technikę TDMA (Time Domain Multiple Access). Polega ona na podziale każdego pasma o częstotliwości 1 MHz na szczeliny czasowe o długości około 7 ms. Sparowane urządzenia na tym samym kanale komunikują się podczas tych szczelin czasowych, które powtarzają się zgodnie z komunikatem ANT (na przykład co 250 ms lub 4 Hz). W praktyce, dziesiątki, a nawet setki węzłów mogą być umieszczone w jednym paśmie częstotliwości 1 MHz, bez narażenia na zakłócenia. Kiedy zależy nam na dużej integralności danych, możliwe jest zastosowanie techniki przesyłania "burst". Metoda ta polega na jednoczesnej transmisji wielu wiadomości, przy czym potwierdzenie przesyłane jest dopiero po odebraniu pełnego pakietu. W ten sposób możliwe jest wykorzystanie pełnej dostępnej przepustowości łącza. Niektóre z dostępnych kanałów RF są zarezerwowane i regulowane przez ANT+ Alliance w celu utrzymania integralności sieci i interoperacyjności, na przykład 2.450 i 2.457 GHz. Stowarzyszenie radzi unikać tych kanałów podczas normalnej pracy. W przeciwieństwie do techniki FHSS wykorzystywanej w Bluetooth Low Energy i schematu TDMA w ANT, protokół ZigBee (i RF4CE) używa metody transmisji z widmem rozproszonym DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Podczas DSSS sygnał jest mieszany z pseudolosowym kodem w nadajniku, a następnie wyodrębniany w odbiorniku. Technika ta skutecznie poprawia stosunek sygnału do szumu poprzez rozłożenie transmitowanego sygnału w szerokim paśmie. Rysunek 3. Rozproszone widmo w metodzie DSSS dla sieci ZigBee. ZigBee PRO zawiera dodatkowy mechanizm Frequency Agility, którego zadaniem jest poprawa jakości transmisji i przepustowości sieci. Mechanizm ten pozwala sieci ZigBee na wykrywanie zakłóceń na bieżącym kanale częstotliwości, wykrywanie innych kanałów w całym paśmie ISM i w razie potrzeby przełączenie sieci na nowy kanał, który ma najmniejszy poziom interferencji. Wi-Fi używa jedenastu kanałów o szerokości 20 MHz w USA, czternastu w Japonii a trzynastu w większości pozostałych krajów. W związku z tym, w ramach szerokości 83 MHz dla pasma 2,45 GHz, jest wystarczająca przestrzeń tylko dla trzech nienakładających się kanałów Wi-Fi (1, 6 i 11). Są one zatem używane jako kanały podstawowe. W przypadku kiedy zakłócenia stanowią problem użytkownicy zmuszeni są sami ręcznie przełączać się na alternatywny kanał. W wybranym kanale, mechanizm unikania zakłóceń dla Wi-Fi jest złożony. Łączy w sobie mechanizm DSSS z modulacją OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). OFDM jest formą transmisji, która wykorzystuje wiele podnośnych znajdujących się w bliskiej odległości ale nie nachodzących na siebie. Ponieważ przesyłane sygnały są ortogonalnie, możliwość wzajemnej interferencji została znacznie ograniczona. Nowsza sieć Wi-Fi działająca na paśmie 5 GHz o szerokości 725 MHz, umożliwia przypisanie wielu różnych nienakładających się kanałów. Rezultatem są znacznie mniejsze zakłócenia w porównaniu z pasmem 2,4 GHz. Nowe pasmo stosuje również technologię aktywnego współistnienia oraz mechanizm zmniejszania szybkości transmisji danych, gdy wykryte zostaną zakłócenia. Wszechobecność sieci Wi-Fi wymusza na innych technologiach 2,4 GHz nowe techniki, które pozwalają uniknąć konfliktów z podstawowymi kanałami Wi-Fi (1, 6 i 11). Przykładem są, trzy kanały reklamowe (37, 38 i 39) wykorzystywane przez Bluetooth Low Energy, które znajdują się w przerwach pomiędzy podstawowymi kanałami Wi-Fi. Rysunek 4. Pozycjonowanie trzech kanałów Bluetooth Low Energy z dala od podstawowych kanałów Wi-Fi. Nike+ wykorzystuje zastrzeżoną częstotliwość dla autorskiego rozwiązania, która polega na przerzucaniu kanałów, gdy zakłócenia stają się uciążliwe. Jest to rzadko wykorzystywana technika, ponieważ technologia od Nike wykorzystuje minimalną szybkość transferu danych. IrDA nie wdraża żadnej formy technologii, która pozwala na współistnienie z innymi sieciami. Praca na krótkim dystansie, tak żeby urządzenia „widziały” siebie nawzajem, sprawia, że mało prawdopodobne jest, aby nawet działające jednocześnie urządzenia na podczerwień przeszkadzały sobie wzajemnie. Jedynym zakłóceniem, może być jasne światło, ze znaczącym składnikiem w postaci podczerwieni. NFC implementuje formę współistnienia, dzięki której czytnik wybiera specjalny znacznik NFC przypisany do określonej karty, z portfela zawierającego kilka kart NFC. Ze względu na krótki zasięg transmisji, interferencja między innymi urządzeniami NFC i/lub innymi urządzeniami radiowymi jest rzadkością. Warto jednak zauważyć, że pasmo 13,56 MHz posiada harmoniczne w zakresie modulacji częstotliwościowej (FM), które są szczególnie silne w 81,3 i 94,9 MHz. Te harmoniczne mogą potencjalnie powodować odgłosy klikania w odbiorniku FM. Efekty interferencji FM można zredukować poprzez zastosowanie specjalnych technik antykolizyjnych. Istnieje wiele popularnych bezprzewodowych technologii ultra-niskiego poboru mocy. Mimo, że każda z nich przeznaczona jest do pracy z wykorzystaniem baterii i zapewnia stosunkowo niewielki transfer danych, charakteryzują je różne zakresy, różna przepustowość i niezawodność oraz możliwości współistnienia. Parametry, choć w dużym stopniu pokrywają się wzajemnie, to znajdują szerokie zastosowanie w różnych aplikacjach. Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy DigiKey © DigiKey