Jämförelse av trådlös lågeffektteknik (del 1)

Anmärkning: Del 1 av den här serien i tre delar beskriver de stora trådlösa lågeffektsalternativen som är tillgängliga för designers. Del 2 tar upp designgrunderna i varje teknik, som chiptillgänglighet, protokollstackar, tillämpningsprogramvara, designerverktyg, antennkrav och effektförbrukning/batteritid. Del 3 i serien tar upp nuvarande och framtida utveckling designad att möta IoT-utmaningarna för varje teknik. Här ges även en introduktion till några nyare gränssnitt och protokoll, till exempel Wi-Fi HaLow och Thread.

Utvecklingen har under de senaste åren i stor utsträckning fokuserat på anslutningsbarheten för Internet of Things (sakernas internet – IoT) där sensorer samlar in och kommunicerar signaler och data. Exemplen på slutprodukter är varierande – från smartphone, bärbar teknik för hälsa och träning (figur 1) och hemautomation till smart mätning och industristyrning. Alla har designbegränsningar som ultralåg effektförbrukning, låg kostnad och liten fysisk storlek.

Den här funktionen diskuterar och kontrasterar huvudalternativen för trådlös lågeffektteknik. Här diskuteras grunderna i varje teknik och dess viktiga driftattribut, som frekvensband, stöd för nätverkstopologi, genomströmning, räckvidd och samexistens. Exempel på lösningar ingår.

Figur 1: Bärbar teknik är en huvudmarknadsektor för trådlös lågeffektteknik. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Kompromisser för lågeffektsalternativ

Ingenjörer har nu många alternativ när det gäller trådlös lågeffektteknik, till exempel RF-baserad teknik som lågenergi-Bluetooth (BLE), ANT, ZigBee, RF4CE, NFC, Nike+ och Wi-Fi, plus IR-alternativ som företräds av Infrared Data Association (IrDA).

Men det här breda utbudet gör urvalsprocessen svårare. Varje teknik har kompromisser för effektförbrukning, bandbredd och räckvidd. Vissa är baserade på öppna standarder medan andra är ägda. För att göra det ännu mer komplicerat fortsätter det att växa fram nya trådlösa gränssnitt och protokoll för att hantera IoT-behoven. En sådan teknik är lågenergi-Bluetooth

Introduktion till lågenergi-Bluetooth (BLE)

BLE började som ett projekt i Nokias forskningscenter under namnet Wibree. Tekniken antogs 2007 av Bluetooth Special Interest Group (SIG), som introducerade tekniken som en form av Bluetooth med ultralåg effektförbrukning i samband med lanseringen av version 4.0 (v4.0) 2010.

Tekniken utvidgade Bluetooth-ekosystemet till tillämpningar med liten batterikapacitet, till exempel bärbar teknik. Med strömmedelvärde i mikroampere i måltillämpningar kompletterar den ”klassiska” Bluetooth, populärt i smartphone, headset och trådlösa skrivbord.

Tekniken fungerar 2.4 GHz ISM-bandet (Industrial, Scientific, and Medical) och passar för överföring av data från kompakta trådlösa sensorer eller annan kringutrustning där fullständigt asynkron kommunikation kan användas. De här enheterna skickar låga datavolymer (dvs. få byte) sällan. Deras driftcykel tenderar att gå från några få gånger per sekund till en gång i minuten, eller längre.

Från Bluetooth v4.0 definierar Bluetooth Core Specification två typer av chip: BLE-chippat och Bluetooth-chippet med en modifierad stack och det fysiska lagret (PHY) med grundläggande hastighet (BR)/förstärkt datahastighet (EDR) för tidigare versioner, kombinerat med lågenergi (LE) PHY (”BR/EDR + LE”) så att det är interoperabelt med alla versioner och chipvarianter av standarden. BLE-chip kan fungera tillsammans med andra BLE-chip och Bluetooth-chip som följer Bluetooth v4.0 eller senare.

I många konsumenttillämpningar fungerar ett BLE-chip tillsammans med ett Bluetooth-chip men tack vare förbättringarna av standarden som introducerades i version 4.1, 4.2 och 5 används BLE-chip i allt högre grad som fristående enheter.

Introduktionen nyligen av Bluetooth 5-specifikationen har ökat rådatahastigheten för lågenergi-Bluetooth från 1 till 2 Mbit/s och förbättrat räckvidden med upp till fyra gånger jämfört med den föregående versionen. Observera att maximal genomströmning och räckvidd inte kan uppnås samtidigt, det är en klassisk kompromiss. Bluetooth SIG har också nyligen antagit Bluetooth mesh 1.0, som gör att tekniken kan konfigureras i en meshnätverkstopologi, som beskrivs mer detaljerat i del 3 i den här serien.

En mer omfattande översikt över lågenergi-Bluetooth finns i ”Bluetooth 4.1-, 4.2- och 5-kompatibla Bluetooth lågenergi-SoCs och verktyg möter IoT-utmaningar (del 1)”.

Vad är ANT?

ANT är jämförbart med lågenergi-Bluetooth på så sätt att det är ett trådlöst protokoll med ultralåg effekt och fungerar i 2,4 GHz ISM-bandet. Liksom lågenergi-Bluetooth har det utformats för knappcellsdrivna sensorer med en batteritid på flera månader eller år. Protokollet släpptes 2004 av Dynastream Innovations, ett kanadensiskt företag som nu är en del av Garmin. Dynastream Innovations tillverkar inte kisel, utan designers kan i stället hämta deras fasta programvara på 2,4 GHz-sändtagare från sådana företag som Nordic Semiconductor, med nRF51422 SoC och Texas Instruments (TI). Men det finns även en uppsättning fullständigt testade och verifierade RF-moduler som kör ANT-protokollet som inte kräver mycket designintegreringsarbete och har redan gått igenom regelcertifiering.

Trots att ANT är ett ägt RF-protokoll uppmuntras interoperabilitet via ANT+ Managed Network. ANT+ underlättar interoperabilitet mellan ANT+ Alliance-medlemsenheter och insamling, automatisk överföring och spårning av sensordata. Interoperabiliteten garanteras med enhetsprofiler. Alla ANT+-enheter som implementerar en viss enhetsprofil kan fungera tillsammans med alla andra ANT+-enheter som implementerar samma enhetsprofil. Nya produkter måste godkännas i ett certifieringstest för ANT+ för interoperabilitet. Certifieringen hanteras av ANT+ Alliance.

ANT och ANT+ riktades ursprungligen till sport- och träningssegmentet men på senare tid har produkten används för tillämpningar i hem- och industriautomationssektorerna. Protokollet utvecklas kontinuerligt, där det senaste tillkännagivandet är utgivningen av ANT BLAZE, en företagsinriktad meshteknik för IoT-tillämpningar med stort antal noder. (Se del 3.)

Och vad är ZigBee?

ZigBee är en specifikation för trådlös lågeffektteknik som använder PHY och medieåtkomstkontroll (MAC) baserat på IEEE 802.15.4. Dessutom kör den ett protokoll som kontrolleras av ZigBee Alliance. Tekniken utformades för meshnätverk (vilket ger den ett försprång jämfört med vissa konkurrerande tekniker) i industri- och hemautomationssektorerna.

ZigBee fungerar i 2,4 GHz ISM-bandet samt 784 MHz i Kina, 868 MHz i Europa och 915 MHz i USA och Australien. Datahastigheterna varierar från 20 Kbit/s (868 MHz-bandet) till 250 Kbit/s (2,4 GHz-bandet). ZigBee använder 16 x 2 MHz-kanaler avgränsade med 5 MHz, och är därför något spektrumineffektiv på grund av den outnyttjade allokeringen.

ZigBee PRO, som släpptes 2007 ger ytterligare funktioner som krävs för robusta distributioner med förstärkt säkerhet. ZigBee Alliance har precis tillkännagivit tillgängligheten för ZigBee PRO 2017, ett meshnätverk som kan fungera i ISM-frekvensbanden 2,4 GHz och 800–900 MHz samtidigt. (Mer information finns i del 3 i den här serien.)

Har RF4CE allt?

RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) baseras på ZigBee, men med ett protokoll anpassat för kraven för RF-fjärrstyrning. RF4CE standardiserades 2009 av fyra hemelektronikföretag: Sony, Philips, Panasonic och Samsung. Tekniken stöds av flera kiselleverantörer, till exempel Microchip, Silicon Labs och Texas Instruments. RF4CE är tänkt att användas som ett fjärrstyrningssystem för en enhet, till exempel digitalboxar för tv-apparater. Tekniken använder RF för att hantera nackdelarna med interoperabilitet, räckvidd och funktionsbegränsningar i IR-fjärrstyrning.

På senare tid har RF4CE mött hård konkurrens från lågenergi-Bluetooth och ZigBee för fjärrstyrningstillämpningar.

Hur står sig Wi-Fi i en jämförelse?

Wi-Fi, baserat på IEEE 802.11, är en mycket effektiv trådlös teknik, men är optimerad för stora dataöverföringar med genomströmning i höga hastigheter, i stället för låg effektförbrukning. Därför passar inte Wi-Fi för lågeffektsdrift (ned knappceller). På senare år har förbättringar gjorts för att förbättra effektförbrukningen, till exempel IEEE Standard 802.11v (som specificerar konfiguration av klientenheter när de är anslutna till trådlösa nätverk).

IEEE 802.11ah (Wi-Fi ”HaLow”), som släpptes 2017, fungerar i 90 MHz ISM-bandet och har lägre energiförbrukning och utökad räckvidd jämfört med de versioner av Wi-Fi som fungerar i 2,4 och 5 GHz-bandet. (Se del 3.)

Är NIKE+ ett alternativ?

Nike+ är en egen trådlös teknik som har utvecklats av sportutrustningstillverkaren Nike och riktar sig till träningsmarknaden. Den har primärt utformats för att länka en Nike-fotpodd som integrerar ett 2,4 GHz-radiochip med mobila Apple-enheter som analyserar och presenterar insamlade data. Maskinvaran är fortfarande populär bland hängivna träningsfans men är på nedgång eftersom samma teknik finns i den nya generationens smartphones. Nike har slutat med den trådlösa träningsbandprodukten och fokuserar på smartphoneappar i stället.

Den egna trådlösa tekniken som Nike+-systemet baserades på används fortfarande i sådana produkter som trådlösa möss och tangentbord. Om interoperabilitet inte är ett krav ger liknande teknik, till exempel Nordic Semiconductors nRF24LE1, prestanda som går att jämföra med tekniker som, till exempel, lågenergi-Bluetooth utan kravet att uppfylla standardefterlevnad.

Löser inte IrDA redan problem med kommunikation med kort räckvidd?

Infrared Data Association (IrDA) består av runt 50 företag och har släppt flera IR-kommunikationsprotokoll under IrDA-namnet. IrDA är inte en RF-baserad teknik, utan använder i stället modulerade pulser med IR-ljus för att överföra information. Huvudfördelarna med tekniken är inbyggd säkerhet eftersom den inte är RF, mycket låg bitfelsmängd (BER) (vilket förbättrar effektiviteten), inga krav på efterlevnadscertifiering och låg kostnad. Tekniken är också tillgänglig i en höghastighetsversion, med 1 GB/s överföringshastighet.

Nackdelen med IR-teknik är den begränsade räckvidden (särskilt för höghastighetsversionen), dess synfältskrav och bristen på dubbelriktad kommunikation i standardimplementeringar. IrDA är inte heller särskilt energieffektiv (när det gäller effekt per bit) i jämförelse med radiotekniker. För grundläggande fjärrstyrningstillämpningar där kostnad är en viktig designparameter har IrDA en del av marknaden men när det krävs utökade kontrollfunktioner, till exempel sådana som krävs för smart-tv, föredrar designers oftare lågenergi-Bluetooth och RF4CE.

Var passar NFC in?

Närfältskommunikation (NFC) fungerar i 13,56 MHz ISM-bandet. Vid den här låga frekvensen fungerar loopantennerna för sändning och mottagning främst som en primär respektive sekundär transformatorlindning. Dataöverföring sker via magnetfältet i stället för det tillhörande elektriska fältet eftersom det senare är mindre dominant på kortare avstånd. NFC överför data i hastigheter upp till 424 Kbit/s. Som namnet antyder har tekniken utformats för kommunikation med mycket kort räckvidd som fungerar på högst 10 cm avstånd. Den här begränsningen förhindrar direkt konkurrens med lågenergi-Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi och liknande teknik. Tillverkare som NXP USA tillhandahåller kisel som CLRC66303 NFC-sändtagaren.

En viktig fördel är att ”passiva” NFC-enheter (t.ex. betalkort) inte kräver någon ström och aktiveras bara när de är nära en strömsatt NFC-enhet. NFC har nått en allmän spridning för tekniker som hanterar kontaktlösa betalningar och som en metod att parkoppla andra trådlösa tekniker, till exempel BLE-enheter utan risken för ”man-in-the-middle”-attacker på säkerheten. NFC kommer troligen att ta betydande marknadsandelar som en teknik för nischade tillämpningar och komplettera de andra trådlösa teknikerna som diskuteras här.

Nätverkstopologier

Trådlösa lågeffekttekniker stöder upp till fem huvudsakliga nätverkstopologier:

Sändning: Ett meddelande skickas från en sändare till en mottagare inom räckvidd. Kanalen är enkelriktad, utan bekräftelse att meddelandet har tagits emot.

Peer-to-peer: Två sändtagare länkas på en dubbelriktad kanal där meddelanden kan bekräftas och data kan överföras åt båda hållen.

Stjärna: En central sändtagare kommunicerar på dubbelriktade kanaler med flera perifera sändtagare. De perifera sändtagarna kan inte kommunicera direkt med varandra.

Skanning: En central skanningsenhet är i mottagningsläge och väntar på att ta emot en signal från någon sändningsenhet inom räckvidd. Kommunikationen är enkelriktad.

Mesh: Ett meddelande kan vidarebefordras från en punkt i ett nätverk till en annan genom att hoppa mellan dubbelriktade kanaler som länkar samman flera noder (normalt med hjälp av tjänsterna för noder med ytterligare funktioner som hubbar och reläer).

Figur 2a, b, c, d och e illustrerar nätverkstopologierna och i tabell 1 sammanfattas vilka topologier som de trådlösa tekniker som diskuteras ovan stöder.

Figur 2: Trådlösa lågeffekttekniker har utvecklats att stödja allt mer komplexa nätverkstopologier. (Bildkälla: Texas Instruments)

B (BLE), A (ANT), A+ (ANT+), Zi (ZigBee), RF (RF4CE),
Wi (Wi-Fi), Ni (Nike+), Ir (IrDA), NF (NFC)

1. Kontinuerligt mottagningsläge måste aktiveras för noder som lyssnar efter sändningssignaler.
2. All nätverkstrafik upphör och effektförbrukningen är hög.

Tabell 1: Stöd för nätverkstopologi för trådlös lågeffektteknik. (Tabellkälla: DigiKey)

Prestanda för trådlös lågeffektteknik

Räckvidd

Räckvidden för en trådlös teknik uppfattas ofta som proportionell mot sändarens effektutgång kombinerat med RF-känsligheten hos en mottagare mätt i decibel (”länkbudgeten”). Högre kraftöverföring och större känslighet ökar räckvidden tack vare den effektiva förbättringen i signal-brusförhållandet (SNR). SNR är ett mått på förmågan hos en mottagare att på ett korrekt sätt extrahera och avkoda en signal från omgivningsbruset. Vid tröskelvärdet för SNR överstiger BER radions specifikations och kommunikationen misslyckas. Till exempel är en BLE-mottagare utformad att tolerera ett maximalt BER på bara cirka 0,1 %.

Maximal effektutgång i det licensfria 2,4 GHz ISM-bandet begränsas av tillsynsorgan. Allmänt är reglerna komplexa men i grunden föreskriver de att högsta överföringskraft, mätt vid antenningången i ett hoppfrekvenssystem med mindre än 75 men minst 15 hoppfrekvenser, måste vara begränsad till en topp på +21 dBm, med en minskning i utgången om den isotropiska antennförstärkningen är större än 6 dBi. Det här tillåter en maximal ekvivalent isotropiskt utstrålad effekt (EIRP) på +27 dBm.

Utöver den här regeln har trådlösa lågeffekttekniker specifikationsbegränsningar för sändningseffekt för att maximera batteritiden. Mycket att effekten bevaras genom att begränsa tiden som radion är i högeffektsläge för sändning eller mottagning, men RF-chiptillverkare bevarar också lågenergisändningseffekten till normalt +4 dBm, och ibland +8 dBm, betydligt under gränsen på +21 dBm som reglerna anger.

Men sändningseffekt och känslighet är inte de enda faktorer som begränsar räckvidden för trådlösa enheter. Driftmiljö (t.ex. om det finns tak och väggar), RF-bärfrekvens, designlayout, mekanik och kodningsscheman kommer alla i spel. Räckvidden anges vanligtvis för en ”idealisk” miljö men enheter används ofta i scenarier med omfattande kompromisser. Till exempel försvagas 2,4 GHz-signaler mycket av människokroppen, så bärbar teknik på handleden kan få svårt att sända till en smartphone i bakfickan, trots att de bara är någon meter från varandra.

I den här listan visas typiska räckvidder som kan förväntas av tekniker med ultralåg effekt i en obehindrad miljö utan störning från andra RF-källor eller optiska källor:

• NFC: 10 cm
• Höghastighets-IrDA: 10 cm
• Nike+: 10 m
• ANT(+): 30 m
• 5 GHz Wi-Fi: 50 m
• ZigBee/RF4CE: 100 m
• Lågenergi-Bluetooth: 100 m
• 2,4 GHz Wi-Fi: 150 m
• Lågenergi-Bluetooth med utökad Bluetooth 5-räckviddsfunktion: 200 till 400 m (beroende på kodningsschema för framfelskorrigering)

Genomströmning

Sändningar av trådlösa lågeffekttekniker består av två delar: bitarna som implementerar protokollet (t.ex. paket-ID och -längd, kanal och kontrollsumma, gemensamt s.k. ”overhead”) och informationen som kommuniceras (s.k. ”nyttolast”). Förhållandet mellan nyttolast och overhead + nyttolast fastställer protokolleffektiviteten (figur 3).

Figur 3: Paket för trådlös lågeffektteknik (lågenergi-Bluetooth/Bluetooth 4.1 visas här) består av overhead och nyttolast. Protokolleffektiviteten fastställs av mängden användbara data (nyttolast) som finns i varje paket. (Bildkälla: Bluetooth SIG)

Den ”råa” datahastigheten (overhead plus nyttolast) mäts i antalet bitar överförs per sekund och är ofta siffran som citeras i marknadsföringsmaterial. Datahastigheten för nyttolast är alltid lägre. (Del 2 i den här serien tar en närmare titt på varje protokolls effektivitet och följdeffekten på batteritiden.)

Trådlös lågeffektteknik kräver generellt periodisk överföring av små mängder sensorinformation mellan noder och en central enhet, samtidigt som effektförbrukningen minimeras, så bandbredden är normalt blygsam.

I följande lista jämförs genomströmning för rådata och nyttolast för teknikerna som diskuteras i den här artikeln. (Observera att det här är teoretiska maxvärden och den faktiska genomströmningen beror på konfiguration och driftförhållanden):

• Nike+: 2 Mbit/s, 272 bit/s (genomströmningen är inbyggt begränsad till ett paket/sekund)
• ANT+: 20 Kbit/s (i burstläge – se nedan), 10 Kbit/s
• NFC: 424 Kbit/s, 106 Kbit/s
• ZigBee – 250 Kbit/s (vid 2,4 GHz), 200 Kbit/s
• RF4CE (samma som ZigBee)
• Lågenergi-Bluetooth – 1 Mbit/s, 305 Kbit/s
• Höghastighets-IrDA – rådata 1 Gbit/s, nyttolast 500 Kbit/s
• Lågenergi-Bluetooth med Bluetooth 5 hög genomströmning: 2 Mbit/s, 1,4 Mbit/s
• Wi-Fi: 11 Mbit/s (lägsta 802.11b-effektläge), 6 Mbit/s

Latens

Latensen i ett trådlöst system kan definieras som tiden mellan en signal som sänds och tas emot. Normalt handlar det bara om millisekunder men är ett viktigt övervägande för trådlösa tillämpningar. Till exempel är låg latens inte så viktigt för en tillämpning som automatiskt frågar av en sensor för data en gång per sekund men kan blir viktigt för en konsumenttillämpning som fjärrstyrning där en användare förväntar sig omärkbar fördröjning mellan knapptryckning och efterföljande åtgärd.

I följande lista jämförs latensvärden för tekniker som diskuteras i den här artikeln. (Observera återigen att det här beror på konfiguration och driftförhållanden.)

• ANT: obetydligt
• Wi-Fi: 1,5 millisekunder (ms)
• Lågenergi-Bluetooth: 2,5 ms
• ZigBee: 20 ms
• IrDA: 25 ms
• NFC: avfrågas normalt varje sekund (men kan specificeras av produkttillverkaren)
• Nike+: 1 sekund

Observera att de låga latensvärdena som anges för ANT och Wi-Fi kräver att den mottagande enheten lyssnar kontinuerligt, vilket snabbt förbrukar batterieffekt. För sensortillämpningar med låg effekt kan förbättras genom att öka ANT-meddelandehanteringsperioden, på bekostnad av ökad latens.

Robusthet och samexistens

Tillförlitlig paketöverföring har en direkt påverkan på batteritid och användarupplevelse. Om ett datapaket generellt inte kan levereras på grund av sämre sändningsmiljöer, oavsiktlig störning från radio i närheten eller avsiktlig frekvensstörning fortsätter en sändare att försöka tills paketet levereras. Det görs på bekostnad av batteritid. Dessutom försämras det trådlösa systemets tillförlitlighet i överbelastade miljöer om det begränsas till en enda sändningskanal.

Möjligheten för en radio att fungera tillsammans med andra radioenheter beskrivs som samexistens. Det här är särskilt intressant när radioenheterna fungerar i samma enhet, till exempel lågenergi-Bluetooth och Wi-Fi i en smartphone, med lite separation. En standardmetoden för att åstadkomma samexistens mellan Bluetooth och Wi-Fi är att använda ett utombandssignalschema, som består av en fast anslutning mellan varje IC-krets, med samordning när varje krets är ledig att sända eller ta emot. I den här artikeln refererar passiv samexistens till ett störningsundvikande system och aktiv samexistens refererar till chip till chip-signaler.

En beprövad metod för att hjälpa till med passiv samexistens är kanalhoppning. Lågenergi-Bluetooth använder spridningsspektrum för frekvenshoppning (FHSS) och hoppar i ett pseudoslumpmässigt mönster mellan dess 37 datakanaler, för att undvika störning. Den så kallade adaptiva frekvenshoppningen (AFH) gör så att varje nod kan mappa ofta överbelastade kanaler, vilket sedan undviks i framtida transaktioner. Den senaste versionen av specifikationen (Bluetooth 5) hr introducerat en förbättrad kanalsekvensalgoritm (CSA #2) för att förbättra pseudoslumpmässigheten för nästa hoppkanalsekvensering som förbättrar störningsimmuniteten.

ANT stöder användningen av flera RF-driftfrekvenser, var och en 1 MHz bred. När det har valts sker all kommunikation på en enda frekvens och kanalhoppning sker bara om det blir en betydande försämring på den valda frekvensen.

För att minska överbelastningen använder ANT ett isokront schema med multiåtkomst med tidsuppdelning (TDMA) för att dela in varje 1 MHz-frekvensband i tider på vardera cirka 7 ms. Parkopplade enheter på kanalen kommunicerar under de här tiderna, vilket upprepas enligt ANT-meddelandeperioden (till exempel var 250 ms eller 4 Hz). I praktisk användning kan tiotals eller till och med hundratals noder tillgodoses i ett enda 1 MHz-frekvensband utan att krocka. När dataintegriteten är viktig kan ANT använda en ”burst”-sändningsmetod för meddelanden. Det här är en sändningsmetod för flera meddelanden som använder hela bandbredden och körs tills dataöverföringen slutförs.

Vissa av de tillgängliga ANT RF-kanalerna tilldelas och regleras av ANT+ Alliance för att upprätthålla nätverkets integritet och interoperabilitet, till exempel 2,450 och 2,457 GHz. Alliansen råder att undvika de här kanalerna vid normal drift.

Till skillnad från lågenergi-Bluetooths FHSS-metod och ANT:s TDMA-schema använder ZigBee (och RF4CE) en metod med direktsekvensspridningsspektrum (DSSS). Under DSSS blandas signalen med en pseudoslumpkod vid sändaren som sedan extraheras vid mottagaren. Metoden förstärker effektiv signal-brusförhållandet genom att sprida den sända signalen på ett bredband (figur 4). ZigBee PRO implementerar en ytterligare metod, så kallad frekvensrörlighet, där en nätverksnod söker efter ett ledigt spektrum och råder koordinatorn så att kanalen kan användas i nätverket. Men funktionen används sällan i praktiken.

Figur 4: ZigBee försöker minska störning från andra 2,4 GHz-radioenheter genom att sprida den sända signalen i det allokerade spektrumet. (Bildkälla: Texas Instruments)

Wi-Fi använder elva 20 MHz-kanaler i USA, tretton i större delen av resten av världen eller fjorton i Japan. Till följd av det finns det, inom begränsningarna för 83 MHz-bredden för 2,45 GHz-spektrumallokeringen, tillräckligt utrymme för bara tre icke-överlappande Wi-Fi-kanaler (1, 6 och 11). Därför använd dessa som standardkanaler. Det ingår ingen automatisk kanalhoppning men användarna kan manuellt byta till en alternativ kanal om störningen visar sig bara ett problem vid drift.

Inom den valda kanalen är Wi-Fi:s störningsundvikande mekanism komplex men kombinerar i grunden DSSS med ortogonal multiplex med frekvensuppdelning (OFDM). OFDM är en form av sändning som använder många slutna bärare med låghastighetsmodulering. Eftersom signalerna sänds ortogonalt minskas möjligheten till ömsesidig störning från slutna utrymmen betydligt.

5 GHz Wi-Fi fungerar i en 725 MHz bred allokering, vilket möjliggör tilldelning av många fler icke-överlappande kanaler. Resultatet är en betydligt lägre risk för störningsproblem, jämför med 2,4 GHz Wi-Fi.

Wi-Fi använder även aktiv samexistensteknik och en mekanism för att minska datahastigheter när störning upptäcks från andra radioenheter.

Så fungerar Wi-Fi allmänt. Andra 2,4 GHz-tekniker har metoder för att undvika krockar med Wi-Fi-standardkanalerna (1, 6 och 11). Lågenergi-Bluetooths tre så kallade annonskanaler är, till exempel, placerade i luckorna mellan Wi-Fi-standardkanalerna (figur 5).

Figur 5: Lågenergi-Bluetooths annonskanaler är placerade bort från Wi-Fi-standardkanaler. Observera att det finns ytterligare sju kanaler som är fria från möjlig Wi-Fi-störning. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Nike+ använder ett eget frekvensrörlighetsschema, där kanaler byts när störningen blir nedbrytande. Det krävs sällan på grund av teknikens minimala dataöverföringshastighet och driftcykel.

IrDA implementerar inte någon form av samexistensteknik. Men som ljusbaserad teknik påverkas den sannolikt av mycket starkt bakgrundsljus med en betydande IR-komponent. Synfältsdriften med kort räckvidd gör att det är osannolikt att även samtidigt fungerande IR-enheter stör varandra.

NFC implementerar en form av samexistens där läsaren väljer ett specifikt korts NFC-tag från en plånbok som innehåller flera NFC-kort. På grund av sändningarnas korta räckvidd är det sällsynt med störning mellan andra NFC-enheter och/eller andra radioenheter. Men det är värt att notera att 13,56 MHz-bandet har övertoner i FM-bandet som är särskilt starka vid 81,3 och 94,9 MHz. De här övertonerna kan potentiellt orsaka brus i en FM-sändare på samma plats. FM-störningseffekten kan minskas genom att implementera antikollisionsmetoder, till exempel ”skevning” eller rensning.

Slutsatser

Det finns många populära trådlösa lågeffekttekniker. Trots att varje teknik har utformats för batteridrift och relativt blygsam dataöverföring har de olika funktioner för räckvidd, genomströmning, robusthet och samexistens. De här prestandavariationerna passar för olika tillämpningar, men mycket överlappning.

Introduktion till del 2 och 3: Prestanda är bara en del av urvalsprocessen, så del 2 tar en närmare titt på designgrunderna i varje teknik, som chiptillgänglighet, protokollstackar, tillämpningsprogramvara, designerverktyg, antennkrav och effektförbrukning/batteritid.

Del 3 i serien tar upp nuvarande och framtida utveckling designad att möta IoT-utmaningarna för varje teknik, tillsammans med en introduktion till några nyare gränssnitt och protokoll, till exempel Wi-Fi HaLow och Thread.