Bezprzewodowe technologie ultraniskiego poboru mocy (ULP) (Część III).

Topologie sieciowe W ostatnich latach technologie bezprzewodowe niskiego poboru mocy znaczenie ewoluowały, w celu obsługi coraz bardziej złożonych topologii sieci. Obecnie mamy możliwość skorzystania z pięciu modeli sieci.

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

Broadcast: dane wysyłane są z nadajnika do dowolnego odbiornika znajdującego się w zasięgu transmisji. Kanał transmisji jest jednokierunkowy, bez możliwości potwierdzenia, że dane zostały odebrane. Peer-to-peer: dwa urządzenia nadawczo-odbiorcze są połączone bezpośrednio ze sobą. Oba wykorzystują transmisję dwukierunkową, dzięki czemu otrzymane wzajemnie dane mogą być potwierdzone. Star: centralne urządzenie nadawczo-odbiorcze komunikuje się dwukierunkowo pomiędzy peryferyjnymi urządzeniami nadawczo-odbiorczymi. Zewnętrzne urządzenia nadawczo-odbiorcze nie mogą komunikować się bezpośrednio ze sobą. Scanning: centralne urządzenie znajduje się w trybie skanowania - odbioru, czekając na odebranie sygnału z dowolnego urządzenia nadawczego znajdującego się w zasięgu transmisji. Komunikacja odbywa się tylko w jednym kierunku. Mesh: dane mogą być przekazywane z jednego punktu w sieci do dowolnego innego punktu w sieci, poprzez przekazywanie informacji kanałami dwukierunkowymi łączącymi wiele węzłów (zazwyczaj z wykorzystaniem węzłów z dodatkowymi funkcjami, takich jak koncentratory i switche). Rysunek 1. Topologie sieci bezprzewodowych przeznaczonych dla technologii niskiego poboru mocy W tabeli 1 zamieszczono informacje, którą topologię sieci obsługuje omówiona technologia bezprzewodowa. Tabela 1. Zestawienie topologii sieciowych z obsługiwanymi technologii bezprzewodowymi. (1 - dla węzłów nasłuchujących sygnałów, tryb pracy ciągłej musi być cały czas włączony; 2 - cały ruch sieciowy zostaje wstrzymany, co wpływa na bardzo wysokie zużycie energii). Parametry technologii ULP Zasięg Zasięg technologii bezprzewodowej w przybliżeniu jest proporcjonalny do mocy wyjściowej nadajnika i czułości odbiornika mierzonej w decybelach. W praktyce oblicza się tzw. budżet łącza (the “link budget”). Wyższa moc transmisji i większa czułość powodują wzrost zasięgu transmisji. Spowodowane jest to efektywną poprawą stosunku sygnału do szumu SNR (Signal-to-Noise Ratio). Stosunek sygnału do szumów jest miarą zdolności odbiornika do prawidłowego odbierania i dekodowania sygnału z szumu otoczenia. Przy progowym SNR, stopa błędu BER (Bit Error Rate) wykracza poza specyfikację transmisji co uniemożliwia poprawną komunikację. Przykładem jest odbiornik pracujący w technologii Bluetooth Low Energy, który posiada tolerancję maksymalnej wartości BER równą około 0,1%. Im mniejsza jest ta wartość tym lepiej dla transmisji. Po przekroczeniu pewnego poziomu sygnału, i BER=0 dalsza poprawa sygnału nie ma wpływu na jakość transmisji. Maksymalna dopuszczalna moc wyjściowa w nielicencjonowanym paśmie ISM 2,4 GHz jest ograniczona przepisami przez odpowiednie organy regulacyjne. Zasadniczo reguły są złożone, ale ogólnie określają, że szczytowa moc nadawania, mierzona na wejściu antenowym systemu przełączającego częstotliwość z mniej niż 75, ale z co najmniej 15 przeskokami częstotliwości, musi być ograniczona w piku do +21 dBm, jeżeli wzmocnienie anteny izotropowej jest większe niż 6 dBi. Pozwala to na uzyskanie maksymalnej zrównoważonej mocy promieniowania izotropowego EIRP (Effective Isotropical Radiated Power) o wartości +27 dBm. Oprócz tego, technologie bezprzewodowe małej mocy zawierają ograniczenia dotyczące mocy transmisji, tak aby znacząco wydłużyć żywotność baterii. Duża część energii jest oszczędzana przez ograniczenie czasu, w którym urządzenie jest w stanie nadawania lub odbioru. Producenci układów RF również oszczędzają pobór mocy, ograniczając maksymalną moc nadawania. Dla Bluetooth LE to typowo +4 dBm a czasami nawet +8 dBm , znacznie poniżej limitu +21 dBm określonego przez przepisy. Jednak moc transmisji i czułość nie są jedynymi czynnikami ograniczającymi zasięg urządzeń bezprzewodowych. Środowisko pracy (na przykład ograniczenia w postaci ścian, sufitów), materiał użytego laminatu, projekt płytki a nawet metoda kodowania odgrywają znaczącą rolę. Zasięg najczęściej podawany jest dla idealnych warunków otoczenia, niestety rzeczywista praca urządzeń często od nich odbiega, wpływając negatywnie na propagację sygnałów. Przykładem jest ludzkie ciało, które silnie tłumi sygnały o częstotliwości 2,4 GHz, co oznacza, że na przykład noszony na nadgarstku smartwatch może mieć problemy z transmisją do smartfona, który umieszczony jest w tylnej kieszeni spodni, nawet jeżeli odległość pomiędzy urządzeniami wynosi nie cały metr. Poniższa lista przedstawia typowy zasięg transmisji, której można oczekiwać od technologii o ultra-niskim poborze mocy w niezakłóconym środowisku z różnych źródeł radiowych lub optycznych: • NFC: 10cm • Szybki IrDA: 10cm • Nike +: 10m • ANT (+): 30m • 5 GHz Wi-Fi: 50m • ZigBee / RF4CE: 100m • Niska energia Bluetooth: 100m • 2,4 GHz Wi-Fi: 150m • Bluetooth LE z wykorzystaniem możliwości wersji Bluetooth 5: 200 do 400m - w zależności od bezpośredniej metody korekcji błędów FEC (Forward Error Correction). Przepustowość Transmisje za pomocą technologii bezprzewodowych małej mocy składają się z dwóch części: bitów tworzących protokół, na przykład: identyfikator pakietu i jego długość, kanał i suma kontrolna, określane jako overhead (nagłówek) i informacji, które są przekazywane, określane jako payload (dane właściwe). Przepustowość protokołu definiuje stosunek danych właściwych/nagłówka + dane właściwe. Rysunek 2. Pakiety technologii bezprzewodowej małej mocy na przykładzie Bluetooth Low Energy/Bluetooth 4.1 Przepustowość transmisji danych (nagłówek plus dane) jest miarą liczby bitów przesyłanych na sekundę i taką właśnie wartość możemy często spotkać w materiałach marketingowych. Jednak rzeczywista szybkość przesyłania danych zawsze będzie niższa, ograniczona z jednej strony jakością kanału transmisyjnego, a z drugiej sposobem działania danego standardu. Technologie bezprzewodowe małej mocy wymagają zazwyczaj okresowego przesyłania niewielkich ilości informacji pomiędzy węzłami czujników a urządzeniem centralnym. W ten sposób minimalizują zużycie energii ale tym samym ograniczają przepustowość transmisji. Poniższa lista porównuje przepustowość danych nieprzetworzonych i danych właściwych dla technologii omówionych w tym artykule. Należy pamiętać, że są to wartości maksymalne teoretyczne, a faktyczna przepustowość zależy od konfiguracji i warunków pracy: • Nike+: dane nieprzetworzone - 2 Mbit/s, dane właściwe 272 bit/s (przepustowość ograniczona jest do jednego pakietu) • ANT+: 20 Kb/s (w trybie burst - patrz poniżej), 10 Kb/s • NFC: 424 Kb/s, 106 Kb/s • ZigBee - 250 Kb/s (2,4 GHz), 200 Kb/s • RF4CE (taki sam jak ZigBee) • Bluetooth Low Energy - 1 Mbit/s, 305 Kb/ • Hi-Speed IrDA - 1 Gbit/s, 500 Kb/s • Bluetooth Low Energy z wysoką przepustowością Bluetooth 5: 2 Mbit/s, 1,4 Mbit/s • Wi-Fi: 11 Mb/s (tryb najniższej mocy 802.11b), 6 Mbit/s Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy DigiKey © DigiKey Część IV już wkrótce!