Velg riktig trådløs teknologi - 1

Det er mange forskjellige trådløse standarder og protokoller i bruk i dag, og det kan være vanskelig å velge riktig teknologi for en bestemt applikasjon. I denne artikkelen vil vi se på noen av nøkkelkriteriene som bør vurderes, og gjennomgå fire populære alternativer: Wi-Fi-teknologi, Bluetooth Low Energy-teknologi, proprietær RF og Green Power-protokollen fra Connectivity Standards Alliance.

Hensyn og trade-offs

Det er mange forskjellige hensyn å ta i betraktning når du skal velge en trådløs teknologi. Disse er ofte avhengige av hverandre, fordi det er nedarvede trade-offs involvert. Siden de fleste av teknologiene er standardbaserte og designet for spesielle applikasjoner og økosystemer, er mange heldigvis mange trade-offs allerede optimalisert for spesielle brukstilfeller og interoperabilitet.

Standard vs. proprietær

I det motsatte tilfellet, med en proprietær protokoll, er hovedfordelen at du kan optimalisere den trådløse protokollen ytterligere siden interoperabilitet med et eksternt økosystem ikke er nødvendig. Protokolloverhead og tid på lufta kan minimeres til de spesifikke kravene til applikasjonen. Proprietær teknologi gir størst fleksibilitet og er normalt den rimeligste og mest effektgjerrige løsningen tilgjengelig.

I neste avsnitt vil vi ta for oss hvert enkelt hensyn og diskutere gjensidige avhengigheter mellom de andre.

Frekvensspektrum – GHz

Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) og Zigbee (IEEE 802.15.4) bruker ulisensiert spektrum i 2,4 GHz-båndet. 2,4 GHz er et verdensomspennende ulisensiert bånd som, sammen med utbredelsen av mobiltelefoner med integrert Wi-Fi og Bluetooth LE, i hovedsak har standardisert bruken av 2,4 GHz.

I tillegg til 2,4 GHz, bruker nyere generasjons Wi-Fi også 5 GHz for å redusere overbelastning og gi mer båndbredde. FCC i USA har nylig åpnet opp et annet bånd nær 6 GHz med enda mer båndbredde. Andre regioner rundt om i verden følger etter, og 6 GHz vil sannsynligvis bli en global standard.

Sub-GHz

Det er regionale Sub GHz-bånd tilgjengelig for ulisensiert bruk, men det fins dessverre ikke en global frekvensstandard. Vanlige frekvenser er 433 MHz i flere land, 915 MHz i USA og 868 MHz i Europa. Som et resultat må løsningsleverandører ha separate regionale SKU-er. Dette er den primære ulempen med Sub GHz. Imidlertid støtter mange radiobrikkeleverandører, som onsemi, et vanlig maskinvaredesign med mindre stykklisteendringer for de forskjellige regionene, så forskjellene er ofte minimale.

Som et kort sidenotat støtter Zigbee-teknologien også drift i Sub GHz-bånd, men 2,4 GHz er mer utbredt i dag. Hovedunntaket er Storbritannia, der Zigbee Sub-GHz brukes til smartmålere.

Lisensiert spektrum

Bruken av lisensiert spektrum er også vanlig, men normalt bare for kritiske eller storskala distribusjoner. Noen eksempler inkluderer satellittnettverk og smartmålernettverk. Kommersielle nødetater bruker også lisensierte band. Hoveddriveren for lisensiert spektrumbruk er pålitelighet og beskyttelse mot forstyrrelser. Mobiltelefoner bruker også lisensiert spektrum av samme grunn.

Rekkevidde

Kommunikasjonsavstand er et komplisert emne, avhengig av en rekke parametere og fysiske egenskaper som går utenfor omfanget av denne artikkelen. Imidlertid avhenger kommunikasjonsrekkevidden, på et høyt nivå, av følgende parametere:

• Fysiske overføringsegenskaper til miljøet (kommunikasjonskanal)
• Utgangseffekten til sendernoden
• Mottakerens evne til å plukke opp ekstremt små signaler i forhold til dens støygulv (dvs. følsomhet)
• Tilstedeværelse av forstyrrende signaler og mottakerens evne til å motta det blokkerte signalet
• Retningen til antennen
• Protokollen til den aktuelle teknologien
• Forstå parametrene

Wi-Fi, Bluetooth LE og Zigbee/802.15.4 har allerede de respektive protokollenes fysiske egenskaper innstilt for tiltenkt bruk. Men å forstå sendereffekt, miljøparametere og hvordan de påvirker det trådløse signalet, antenneparametere og mottakerens følsomhet og dens robusthet overfor forstyrrende faktorer er fortsatt systemdesignernes ansvar.

Frekvens og effekt

Rekkevidden er omvendt proporsjonalt med frekvensbåndet. En omtrentlig tommelfingerregel er at når frekvensen dobles, halveres rekkevidden. Å øke utgangseffekten kan bidra til å utvide rekkevidden, men til slutt blir dette upraktisk. I bunn og grunn er det en grense for hvor mye det vil hjelpe å øke utgangseffekten.

Datahastighet

En annen parameter som begrenser rekkevidden er datahastighet. Ettersom du prøver å sende data med høyere og høyere datahastigheter, blir det vanskeligere å motta. En enkel måte å tenke på dette er når du prøver å fortelle noen noe mens du snakker raskt. Hvis de ikke forstår deg, vil det ikke hjelpe lytteren å snakke høyere. Dette er det grunnleggende premisset bak informasjons- teori i kommunikasjon.

MIMO

Ettersom frekvenser og datahastigheter øker, må protokollene implementere noe som kalles Multiple Input and Multiple Output, eller MIMO. På et grunnleggende nivå er dette bare å dele informasjonen i parallelle meldinger som lar mer informasjon overføres per tidsenhet. Med andre ord, ved å sende parallelle datastrømmer kan flere data sendes samtidig, noe som effektivt øker datahastigheten uten å redusere rekkevidden.

Parallelle kanaler

MIMO-ordenen er antall parallelle kanaler. For eksempel betyr en 4x4 MIMO at det er fire sendere og fire mottakere. Denne avveiningen mellom datahastighet og avstand er en av de store grunnene til at 5G-utplasseringer krever så mange flere tårn. 5G-hastighetene er mye høyere enn 4G, og det kreves flere basestasjoner med MIMO for å fullføre nettverket og gi ytelsesnivået som kreves.

Regulatoriske begrensninger

Proprietære protokollspesifikasjoner er begrenset av de regulatoriske grensene satt av myndighetenes juridiske restriksjoner for det valgte båndet. For eksempel, i EU 868 MHz-båndet, er utgangseffekten begrenset til +14 dBm. Det er mange justerbare protokollparametere som:

• Lengde på ingress og treningssekvenser som brukes til å trene mottakeren til å låse på det innkommende signalet
• Data- og protokoll nyttelaster
• Type modulasjon som anvendes
• Båndbredde og datahastighet
• Koding og feilkorrigering

Denne listen er ikke uttømmende, men omfatter noen av parameterne involvert i design av en proprietær protokoll. Grunnet all finjusteringen som er mulig, er proprietært den beste måten å minimalisere strømforbruket, ettersom alle parameterne er justerbare.

Nettverkstopologi

To mesh or not to mesh, that is the question. Dette eldgamle utsagnet fremkaller sterke meninger hos mange ingeniører. Det er noen uunngåelige realiteter knyttet til mesh-nettverk som må vurderes før man bestemmer seg. For øyeblikket, la oss vurdere utelukkende Bluetooth LE og Zigbee-teknologier, som begge har mesh-funksjoner.

BLE mesh

Bluetooth LE er per definisjon et punkt-til-punkt-nettverk med kort rekkevidde, og det er slik det vanligvis brukes. I løpet av de siste årene har imidlertid Bluetooth SIG definert en mesh-protokoll, og denne vinner frem i smartbelysnings-industrien. Den er populær delvis på grunnet bekvemmeligheten forbundet med å kunne kommunisere direkte med en mobiltelefon og de fleste gatewayer.

Latens

Imidlertid bør mesh-nettverk bare brukes når fordelene deres er nødvendige for et bestemt brukstilfelle. For eksempel, i en fabrikk- eller industriell setting, er et mesh-nettverk svært ønskelig fordi flere noder er koblet til hverandre og fordelene med økt pålitelighet og mangel på et enkelt feilpunkt er et krav. Selv om dette er et stort fortrinn, kommer det på bekostning av strømforbruket, ettersom ruternoder må ha strøm hele tiden. En annen kostnad er forsinkelse, eller latens. Siden meldinger går gjennom flere noder, noen ganger referert til som hopp, kan forsinkelsen øke. I en applikasjon som krever sanntidsdata, kan dette bli et problem.

Øker rekkevidden

En annen, mindre åpenbar fordel med meshing er at det øker rekkevidden til et nettverk. Siden rekkevidden ikke lenger er begrenset av en punkt-til-punkt-tilkobling (P2P), kan nettet skaleres opp til mye større avstander enn en enkelt P2P-tilkobling ville fungere for. Kostnaden er igjen forsinkelsen, men i tillegg krever hver ruternode programvare som er mer komplisert, og større minner for å lagre ikke bare stakken, men også rutingtabellen til nettverket, noe som øker kostnadene.

Stjerne mer økonomisk?

Der det er mulig, er et stjernenettverk (punkt til multipunkt) vanligvis det mest økonomiske. Et Sub GHz-stjernenettverk har lengre rekkevidde og kan ofte være en mer økonomisk løsning sammenlignet med et meshnettverk med kort rekkevidde. Kostnaden er imidlertid noe tap av robusthet siden det bare er én rutingvei fra en endenode til koordinatoren.

Wi-Fi igjen

For å bringe Wi-Fi tilbake til diskusjonen: Wi-Fi er litt annerledes fordi det har høye hastigheter og god rekkevidde, men er tradisjonelt et stjernenettverk (P2P). Noe av grunnen til lengre rekkevidde er fordi sendekraften til Wi-Fi-nettverk vanligvis er rundt +30 dBm (1 Watt), så rekkevidden er lengre. En typisk Bluetooth LE- eller Zigbee-radio sender mellom 0 og +8 dBm, noen ganger opptil +20 dBm, men dette er mindre vanlig, bortsett fra gatewayer. Uten mesh er Bluetooth LE vanligvis begrenset til rundt 10 meter, mens Zigbee-teknologien er begrenset til rundt 100 meter.

5 og 6 GHz Wi-Fi

Det er også verdt å nevne at utvidelsen med 5 GHz- og 6 GHz-bånd til Wi-Fi gir redusert rekkevidde. For å fortsette å tilby god tjenestekvalitet, tilføres mesh-nettverksteknologi til Wi-Fi for å motvirke denne effekten. Wi-Fi mesh-sertifiseringsprogrammet, kalt EasyMesh™, garanterer at Wi-Fi-noder og kontrollere fra forskjellige leverandører kan fungere sammen og koordinere seg for å opprettholde enhetlig og effektiv dekning.

Konklusjon

Denne artikkelen har introdusert noen hensyn som ingeniører må vurdere når de designer et trådløst system, inkludert frekvensspektrum, kommunikasjonsrekkevidde, nettverkstopologi og ytelsesavveininger. Som med de fleste systemer, er ytelsesavveiningene ofte avhengige av hverandre.

Del to av denne artikkelserien vil utforske andre hensyn for å velge riktig trådløs teknologi for designet ditt, inkludert strømforbruk, sameksistens og sikkerhet. Del 2 kan du lese her.