Tester viser de ulike sidene av Sidewalk

Muligheten til å velge mellom tre forskjellige trådløse protokoller for å koble enheter til pålitelige og smarte skytjenester muliggjør mange nye applikasjoner. For å få mest mulig ut av de tilgjengelige alternativene, er det nødvendig med en dypere analyse av hvordan disse forskjellige trådløse protokollene fungerer og hvordan de kan brukes til en bestemt applikasjon.

Tre forskjellige RF-lag

I Amazon Sidewalk ligger et felles skykommunikasjonslag oppå et nettverkslag som fungerer med opptil tre forskjellige fysiske RF-lag (PHY-er) som støttes av broenheter, for eksempel smarthøyttaleren Echo eller videodørklokken Ring. IoT-enheter som er kompatible med Sidewalk inkluderer smarte husholdningsapparater, forbrukerenheter og bærbare enheter, samt sensornoder som brukes av forsyningsselskaper og andre organisasjoner for campus- og bygningsadministrasjon.

Samhandler med alle

Etter hvert som det Sidewalk-kompatible nettverket vokser, vokser også de nyttige applikasjonene. IoT-enheter er ikke begrenset til å samhandle bare med eierens gatewayer, men alle de som abonnerer på nettverket. Eiere av disse enhetene kan velge å dele en liten del av internettbåndbredden sin, som broen bruker til å levere trådløse tilkoblingstjenester til Sidewalk IoT-enheter. Denne driftsmodusen har enorm nytteverdi for enheter som for eksempel kjæledyrsporere. Uansett hvor langt en katt vandrer, er det stor sannsynlighet for at en Sidewalk-aktivert sporer i halsbåndet vil komme innenfor rekkevidden til en gateway et sted i nabolaget.

Bluetooth LE

Et annet sentralt element i Sidewalks geografiske dekning ligger i bruken av tre komplementære RF-protokoller som dekker ulike geografiske krav for å kunne koble seg til det bredere internett gjennom kompatible gatewayer. For lokalisert dekning med høyere datahastighet bruker Sidewalk Bluetooth Low Energy (BLE).

FSK

Det andre alternativet er et som bruker sub-gigahertz frequency shift keying (FSK) som sin PHY. Dette er den samme tilnærmingen som brukes av proprietære trådløse systemer, som inkluderer applikasjoner så varierte som trådløse dørklokker og sensorer som brukes til å overvåke jernbaneutstyr og rørledninger. Tester i et bymiljø har vist at denne PHY-en kan oppnå en rekkevidde på omtrent 160 m. Som en protokoll som støtter datahastigheter på opptil 50 kbit/s, egner FSK seg til applikasjoner som nivåsensorer for utendørsbassenger eller hagebelysning.

CSS

Den tredje utvider den potensielle rekkevidden enda lenger fra en vertsgateway. Basert på en chirp spread spectrum (CSS) PHY, kan en enkelt gateway i et urbant miljø kommunisere med enheter opptil en kilometer unna. Dette utvider Sidewalks muligheter til sektorer som kommersielt landbruk: Basert på sensordata kan bønder utlede bedre estimater for optimale mengder vanning, gjødsel og plantevernmidler for avlingene sine.

Ulike profiler, ulik bruk

Enhetsprodusenter kan fritt velge hvilke PHY-er de inkluderer i designet sitt. Hver av protokollene har sin egen energiforbruks- og latensprofil som vil påvirke andre designbeslutninger, for eksempel batterikapasitet. Det finnes også kommunikasjonsalternativer som bidrar til å forlenge batteriets levetid for enheter med høye begrensninger. For eksempel er BLE optimalisert for situasjoner der enheter vanligvis brukes innendørs. Den er svært fleksibel i hvordan den kan konfigureres når det gjelder strøm og latens.

Tidsbestemte vinduer

En vanlig teknikk som brukes for å administrere kommunikasjon er bruk av tidsbestemte vinduer. For eksempel kan en gateway kringkaste initiativtakermeldinger for å etablere kommunikasjon og deretter vente i en avtalt periode på eventuelle svar. Vanligvis, med protokoller som BLE og FSK-basert Sidewalk, bestemmer en tidsavbruddsperiode om gatewayen vil holde forbindelsen i live eller behandle enheten som om den har forlatt området eller er stengt ned i en lengre periode.

Sende – eller ikke sende

Å holde seg tilkoblet ved å sende bekreftelsespakker, selv om de ikke inneholder applikasjonsdata, vil vanligvis redusere responstidene, spesielt for meldinger sendt fra skyen. Hvis enhetene tillater at en tilkobling utløper, må klientenheten gjenopprette tilkoblingen når den har data å sende eller trenger å gi et svar. Resultatet er høyere responsforsinkelse. Ved å la enheter koble fra i lengre perioder kan de imidlertid bevare batterilevetiden, noe som kan være en stor fordel hvis det kan gå minutter eller mer mellom sensoroppdateringer.

CSS med ulike modus

CSS fungerer på en subtilt annerledes måte enn FSK. Kjerneprotokollen er fundamentalt asynkron, som betyr at en enhet som standard ikke opprettholder en vedvarende logisk forbindelse med gatewayen. Sidewalk implementerer imidlertid en modus som ligner på den vedvarende tilkoblingsoppførselen til FSK. Standard strømprofil åpner et begrenset antall lyttevinduer hvert femte sekund når enheten starter kommunikasjon. Når det siste vinduet er passert, sender gatewayen ingen flere meldinger før enheten kobler seg til igjen, hvor den må synkronisere på nytt med gatewayens overføringssyklus. En andre Sidewalk-modus bruker «keepalive»-pakker for å opprettholde en konstant kjede av lyttevinduer der enheten ikke har data å sende. Denne andre modusen muliggjør raskere kommunikasjon med skyen der det er lange mellomrom mellom meldinger. Men dette kommer på bekostning av høyere energiforbruk.

Tilgjengelighet

Disse modusene innebærer ulike nivåer av mulighet for å nå enheten. Hvis applikasjonen krever at enheter kontaktes raskt fra skyen, vil energiforbruket være høyere. Denne typen operasjon er avhengig av at enhetens kjerneprosessor og RF-undersystem våkner med jevne mellomrom for å bekrefte at den fortsatt er til stede på nettverket, selv om den ikke har noen data å sende. Hvis enheten kan sove i lange perioder, kanskje målt i minutter før den prøver å kontakte en gateway som er innenfor rekkevidde, kan energiforbruket lett være mye lavere. Med Sidewalk-modusene vil imidlertid gjenopprettelse av kontakt ta lengre tid og øke kommunikasjonsforsinkelsen.

Testene

For å utforske hvordan de ulike Sidewalk RF-modusene fungerer, utførte Silicon Labs omfattende tester for å måle effekten på energiforbruk, latens og effektiv kommunikasjonsrekkevidde.

Utførelsen

I hvert tilfelle involverte eksperimentet at enheten sendte 19-byte pakker, analogt med sensoravlesninger, i en relativt enkel ping-pong-transaksjon med servere i skyen. Dette designet bidro til å sikre at energiresultatene ville bli dominert av lokalt RF-forbruk. For å sikre en nøyaktig vurdering av rekkevidden utførte Silicon Labs-ingeniører testene i et urbant miljø med bare én langtrekkende FSK- eller CSS-gateway i bruk om gangen. For å sikre at resultatene ikke var avvikende ved testing av latens, ble gjennomsnittet av eksperimentene beregnet på tvers av økter som involverte utveksling av minst 500 meldinger.

Strømforbruk

Silicon Labs’ eksperimenter viste at den lengre rekkevidden som CSS muliggjør fører til høyere gjennomsnittlig strømforbruk. Dette forbruket øker naturlig med sendefrekvensen. Eksperimentene viste at strømforbruket når et minimum på rundt 200 µA. FSK reduserte det gjennomsnittlige strømforbruket til bare 44 µA på testmaskinvaren. BLE lå i midten på rundt 100 µA.

Sparing

Der hvor tilgjengelighet er mindre viktig og enheten kan koble seg fra nettverket etter hver meldingsutveksling, kan gjennomsnittsstrømmen falle til bare 1 µA, forutsatt svært uregelmessig kontakt fra enheten til gatewayen. I disse målingene gikk enheten i dyp hvilemodus noen minutter etter overføring i eksperimentene.

Forsinkelse

Tur-retur-forsinkelsen til og fra skyen kan variere mye. Hvis lav forsinkelse er en viktig del av applikasjonen, gir BLE den beste ytelsen. I testene var den i gjennomsnitt litt under et halvt sekund. Bruken av tidsvinduer i de to andre protokollene fører generelt til høyere gjennomsnittlig forsinkelse når meldinger må sendes fra skyen til en enhet. Tur-retur-responsforsinkelsen er i størrelsesorden 5 sekunder for CSS og 8 sekunder for FSK. Potensielt kan tur-retur-tiden være i størrelsesorden 20 sekunder hvis det tar lang tid å finne et passende lyttevindu. Det er imidlertid viktig å huske på at opplinkmeldinger fra enhet til skyen opplever langt lavere forsinkelser i gjennomsnitt. Og Sidewalk ble optimalisert for applikasjoner der opplinkmeldinger dominerer.

Rekkevidde

Eksperimentene viste at FSK gir den mest balanserte blandingen av energibehov, latens og rekkevidde. CSS er imidlertid fortsatt det foretrukne alternativet der applikasjoner trenger langdistansetilgang fra nærmeste gateway, for eksempel i landlige omgivelser. En kjæledyrsporer kan stole på FSK for lang batterilevetid og lav vekt. Men CSS A kan vise seg å være et bedre alternativ for å spore husdyr på en gård. På samme måte vil et landbruksvanningssystem sannsynligvis dra nytte av å bruke CSS, muligens kombinert med FSK for å maksimere dekningen, mens en hagesprinkler kan bruke FSK utelukkende på grunn av sin høye energieffektivitet.

Viktig å forstå

Denne studien demonstrerer nytten av Amazon Sidewalk i dens ulike driftsmoduser. Resultatene av slike tester understreker også viktigheten av å samarbeide med leverandører av IoT-teknologi som har tatt seg tid til å forstå konsekvensene av disse ulike modusene, og som er klare til å hjelpe i hvert trinn av utvikling, integrasjon og tidlig utrulling.

Amazons egen beskrivelse av Sidewalk finner du her: 

https://www.aboutamazon.com/news/devices/everything-you-need-to-know-about-amazon-sidewalk