Trăim într-o lume conectată. Suntem mereu alături de prietenii noștri prin mesaje, suntem la curent cu știrile globale, controlăm aparatele electrocasnice de la distanță sau colaborăm cu colegii, oriunde s-ar afla aceștia. Apariția Internetului lucrurilor (IoT) și a Internetului industrial al lucrurilor (IIoT) a adus tehnologia în casele, mașinile și fabricile noastre, iar cea mai mare parte a acesteia depinde în mare măsură de comunicația wireless. Wi-Fi, Bluetooth® și tehnologia celulară 3G/4G/5G sunt termeni pe care îi cunoaștem foarte bine. Alte tehnologii wireless mai puțin cunoscute, cum ar fi UWB (ultra-wideband – bandă ultralargă), LoRa, Sigfox și ISM, sunt la fel de importante.
Comunicația wireless facilitează dezvoltarea unei societăți moderne
Figura 1: Principalele atribute ale protocoalelor wireless populare. (© Mouser)
Comunicația wireless ne înconjoară. Probabil că o luăm ca pe un lucru de la sine înțeles, așa cum se întâmplă cu energia electrică la prize și cu apa în conductele noastre. Dependența noastră de comunicațiile fără fir, în special de comunicațiile de date wireless, a crescut semnificativ în ultimele două decenii. Stând în biroul meu și scriind acest articol, am numărat cel puțin opt dispozitive conectate fără fir: laptop, tastatură externă, trackpad, headset, telefon inteligent, căști, ceas inteligent și imprimantă. Nu am nevoie să știu ce protocol wireless folosesc sau cum funcționează; faptul că sunt fiabile este suficient. Același lucru este valabil și acasă și în mașina mea. De asemenea, fabricile noastre, punctele de vânzare cu amănuntul și rețelele de distribuție se bazează pe comunicații de date wireless disponibile în permanență și fiabile.
Nevoia de comunicație wireless continuă să evolueze pe măsură ce găsim tot mai multe aplicații care beneficiază de automatizare, în special pe baza IIoT. Dacă ne adâncim în aspectele tehnice ale protocoalelor de date wireless, aflăm că multe dintre acestea sunt optimizate pentru a se potrivi unor cazuri de utilizare specifice, în loc să fie bune pentru toate. Dacă ne uităm la evoluția rețelelor de date cu fir, observăm multe asemănări. Greii industriei, cum ar fi Ethernet, au progresat semnificativ în ultimele patru decenii. Implementările Ethernet contemporane tipice utilizează rate de transfer de 10 Gbps, de 1000 de ori mai rapide decât la lansarea inițială. Dar nu doar viteza este importantă; latența, durata de încărcare a pachetelor și consumul de energie sunt unii dintre factorii critici care determină acreditările unui protocol și, în cele din urmă, succesul său. Același lucru este valabil și în cazul comunicațiilor de date fără fir.
Selectarea protocoalelor wireless pentru IoT și IIoT
Înainte de a explora aspectele tehnice ale noului protocol wireless DECT NR+, să trecem rapid în revistă câțiva factori esențiali când selectăm un protocol.
Viteză de transfer: Viteza de transfer a datelor, măsurată de obicei în Mbps sau Gbps, este crucială. Transferul unor cantități mari de date într-un interval de timp cât mai scurt este esențial pentru multe aplicații. Cu toate acestea, unele cazuri de utilizare nu justifică viteze mari; de exemplu, un simplu senzor de temperatură IoT trimite doar câțiva octeți la fiecare minut. Wi-Fi a progresat considerabil, iar Wi-Fi 6 promite viteze Gigabit, aproape egale cu cele ale Ethernet. Prin comparație, ratele de descărcare a datelor de pe telefonul mobil 4G ating, tipic, 30 Mbps. Implementarea 5G este în curs de desfășurare, dar primele teste indică faptul că sunt posibile viteze de 150 Mbps. Printre candidații la viteze reduse se numără Bluetooth la 1Mbps, LoRa până la 27kbps și NB-IoT celular la 127kbps.
Latență: Măsurată în mod obișnuit ca o călătorie dus-întors, latența indică timpul necesar unui semnal pentru a ajunge la destinație și pentru a primi o confirmare de primire la origine. Latența poate deveni un factor limitativ pentru comunicațiile de mare viteză, deoarece așteptarea unei confirmări a unui pachet de date reduce debitul. De asemenea, are un impact grav asupra aplicațiilor în timp real care necesită un timp de răspuns determinist și previzibil. O latență redusă este vitală pentru sistemele de automatizare industrială, o țintă cheie pentru implementările 5G. Tehnologia 5G promite să îmbunătățească semnificativ latența celulară, ajungând la 5 ms, comparativ cu o medie de 80 ms pentru 4G. Latența depinde, de asemenea, de răspunsul sistemului gazdă; alte aplicații afectate de latență sunt jocurile online și streamingul audio/video.
Rază de acțiune: Raza de acțiune efectivă a unei legături wireless variază considerabil. În interiorul locuinței și la locul de muncă, pereții și podelele atenuează semnalele wireless, limitând majoritatea comunicațiilor Wi-Fi la distanțe, în metri, cu o singură cifră. Raza de acțiune în exterior este influențată de teren, plante și copaci și, la frecvențe foarte înalte, de precipitații. Figura 1 evidențiază principalele caracteristici ale protocoalelor wireless populare menționate în acest articol.
Consum de energie: Consumul de energie este un aspect esențial, în special pentru sistemele embedded alimentate de la baterii. Cantitatea de curent pe care o consumă transmițătorul wireless pentru a iniția și menține o legătură fiabilă va influența semnificativ durata de viață a bateriei – o preocupare esențială pentru mulți consumatori. De exemplu, în ciuda vitezei sale, Wi-Fi consumă o cantitate considerabilă de energie, ceea ce subliniază necesitatea altor protocoale cu consum redus de putere în anumite aplicații.
Topologie: Printre topologiile populare se numără cea în stea (celulară, Wi-Fi, LoRa) și cea de tip plasă (mesh) (Bluetooth). Există, de asemenea, legături wireless directe dedicate P2P (“punct la punct”).
La un nivel tehnic mai profund, protocolul wireless stabilește, de asemenea, dimensiunea pachetelor. Acesta definește schimbul de “handshaking” la nivel de legătură, metodele de corecție a erorilor – dacă sunt implementate – și transmiterea ulterioară a pachetelor de date. Pentru aplicațiile IoT și IIoT, performanța unei legături wireless robuste, rezistente și fiabile este imperativă.
DECT NR+ anunță comunicații ultrafiabile cu latență redusă pentru implementări IIoT la scară largă
Figura 2: Triunghiul de cazuri de utilizare 5G IMT-2020. (© Nordic Semiconductor)
Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor (ITU), împreună cu Institutul European de Standarde în Telecomunicații (ETSI), a ratificat recent standardul DECT-2020 New Radio (NR)+ ca parte a setului de standarde 5G. Forumul DECT, fondatorul standardului DECT pentru telefoanele wireless, a dezvoltat DECT NR+; totuși, acesta nu își are originea în standardul pentru telefoanele fără fir. Specificațiile DECT NR+ răspund nevoilor implementărilor IoT și IIoT la scară largă, ultrafiabile și cu latență redusă, cum ar fi orașele inteligente, contorizarea inteligentă, Industrie 4.0 și streamingul audio profesionist (de exemplu, pe stadioane și în săli de conferințe mari).
Figura 3: Tabel comparativ între DECT NR+ și alte metode populare de comunicare wireless. (© Mouser).
Spre deosebire de 5G, DECT NR+ nu este un standard celular, obținând aprobarea ITU-R 5G față de standardul internațional de telecomunicații mobile 5G (IMT-2020) pe baza capabilităților sale de comunicații ultrafiabile, cu latență redusă (URLLC) și de comunicații masive de tip mașină (mMTC). Figura 2 evidențiază tipurile de cazuri de utilizare pentru DECT NR+ pe baza standardului IMT-2020 pentru URLLC, mMTC și banda largă mobilă îmbunătățită (eMBB).
Caracteristicile cheie ale DECT NR+ includ:
- Operarea în spectrul wireless de 1,9 GHz, scutit de licență, disponibil la nivel global (cu excepția Chinei, în prezent). Acest lucru creează potențialul de a dezvolta o singură versiune a unui produs, mai degrabă decât variante regionale, economisind costuri semnificative de producție și aprobare. DECT NR+ coexistă cu dispozitivele DECT wireless tradiționale care utilizează deja banda de 1,9GHz.
- Funcționalitate în mai multe topologii, inclusiv stea, mesh și P2P, cu capabilități de auto-organizare și auto-reparare a rețelei.
- Latență extrem de scăzută, de până la 1 ms, care poate permite implementarea pentru prima dată a comunicațiilor fără fir în multe aplicații.
- Fiabilitate mai bună de 99,99%, bazată pe tehnici celulare dovedite, cum ar fi FEC (Forward Error Correction) și HARQ (Hybrid Automatic Repeating Request), care apar la un nivel inferior în stiva de protocoale, economisind nivelurile superioare de gestionare a retransmisiilor.
- Cele mai bune practici de securitate care utilizează AES și CCM.
- Scalabilitate imensă, până la 4 miliarde de noduri și 16 milioane de rețele.
- Modulație OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) cu codificare eficientă a canalelor și modulație de nivel înalt.
- O abordare de rețea non-celulară, care permite clienților să creeze rețele private fără a avea nevoie de acces la stațiile de bază sau la infrastructura furnizorilor de servicii.
- Adaptabilitate de implementare la scară largă, cu o rază de acțiune de un kilometru și o rată maximă de date de 9Gbps.
- Nu necesită abonamente sau cartele SIM.
Figura 3 compară DECT NR+ cu alte protocoale wireless populare cu rază scurtă de acțiune.
Figura 4: Metode de modulație a canalului fizic de date I/Q disponibile cu DECT NR+. (© Nordic Semiconductor).
Stratul fizic (PHY) al stivei de protocoale NR+ permite BPSK (binary phase shift keying), QPSK (quadrature phase shift keying) și QAM (quadrature amplitude modulation) a semnalului OFDM (figura 4). Specificația DECT NR+ suportă până la 1024QAM pentru până la 9Gbps. Reducerea vitezei de date pentru a corespunde cerințelor aplicațiilor va optimiza consumul de energie pentru aplicațiile embedded cu consum redus de putere.
Figura 5: HARQ în cadrul PHY îmbunătățește fiabilitatea, introduce o latență minimă și economisește resursele stratului de aplicație. (© Nordic Semiconductor)
O altă caracteristică a stratului PHY este tehnica de corecție a erorilor HARQ (figura 5). Efectuarea retrimiterilor în cadrul PHY elimină necesitatea ca straturile de aplicații să asigure această funcționalitate și permite opt procese HARQ concurente. Deoarece retransmiterile pentru îmbunătățirea fiabilității au loc în cadrul PHY, latența de retransmitere este mai mică de 417μs.
Nordic nRF91: Prima platformă care suportă DECT NR+
Nordic Semiconductor este prima companie de semiconductori care a anunțat suportul pentru protocolul DECT NR+. Transmițătorul wireless nRF91 DECT NR+ cu consum redus de energie, proiectele de referință și platforma de evaluare vor fi disponibile în 2023. Bazându-se pe sistemul celular SiP (sistem în pachet) nRF91 (LTE și NB-IoT) bine consolidat, Nordic a încheiat un parteneriat cu principalul furnizor de software IoT, Wirepas, pentru a integra suita Wirepas Mesh Connectivity Suite pe nRF91.
DECT NR+ umple golul pentru comunicații wireless la scară largă, ultrafiabile și cu latență redusă
Pe măsură ce implementările IoT și IIoT se extind din ce în ce mai mult, nevoia de comunicații wireless fiabile, cu latență redusă și consum redus de energie devine crucială. Cu caracteristicile sale de securitate și fiabilitate de nivel celular, DECT NR+ este bine poziționat pentru a îndeplini cerințele pe care alte protocoale wireless cu rază scurtă de acțiune nu le pot atinge.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
