reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© tugores34_dreamstime.com Technologie | 20 listopada 2017

Bezprzewodowe technologie ultraniskiego poboru mocy (ULP) (Cz臋艣膰 III).

Om贸wienie zalet Bluetooth Low Energy (BLE), ANT, ZigBee, RF4CE, NFC, Nike+ i Wi-Fi a tak偶e technologii podczerwieni, kt贸ra promowana jest przez Infrared Data Association (IrDA). Cz臋艣膰 III.
Topologie sieciowe

W ostatnich latach technologie bezprzewodowe niskiego poboru mocy znaczenie ewoluowa艂y, w celu obs艂ugi coraz bardziej z艂o偶onych topologii sieci. Obecnie mamy mo偶liwo艣膰 skorzystania z pi臋ciu modeli sieci.

Projektujesz elektronik臋? Zarezerwuj 4 pa藕dziernika 2018 r. na najwi臋ksz膮 w Polsce konferencj臋 dedykowan膮 projektantom, Evertiq Expo Krak贸w 2018. Przesz艂o 50 producent贸w i dystrybutor贸w komponent贸w do Twojej dyspozycji, ciekawe wyk艂ady i 艣wietna, tw贸rcza atmosfera. Jeste艣 zaproszony, wst臋p wolny: kliknij po szczeg贸艂y.

漏 Evertiq
Broadcast: dane wysy艂ane s膮 z nadajnika do dowolnego odbiornika znajduj膮cego si臋 w zasi臋gu transmisji. Kana艂 transmisji jest jednokierunkowy, bez mo偶liwo艣ci potwierdzenia, 偶e dane zosta艂y odebrane.

Peer-to-peer: dwa urz膮dzenia nadawczo-odbiorcze s膮 po艂膮czone bezpo艣rednio ze sob膮. Oba wykorzystuj膮 transmisj臋 dwukierunkow膮, dzi臋ki czemu otrzymane wzajemnie dane mog膮 by膰 potwierdzone.

Star: centralne urz膮dzenie nadawczo-odbiorcze komunikuje si臋 dwukierunkowo pomi臋dzy peryferyjnymi urz膮dzeniami nadawczo-odbiorczymi. Zewn臋trzne urz膮dzenia nadawczo-odbiorcze nie mog膮 komunikowa膰 si臋 bezpo艣rednio ze sob膮.

Scanning: centralne urz膮dzenie znajduje si臋 w trybie skanowania - odbioru, czekaj膮c na odebranie sygna艂u z dowolnego urz膮dzenia nadawczego znajduj膮cego si臋 w zasi臋gu transmisji. Komunikacja odbywa si臋 tylko w jednym kierunku.

Mesh: dane mog膮 by膰 przekazywane z jednego punktu w sieci do dowolnego innego punktu w sieci, poprzez przekazywanie informacji kana艂ami dwukierunkowymi 艂膮cz膮cymi wiele w臋z艂贸w (zazwyczaj z wykorzystaniem w臋z艂贸w z dodatkowymi funkcjami, takich jak koncentratory i switche).


Rysunek 1. Topologie sieci bezprzewodowych przeznaczonych dla technologii niskiego poboru mocy



W tabeli 1 zamieszczono informacje, kt贸r膮 topologi臋 sieci obs艂uguje om贸wiona technologia bezprzewodowa.


Tabela 1. Zestawienie topologii sieciowych z obs艂ugiwanymi technologii bezprzewodowymi. (1 - dla w臋z艂贸w nas艂uchuj膮cych sygna艂贸w, tryb pracy ci膮g艂ej musi by膰 ca艂y czas w艂膮czony; 2 - ca艂y ruch sieciowy zostaje wstrzymany, co wp艂ywa na bardzo wysokie zu偶ycie energii).

Parametry technologii ULP

Zasi臋g

Zasi臋g technologii bezprzewodowej w przybli偶eniu jest proporcjonalny do mocy wyj艣ciowej nadajnika i czu艂o艣ci odbiornika mierzonej w decybelach. W praktyce oblicza si臋 tzw. bud偶et 艂膮cza (the “link budget”). Wy偶sza moc transmisji i wi臋ksza czu艂o艣膰 powoduj膮 wzrost zasi臋gu transmisji. Spowodowane jest to efektywn膮 popraw膮 stosunku sygna艂u do szumu SNR (Signal-to-Noise Ratio). Stosunek sygna艂u do szum贸w jest miar膮 zdolno艣ci odbiornika do prawid艂owego odbierania i dekodowania sygna艂u z szumu otoczenia. Przy progowym SNR, stopa b艂臋du BER (Bit Error Rate) wykracza poza specyfikacj臋 transmisji co uniemo偶liwia poprawn膮 komunikacj臋. Przyk艂adem jest odbiornik pracuj膮cy w technologii Bluetooth Low Energy, kt贸ry posiada tolerancj臋 maksymalnej warto艣ci BER r贸wn膮 oko艂o 0,1%. Im mniejsza jest ta warto艣膰 tym lepiej dla transmisji. Po przekroczeniu pewnego poziomu sygna艂u, i BER=0 dalsza poprawa sygna艂u nie ma wp艂ywu na jako艣膰 transmisji.

Maksymalna dopuszczalna moc wyj艣ciowa w nielicencjonowanym pa艣mie ISM 2,4 GHz jest ograniczona przepisami przez odpowiednie organy regulacyjne. Zasadniczo regu艂y s膮 z艂o偶one, ale og贸lnie okre艣laj膮, 偶e szczytowa moc nadawania, mierzona na wej艣ciu antenowym systemu prze艂膮czaj膮cego cz臋stotliwo艣膰 z mniej ni偶 75, ale z co najmniej 15 przeskokami cz臋stotliwo艣ci, musi by膰 ograniczona w piku do +21 dBm, je偶eli wzmocnienie anteny izotropowej jest wi臋ksze ni偶 6 dBi. Pozwala to na uzyskanie maksymalnej zr贸wnowa偶onej mocy promieniowania izotropowego EIRP (Effective Isotropical Radiated Power) o warto艣ci +27 dBm. Opr贸cz tego, technologie bezprzewodowe ma艂ej mocy zawieraj膮 ograniczenia dotycz膮ce mocy transmisji, tak aby znacz膮co wyd艂u偶y膰 偶ywotno艣膰 baterii. Du偶a cz臋艣膰 energii jest oszcz臋dzana przez ograniczenie czasu, w kt贸rym urz膮dzenie jest w stanie nadawania lub odbioru. Producenci uk艂ad贸w RF r贸wnie偶 oszcz臋dzaj膮 pob贸r mocy, ograniczaj膮c maksymaln膮 moc nadawania. Dla Bluetooth LE to typowo +4 dBm a czasami nawet +8 dBm , znacznie poni偶ej limitu +21 dBm okre艣lonego przez przepisy.

Jednak moc transmisji i czu艂o艣膰 nie s膮 jedynymi czynnikami ograniczaj膮cymi zasi臋g urz膮dze艅 bezprzewodowych. 艢rodowisko pracy (na przyk艂ad ograniczenia w postaci 艣cian, sufit贸w), materia艂 u偶ytego laminatu, projekt p艂ytki a nawet metoda kodowania odgrywaj膮 znacz膮c膮 rol臋. Zasi臋g najcz臋艣ciej podawany jest dla idealnych warunk贸w otoczenia, niestety rzeczywista praca urz膮dze艅 cz臋sto od nich odbiega, wp艂ywaj膮c negatywnie na propagacj臋 sygna艂贸w. Przyk艂adem jest ludzkie cia艂o, kt贸re silnie t艂umi sygna艂y o cz臋stotliwo艣ci 2,4 GHz, co oznacza, 偶e na przyk艂ad noszony na nadgarstku smartwatch mo偶e mie膰 problemy z transmisj膮 do smartfona, kt贸ry umieszczony jest w tylnej kieszeni spodni, nawet je偶eli odleg艂o艣膰 pomi臋dzy urz膮dzeniami wynosi nie ca艂y metr.

Poni偶sza lista przedstawia typowy zasi臋g transmisji, kt贸rej mo偶na oczekiwa膰 od technologii o ultra-niskim poborze mocy w niezak艂贸conym 艣rodowisku z r贸偶nych 藕r贸de艂 radiowych lub optycznych:

鈥 NFC: 10cm
鈥 Szybki IrDA: 10cm
鈥 Nike +: 10m
鈥 ANT (+): 30m
鈥 5 GHz Wi-Fi: 50m
鈥 ZigBee / RF4CE: 100m
鈥 Niska energia Bluetooth: 100m
鈥 2,4 GHz Wi-Fi: 150m
鈥 Bluetooth LE z wykorzystaniem mo偶liwo艣ci wersji Bluetooth 5: 200 do 400m - w zale偶no艣ci od bezpo艣redniej metody korekcji b艂臋d贸w FEC (Forward Error Correction).

Przepustowo艣膰

Transmisje za pomoc膮 technologii bezprzewodowych ma艂ej mocy sk艂adaj膮 si臋 z dw贸ch cz臋艣ci: bit贸w tworz膮cych protok贸艂, na przyk艂ad: identyfikator pakietu i jego d艂ugo艣膰, kana艂 i suma kontrolna, okre艣lane jako overhead (nag艂贸wek) i informacji, kt贸re s膮 przekazywane, okre艣lane jako payload (dane w艂a艣ciwe). Przepustowo艣膰 protoko艂u definiuje stosunek danych w艂a艣ciwych/nag艂贸wka + dane w艂a艣ciwe.


Rysunek 2. Pakiety technologii bezprzewodowej ma艂ej mocy na przyk艂adzie Bluetooth Low Energy/Bluetooth 4.1


Przepustowo艣膰 transmisji danych (nag艂贸wek plus dane) jest miar膮 liczby bit贸w przesy艂anych na sekund臋 i tak膮 w艂a艣nie warto艣膰 mo偶emy cz臋sto spotka膰 w materia艂ach marketingowych. Jednak rzeczywista szybko艣膰 przesy艂ania danych zawsze b臋dzie ni偶sza, ograniczona z jednej strony jako艣ci膮 kana艂u transmisyjnego, a z drugiej sposobem dzia艂ania danego standardu. Technologie bezprzewodowe ma艂ej mocy wymagaj膮 zazwyczaj okresowego przesy艂ania niewielkich ilo艣ci informacji pomi臋dzy w臋z艂ami czujnik贸w a urz膮dzeniem centralnym. W ten spos贸b minimalizuj膮 zu偶ycie energii ale tym samym ograniczaj膮 przepustowo艣膰 transmisji.
Poni偶sza lista por贸wnuje przepustowo艣膰 danych nieprzetworzonych i danych w艂a艣ciwych dla technologii om贸wionych w tym artykule. Nale偶y pami臋ta膰, 偶e s膮 to warto艣ci maksymalne teoretyczne, a faktyczna przepustowo艣膰 zale偶y od konfiguracji i warunk贸w pracy:

鈥 Nike+: dane nieprzetworzone - 2 Mbit/s, dane w艂a艣ciwe 272 bit/s (przepustowo艣膰 ograniczona jest do jednego pakietu)
鈥 ANT+: 20 Kb/s (w trybie burst - patrz poni偶ej), 10 Kb/s
鈥 NFC: 424 Kb/s, 106 Kb/s
鈥 ZigBee - 250 Kb/s (2,4 GHz), 200 Kb/s
鈥 RF4CE (taki sam jak ZigBee)
鈥 Bluetooth Low Energy - 1 Mbit/s, 305 Kb/
鈥 Hi-Speed IrDA - 1 Gbit/s, 500 Kb/s
鈥 Bluetooth Low Energy z wysok膮 przepustowo艣ci膮 Bluetooth 5: 2 Mbit/s, 1,4 Mbit/s
鈥 Wi-Fi: 11 Mb/s (tryb najni偶szej mocy 802.11b), 6 Mbit/s

Artyku艂 opublikowano dzi臋ki uprzejmo艣ci firmy DigiKey

漏 DigiKey

Cz臋艣膰 IV ju偶 wkr贸tce!
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
January 17 2019 14:20 V11.11.0-1