Een vergelijking van draadloze technologieën met laag vermogen (Deel 1)

Noot van de redacteur: deel 1 van deze driedelige serie geeft een gedetailleerd overzicht van de belangrijkste draadloze, laagvermogen opties die beschikbaar zijn voor ontwerpers. Deel 2 behandelt de ontwerpprincipes van elke technologie, zoals chipbeschikbaarheid, protocol stacks, toepassingssoftware, ontwerptools, antennevereisten en energieverbruik/batterijduur. Deel 3 van de serie is gewijd aan de huidige en de toekomstige ontwikkelingen die de verschillende technologieën doormaken om aan de uitdagingen van het IoT te voldoen. Dit deel bevat ook een introductie tot een aantal recente interfaces en protocollen, zoals Wi-Fi HaLow en Thread.

Recente ontwikkelingen hebben zich in hoge mate gericht op de Internet of Things (IoT)-connectiviteit, waarbij sensoren signalen en gegevens verzamelen en doorgeven. Er zijn vele verschillende voorbeelden te geven van eindproducten, van smartphones, gezondheids- en fitness-wearables (Afbeelding 1) en domotica tot slimme meters en industriële besturingen. Al deze producten leggen beperkingen op aan het ontwerp, bijvoorbeeld ultra-laag stroomverbruik, lage kosten of kleine afmetingen.

Hier worden de belangrijkste opties voor draadloze laagvermogen-toepassingen besproken en tegen elkaar afgezet. Er wordt ingegaan op de basisprincipes van elke technologie en de belangrijkste kenmerken ervan, zoals frequentieband(en), ondersteuning voor netwerktopologieën, doorvoer, bereik en coëxistentie. Ook worden voorbeeldoplossingen beschreven.

Afbeelding 1: wearables zijn een belangrijke marktsector voor draadloze technologieën met laag vermogen. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Voor- en nadelen van laagvermogentechnologie afwegen

Ingenieurs hebben vandaag de dag veel keuzemogelijkheden als het gaat om draadloze technologieën met laag vermogen, bijvoorbeeld Bluetooth low-energy, ANT, ZigBee, RF4CE, NFC, Nike+ en Wi-Fi, plus de infrarood-opties van de Infrared Data Association (IrDA)

Maar dit brede aanbod maakt het selectieproces moeilijker. Voor elke technologie moeten de voor- en nadelen worden afgewogen voor wat betreft stroomverbruik, bandbreedte en bereik. Sommigen zijn op open standaarden gebaseerd, anderen daarentegen zijn propriëtair. Om de dingen nog ingewikkelder te maken, blijven er steeds nieuwe interfaces en protocollen verschijnen om op de behoeften van het IoT in te springen. Een hiervan is Bluetooth low-energy.

Een introductie tot Bluetooth low-energy

Bluetooth low-energy werd geboren als project in het Nokia Research Centre, onder de naam Wibree. In 2007 werd de technologie overgenomen door de Bluetooth Special Interest Group (SIG), die de technologie bij de introductie van versie 4.0 (v4.0) in 2010 introduceerde als een vorm van Bluetooth met ultra-laag energieverbruik.

De technologie breidde het Bluetooth-ecosysteem uit tot toepassingen met kleine batterijcapaciteiten, zoals wearables. In dergelijke toepassingen onderscheidt deze technologie zich door een tot microampères beperkt stroomverbruik, en vormt zo een aanvulling op de 'klassieke' Bluetooth die we kennen van smartphones, audio-headsets en draadloze desktops.

De technologie werkt in de 2,4 GHz ISM (Industrial Scientific Medical)-band en is geschikt voor de overdracht van gegevens vanaf compacte draadloze sensors of andere randapparatuur waar volledig asynchrone communicatie kan worden gebruikt. Deze apparaten verzenden af en toe kleine datavolumes (d.w.z. enkele bytes). Hun inschakelcyclus gaat van een paar keer per seconde tot eens per minuut, of nog langer.

Vanaf Bluetooth v4.0 definieert de Bluetooth-kernspecificatie twee chiptypes: de Bluetooth low-energy chip en de Bluetooth-chip met een gewijzigde stack en de fysieke laag Basic Rate (BR)/Enhanced Data Rate (EDR) van vorige versies, gecombineerd met een Low Energy (LE) PHY ("BR/EDR + LE") zodat hij compatibel is met alle versies en chipvarianten van de standaard. Bluetooth low-energy chips zijn compatibel met andere Bluetooth low-energy chips en Bluetooth chips die voldoen aan Bluetooth v4.0 of later.

In veel consumententoepassingen werkt een low-energy Bluetooth-chip in combinatie met een Bluetooth-chip, maar dankzij verbeteringen aan de standaard, geïntroduceerd in de versies 4.1, 4.2 en 5, worden Bluetooth low-energy chips steeds vaker als zelfstandige apparaten gebruikt.

De recente introductie van de Bluetooth 5-specificatie heeft de snelheid van Bluetooth low-energy voor onbewerkte gegevens verhoogd van 1 tot 2 Mbit/s en het bereik tot 4x verbeterd in vergelijking met de voorgaande versie. Wel dient te worden opgemerkt dat maximale doorvoer en bereik niet tegelijkertijd kunnen worden bereikt; het betreft een klassieke afweging, of het een of het ander. De Bluetooth SIG heeft recentelijk ook Bluetooth mesh 1.0 ingevoerd, waardoor de technologie in een mesh-netwerktopologie kan worden geconfigureerd, zoals meer in detail beschreven in Deel 3 van deze serie.

Voor een uitgebreid overzicht van Bluetooth low-energy zie “Bluetooth 4.1, 4.2 en 5 compatibele Bluetooth low-energy SoC's en tools staan voor IoT uitdaging (deel 1)”.

Wat is ANT?

ANT is vergelijkbaar met Bluetooth low-energy omdat het een draadloos protocol met ultralaag vermogen is dat op de 2,4 GHz ISM-band werkt. Net als Bluetooth low-energy is dit protocol ontworpen voor op knoopcelbatterijen werkende sensors met een batterijlevensduur van maanden of zelfs jaren. Het protocol werd in 2004 uitgebracht door Dynastream Innovations, een Canadees bedrijf dat tegenwoordig deel uitmaakt van Garmin. Dynastream Innovations maakt geen silicium, in plaats daarvan krijgen ontwerpers hun firmware op 2,4 GHz-transceivers van bedrijven zoals Nordic Semiconductor, met de nRF51422 SoC en Texas Instruments (TI). Het biedt echter ook een reeks van volledig geteste en gecontroleerdeRF-modules die het ANT-protocol uitvoeren en die zonder veel moeite in het ontwerp kunnen worden geïntegreerd en bovendien al wettelijk gecertificeerd zijn.

Alhoewel ANT een propriëtair RF-protocol is, wordt de interoperabiliteit bevorderd via ANT+ Managed Network. ANT+ vergemakkelijkt de interoperabiliteit tussen ANT+ Alliance-apparaten en het verzamelen, automatisch overdragen en volgen van sensorgegevens. Interoperabiliteit wordt verzekerd door apparaatprofielen; elk willekeurig ANT+ apparaat dat een specifiek apparaatprofiel implementeert, is compatibel met een willekeurig ander ANT+ apparaat dat hetzelfde apparaatprofiel implementeert. Nieuwe producten worden aan een ANT+ certificeringstest voor interoperabiliteit onderworpen. De certificering wordt beheerd door de ANT+ Alliance.

ANT en ANT+ waren oorspronkelijk bedoeld voor het sport- en fitness-segment, maar het product wordt tegenwoordig ook gebruikt voor toepassingen in de domotica- en industriële automatiseringssectoren. Het protocol wordt voortdurend verder ontwikkeld, met als meest recente nieuwtje de release van ANT BLAZE, een op bedrijven gerichte mesh-technologie voor IoT-toepassingen met een groot aantal nodes. (Zie Deel 3.)

Hoe zit het met ZigBee?

ZigBee is een draadloze specificatie met laag vermogen die een PHY en media access control (MAC) gebruikt die op IEEE 802.15.4 zijn gebaseerd. Bovendien gebruikt ZigBee een protocol dat onder controle van de ZigBee Alliance staat. De technologie werd ontworpen voor mesh-netwerken (waarmee het een voorsprong heeft op sommige concurrerende technologieën) in de industriële automatiserings- en domotica-sector.

ZigBee werkt in de 2,4 GHz ISM-band en 784 MHz in China, 868 MHz in Europa en 915 MHz in VS en Australië. De gegevenssnelheden liggen tussen de 20 Kbit/s (868 MHz band) tot de 250 Kbit/s (2,4 GHz band). ZigBee gebruikt 16 x 2 MHz kanalen gescheiden door 5 MHz en is dus enigszins 'spectrum-inefficiënt' vanwege de ongebruikte toewijzing.

ZigBee PRO, uitgebracht in 2007, biedt de extra functies die vereist zijn voor een degelijke implementatie, onder meer verbeterde beveiliging. De ZigBee Alliance heeft kort geleden ZigBee PRO 2017 beschikbaar gemaakt, een mesh-netwerk dat in staat is om tegelijkertijd in de 2,4 GHz en 800 - 900 MHz ISM frequentiebanden te werken. (Zie Deel 3 van deze serie voor meer informatie.)

Voldoet RF4CE aan alle voorwaarden?

Radiofrequentie voor consumentenelektronica (Radio Frequency for Consumer Electronics - RF4CE) is gebaseerd op ZigBee, maar met een protocol dat is aangepast voor de vereisten van RF afstandsbediening. RF4CE werd in 2009 gestandaardiseerd door vier fabrikanten van consumentenelektronica: Sony, Philips, Panasonic en Samsung. De technologie wordt ondersteund door diverse leveranciers van silicium waaronder Microchip, Silicon Labs en Texas Instruments. Het beoogde gebruik van RF4CE is als afstandsbedieningssysteem voor apparaten, bijvoorbeeld voor televisietoestellen. De technologie gebruikt RF om nadelen voor wat betreft interoperabiliteit, gezichtslijn en beperkte functies van infrarood (IR)-afstandsbediening te overwinnen.

Recentelijk heeft RF4CE te maken gekregen met zware concurrentie van zowel Bluetooth low-energy als ZigBee voor op afstand bediende toepassingen.

En hoe zit het met Wi-Fi?

Wi-Fi, gebaseerd op IEEE 802.11, is een bijzonder efficiënte draadloze technologie; die echter is geoptimaliseerd voor de overdracht van grote hoeveelheden data op hoge doorvoersnelheden, en niet zozeer voor een laag stroomverbruik Daarom is Wi-Fi niet geschikt voor werking op laag vermogen (knoopcelbatterijen). In de afgelopen jaren zijn verbeteringen doorgevoerd om het stroomverbruik te verbeteren, waaronder aanpassingen zoals IEEE Standard 802.11v (specificatie van de configuratie van client-apparaten terwijl deze verbonden zijn met draadloze netwerken).

IEEE 802.11ah (Wi-Fi “HaLow”), uitgebracht in 2017, werkt in de 90 MHz ISM-band en biedt voordelen als een lager energieverbruik en een groter bereik vergeleken met Wi-Fi-versie die in de 2,4 en 5 GHz-banden werken. (Zie Deel 3.)

Is NIKE+ een optie?

Nike+ is een propriëtaire draadloze technologie die ontwikkeld is door sportkledingfabrikant Nike en die gericht is op de fitnessmarkt. De technologie is primair ontworpen om een Nike “foot pod” met geïntegreerde 2,4 GHz radiochip te verbinden met mobiele apparaten van Apple die de verzamelde gegevens analyseren en presenteren. Hoewel de technologie nog steeds populair is bij een toegewijde groep fitnessfans, vertoont de hardware een dalende markttendens, omdat de nieuwe generatie smartphones dezelfde technologie bevat. Nike heeft zijn draadloze fitness-bandproduct laten vallen om zich te concentreren op software-apps voor smartphones.

De propriëtaire draadloze technologie waar het Nike+ systeem op was gebaseerd is nog steeds in gebruik voor producten als draadloze muizen en toetsenborden. Als interoperabiliteit geen vereiste is, biedt gelijksoortige technologie, zoals de nRF24LE1 van Nordic Semiconductor, prestaties die vergelijkbaar zijn met technologieën zoals bijvoorbeeld Bluetooth low-energy, zonder dat naleving van de normen vereist is.

Maar betekent IrDA al niet een oplossing voor de problemen met communicatie over korte afstanden?

De Infrared Data Association (IrDA) omvat ongeveer 50 bedrijven en heeft verschillende IR-communicatieprotocollen uitgebracht onder de naam IrDA. IrDA is geen RF-gebaseerde technologie maar gebruikt gemoduleerde impulsen van IR-licht om gegevens over te dragen. De voornaamste voordelen van de technologie zijn de ingebouwde beveiliging, aangezien het geen RF-technologie is, zeer lage bit error rate (BER) (dit betekent een verbetering van de efficiëntie), het feit dat er geen certificering voor naleving van de normen vereist is en de lage kosten. De technologie is ook beschikbaar in een hogesnelheidsversie, goed voor overdrachtssnelheden van 1 Gb/s.

Nadelen van IR-technologie zijn het beperkte bereik (met name voor de hogesnelheidsversie), de het feit dat er een '‘zichtlijn’ nodig is en het ontbreken van bidirectionele communicatie in standaard implementaties. IrDA is ook niet zo energie-efficiënt (in termen van vermogen per bit) in vergelijking met radiotechnologieën. Voor basale afstandsbedieningstoepassingen, waarbij kostenbeheersing een belangrijke parameter in het ontwerp is, behoudt IrDA zijn marktaandeel, maar wanneer geavanceerde besturingsfuncties nodig zijn, zoals voor smart-tv's, kiezen ontwerpers vaker voor Bluetooth low-energy en RF4CE.

En waar past NFC in dit plaatje?

Near Field Communication (NFC) werkt in de 13,56 MHz ISM-band. Op deze lage frequentie werken de antennes van de zend- en ontvangstlus in hoofdzaak als respectievelijk de primaire en secundaire wikkelingen van een transformator. Gegevensoverdracht verloopt eerder via het magnetische veld dan via het bijbehorende elektrische veld, omdat het laatste minder dominant is op korte afstanden. NFC draagt gegevens over op snelheden tot 424 Kbit/s. Zoals de naam al suggereert, is de technologie ontworpen voor communicatie over zeer korte afstanden (bereik van maximaal 10 cm). Deze beperking maakt dat de NFC geen directe concurrent voor Bluetooth low-energy, ZigBee, Wi-Fi en dergelijke technologieën is. Fabrikanten als NXP USA leveren siliciumproducten zoals bijvoorbeeld de CLRC66303 NFC transceiver.

Een belangrijk voordeel is dat ‘passieve’ NFC-apparaten (bijvoorbeeld betaalkaarten) geen stroom vragen, maar alleen actief worden wanneer ze zich heel dicht bij een ingeschakeld NFC-apparaat bevinden. NFC wordt op grote schaal toegepast voor contactloze betalingstechnologieën en als methode om andere draadloze technologieën zoals Bluetooth low-energy apparaten te koppelen zonder gevaar voor "man-in-the-middle" -aanvallen op de beveiliging. NFC zal waarschijnlijk een goed marktaandeel krijgen als technologie voor niche-toepassingen en een aanvulling vormen op de andere hier besproken, draadloze technologieën.

Netwerktopologieën

Draadloze technologieën met laag vermogen ondersteunen tot vijf belangrijke netwerktopologieën:

Broadcast: er wordt een bericht gezonden van een zender naar iedere willekeurige ontvanger binnen het bereik. Het kanaal is unidirectioneel en er is geen bevestiging voor ontvangst van het bericht.

Peer-to-peer: twee transceivers zijn verbonden via een bidirectioneel kanaal. De ontvangst van berichten kan worden bevestigd en er kunnen gegevens in twee richtingen worden overgedragen.

Ster: een centrale transceiver communiceert via bidirectionele kanalen met meerdere perifere transceivers. De perifere transceivers kunnen niet rechtstreeks met elkaar communiceren.

Scanning: een centraal scanningapparaat blijft in de ontvangstmodus, in afwachting om een signaal van een willekeurig zendapparaat in het bereik op te pikken. Communicatie is in één richting.

Mesh: een bericht kan van het ene punt in een netwerk naar een ander worden doorgestuurd door te 'hoppen' via bi-directionele kanalen die meerdere nodes verbinden (meestal door de diensten van nodes met extra functionaliteit zoals hubs en relais te gebruiken).

Afbeelding 2a, b, c, d en e illustreren de netwerktopologieën en Tabel 1 geeft een overzicht van welke topologieën elk van de hierboven besproken draadloze technologieën ondersteunt.

Afbeelding 2: draadloze technologieën met laag vermogen ondersteunen steeds complexere netwerktopologieën. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

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

1. Voor nodes die naar uitzendsignalen luisteren moet de continue ontvangstmodus worden geactiveerd.
2. Al het netwerkverkeer stopt en het stroomverbruik is hoog.

Tabel 1: ondersteuning van netwerktopologieën door draadloze technologieën met laag vermogen (Bron tabel: DigiKey)

Prestaties van draadloze technologie met laag vermogen

Bereik

Vaak wordt aangenomen dat het bereik van een draadloze technologie evenredig is met de vermogensuitvoer van de zender in combinatie met de RF-gevoeligheid van een ontvanger, gemeten in decibel (het "verbindingsbudget"). Een hogere vermogensoverdracht en grotere gevoeligheid vergroten het bereik vanwege de daadwerkelijke verbetering in de signaal/ruisverhouding (SNR). SNR is een maat voor het vermogen van een ontvanger om een signaal correct uit de omgevingsruis te extraheren en te decoderen. Bij een SNR-drempelwaarde overschrijft de BER de specificatie van de radio en valt de communicatie uit. Een Bluetooth low-energy ontvanger is bijvoorbeeld ontworpen om een maximum BER van slechts ongeveer 0,1% te tolereren.

Regelgevende instanties leggen beperkingen op aan het maximale uitgangsvermogen in de licentievrije 2,4 GHz ISM-band. Over het algemeen zijn de regels ingewikkeld, maar het komt er op neer dat het piekoverdrachtvermogen, gemeten aan de antenne-ingang van een systeem met frequentieverspringing ('frequency hopping') met minimaal 15 maar minder dan 75 springfrequenties, moet worden beperkt tot een piek van +21 dBm, met een beperking van de uitvoer als de isotrope antenneversterking groter dan 6 dBi is. Dit laat een maximaal equivalent isotroop uitgestraald vermogen (equivalent isotropic radiated power - EIRP) van +27 dBm toe.

Draadloze technologieën met laag vermogen voldoen niet alleen aan deze regels, maar kennen ook specificatiebeperkingen voor het zendvermogen om de levensduur van de batterij te maximaliseren. Veel van het vermogen wordt gespaard door beperkingen op te leggen aan de tijd dat de radio zich in een veel stroom verbruikende zend- of ontvangtoestand bevindt, maar fabrikanten van RF-chips besparen ook energie door het maximale Bluetooth low-energy zendvermogen tot een standaardwaarde van +4 dBm (en af en toe +8 dBm) te beperken, ruim onder de door de regelgeving opgelegde limiet van +21 dBm.

Zendvermogen en gevoeligheid zijn echter niet de enige factoren die het bereik van draadloze apparaten beperken. De omgeving waarin een apparaat werkt (bijvoorbeeld de aanwezigheid van plafonds en muren), de frequentie van de radiofrequente draaggolf, ontwerplay-out, mechanische aspecten en codeerschema's spelen allemaal een rol. Het bereik wordt gewoonlijk opgegeven voor een ‘ideale’ omgeving, maar apparaten worden vaak gebruikt in situaties waar de omstandigheden een stuk minder ideaal zijn. Signalen van 2,4 GHz worden bijvoorbeeld sterk afgezwakt door het menselijk lichaam, dus een wearable die om de pols wordt gedragen kan er moeite mee hebben om gegevens over te dragen aan een smartphone in de achterzak van een broek, zelfs als ze maar hooguit een meter van elkaar verwijderd zijn.

Deze lijst toont typische bereiken die kunnen worden verwacht van technologieën met ultralaag vermogen in een omgeving zonder hindernissen en zonder storing door andere RF-bronnen of optische bronnen:

• NFC: 10 cm
• Hoge-snelheid IrDA: 10 cm
• Nike+: 10 m
• ANT(+): 30 m
• 5 GHz Wi-Fi: 50 m
• ZigBee/RF4CE: 100 m
• Bluetooth low-energy: 100 m
• 2,4 GHz Wi-Fi: 150 m
• Bluetooth low-energy met gebruikmaking van Bluetooth 5 capaciteit voor bereiksuitbreiding: 200 tot 400 m (afhankelijk van schema voor voorwaartse foutencorrigerende codering)

Doorvoer

Gegevensoverdracht door draadloze technologieën met laag vermogen omvatten twee delen: de bits die het protocol implementeren (bijvoorbeeld pakket-ID en lengte, kanaal en controlesom, gezamenlijk aangeduid als de “overhead”) en de informatie die wordt doorgegeven (de “payload”). De verhouding tussen payload/overhead + payload bepaalt de efficiëntie van het protocol (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: draadloze laagvermogen-technologiepakketten (hier Bluetooth low-energy/Bluetooth 4.1) bestaan uit overhead en payload. De protocolefficiëntie wordt bepaald door de hoeveelheid nuttige data (payload) die in elk pakket wordt vervoerd. (Bron afbeelding: Bluetooth SIG)

De snelheid van de “onbewerkte” gegevens (overhead plus payload) is een maat voor het aantal bits dat per seconde wordt overgedragen en is vaak het cijfer dat in marketingmateriaal wordt aangehaald. De payload-gegevenssnelheid zal altijd lager zijn. (Deel 2 van deze serie zal nader ingaan op de efficiëntie van elk protocol en de impact die dit heeft op de levensduur van batterijen.)

Draadloze technologieën met laag vermogen vereisen gewoonlijk een periodieke overdracht van kleine hoeveelheden sensorgegevens tussen sensor-nodes en een centraal apparaat, waarbij het stroomverbruik tot het minimum wordt beperkt, dus bij zeer bescheiden bandbreedtes.

De volgende lijst vergelijkt de doorvoer van onbewerkte gegevens en payload voor de in dit artikel besproken technologieën. (Merk op dat dit theoretische maximumwaarden zijn, de werkelijke doorvoer is afhankelijk van configuratie en werkingsomstandigheden):

• Nike+: 2 Mbit/s, 272 bit/s (doorvoer voor ontwerp beperkt tot een pakket/s)
• ANT+: 20 Kbit/s (in burst-modus – zie hieronder), 10 Kbit/s
• NFC: 424 Kbit/s, 106 Kbit/s
• ZigBee – 250 Kbit/s (bij 2,4 GHz), 200 Kbit/s
• RF4CE (zelfde als ZigBee)
• Bluetooth low-energy – 1 Mbit/s, 305 Kbit/s
• Hi-speed IrDA – onbewerkte gegevens 1 Gbit/s, payload 500 Kbit/s
• Bluetooth low-energy met Bluetooth 5 hoge doorvoer: 2 Mbit/s, 1,4 Mbit/s
• Wi-Fi: 11 Mbit/s (laagste vermogen 802.11b modus), 6 Mbit/s

Latentie

De latentie van een draadloos systeem kan worden gedefinieerd als de tijd die verstrijkt tussen het verzenden en het ontvangen van een signaal. Hoewel het meestal slechts om een paar milliseconden gaat, is dit toch een belangrijke overweging voor draadloze toepassingen. Een lage latentie is bijvoorbeeld niet zo belangrijk voor een toepassing die een sensor misschien een keer per seconde automatisch naar gegevens vraagt, maar kan belangrijk worden voor een consumententoepassing zoals een afstandsbediening, waarbij een gebruiker een haast onmerkbare vertraging verwacht tussen het indrukken van een knop en de daaropvolgende actie.

De volgende lijst geeft een vergelijking van latenties voor de in dit artikel besproken technologieën. (Merk op ook deze afhankelijk zijn van configuratie en werkingsomstandigheden.)

• ANT: verwaarloosbaar
• Wi-Fi: 1,5 milliseconde (ms)
• Bluetooth low-energy: 2,5 ms
• ZigBee: 20 ms
• IrDA: 25 ms
• NFC: meestal iedere seconde gevraagd (maar kan door de productfabrikant worden gespecificeerd)
• Nike+: 1 seconde

Merk op dat het voor de lage latenties, die zijn vermeld voor ANT en Wi-Fi, nodig is dat het ontvangende apparaat voortdurend luistert, wat betekent dat het batterijvermogen snel wordt verbruikt. Voor sensortoepassingen met laag energieverbruik kan de levensduur van batterijen worden verbeterd door de periode voor de ANT-berichten te verlengen, ten koste van een hogere latentie.

Robuustheid en coëxistentie

Een betrouwbare overdracht van pakketten heeft een directe invloed op de levensduur van batterijen en de gebruikerservaring. Als een gegevenspakket niet kan worden afgeleverd vanwege suboptimale overdrachtsomstandigheden, interferentie door radio's uit de buurt of opzettelijke frequentieverstoring, zal een zender het blijven proberen totdat het pakket met succes is afgeleverd. Dit gaat ten koste van de levensduur van de batterijen. Bovendien zal, indien een draadloos systeem tot een enkel overdrachtskanaal beperkt is, de betrouwbaarheid ervan onvermijdelijk afnemen in omgevingen met veel verkeer.

Het vermogen van een radio om in aanwezigheid van andere radio's te werken worden coëxistentie genoemd. Dit is met name interessant wanneer de radio's in hetzelfde apparaat werken, bijvoorbeeld Bluetooth low-energy en Wi-Fi in een smartphone, met weinig scheiding ertussen. Een standaard benadering om coëxistentie te verkrijgen tussen Bluetooth en Wi-Fi is gebruik te maken van een signaalschema buiten de band, bestaande uit een bedrade verbinding tussen elke IC, waarbij wordt gecoördineerd wanneer elk ervan vrij is om te zenden of te ontvangen. In dit artikel verwijst passieve coëxistentie naar een systeem ter vermijding van storing en actieve coëxistentie naar chip-to-chip signalen.

Een beproefde methode om passieve coëxistentie te ondersteunen is kanaal-hopping. Bluetooth low-energy gebruikt frequentieverspringing over verspreide bandbreedte (frequency-hopping spread spectrum - FHSS), waarbij in een pseudo-random patroon tussen de 37 datakanalen heen en weer wordt gesprongen om interferentie te vermijden. De zogenaamde adaptieve frequentieverspringing (adaptive frequency hopping - AFH) van Bluetooth low-energy laat iedere node veelvuldig overbelaste kanalen in kaart brengen, zodat deze bij toekomstige transacties worden vermeden. De laatste versie van de specificatie (Bluetooth 5) heeft een verbeterd algoritme voor kanaalsequentie (channel sequencing algorithm - CSA #2) om de pseudo-willekeurigheid van de sequentie van het volgende kanaal waar naartoe wordt gesprongen te verbeteren, voor een betere storingsimmuniteit.

ANT ondersteunt het gebruik van meerdere RF-werkingsfrequenties, elk 1 MHz breed. Eenmaal geselecteerd loopt alle communicatie over de enkele frequentie en wordt alleen naar een ander kanaal gesprongen als op de geselecteerde frequentie een aanzienlijke verslechtering wordt ondervonden.

Om overbelasting van kanalen te beperken, gebruikt ANT een isochroon schema dat zich aanpast aan TDMA (time domain multiple access) om elke frequentieband van 1 MHz in tijdsegmenten van ongeveer 7 ms onder te verdelen. Gekoppelde apparaten op het kanaal communiceren gedurende deze tijdsegmenten, die worden herhaald volgens de ANT-berichtperiode (bijvoorbeeld iedere 250 ms of 4 Hz). In de praktijk kunnen tientallen of zelfs honderden nodes in een enkele frequentieband van 1 MHz worden ondergebracht zonder te botsen. Wanneer de gegevensintegriteit een prioriteit is, kan ANT een 'burst'-berichttechniek gebruiken; dit is een techniek voor overdracht van meerdere berichten die de volledige beschikbare bandbreedte gebruikt en die actief blijft tot alle gegevens zijn overgebracht.

Sommige van de beschikbare ANT RF-kanalen worden toegewezen en geregeld door de ANT+ Alliance om de netwerkintegriteit en -interoperabiliteit te handhaven, bijvoorbeeld 2,450 en 2,457 GHz. De Alliance adviseert om deze kanalen gedurende normaal bedrijf te vermijden.

Anders dan de FHSS-techniek van Bluetooth low-energy en het DMA-schema van ANT, gebruikt ZigBee (en RF4CE) een DSSS-methode (direct sequence spread spectrum). Gedurende DSSS wordt het signaal bij de zender gemixt met een pseudo-willekeurige code die vervolgens op de ontvanger wordt geëxtraheerd. Deze techniek zorgt voor een daadwerkelijke verbetering van de signaal/ruisverhouding door het overgedragen signaal over een brede band te spreiden (Afbeelding 4). ZigBee PRO implementeert een aanvullende techniek, bekend onder de naam 'frequency agility', waarbij een netwerkknooppunt zoekt naar vrij spectrum en de coördinator adviseert, zodat het kanaal voor het hele netwerk kan worden gebruikt. Deze functie wordt in de praktijk echter zelden gebruikt.

Afbeelding 4: ZigBee probeert storing door andere 2,4 GHz radio's af te zwakken door het overgedragen signaal over het toegewezen spectrum te spreiden. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Wi-Fi gebruikt elf 20 MHz kanalen in de VS, dertien in het grootste deel van de rest van de wereld, veertien in Japan. Binnen de grenzen van de 83 MHz breedte van de 2,45 GHz spectrumtoewijzing is er dus slechts genoeg ruimte voor drie niet-overlappende Wi-Fi kanalen (1, 6 en 11). Daarom worden deze als de default kanalen gebruikt. Niet-automatisch hoppen tussen kanalen is ingebouwd, maar gebruikers kunnen handmatig naar een ander kanaal omschakelen als de werking problemen ondervindt door interferentie.

Binnen het geselecteerde kanaal gebruikt Wi-Fi een complex mechanisme om interferentie te vermijden, dat neer komt op het combineren van DSSS met orthogonale frequentieverdeling-multiplex (orthogonal frequency division multiplex - OFDM). OFDM is een vorm van overdracht die vele dicht naast elkaar liggende draaggolven met lage-snelheid modulatie. Aangezien de signalen orthogonaal worden overgedragen, wordt de mogelijkheid tot wederzijdse interferentie als gevolg van de kleine tussenruimtes sterk teruggebracht.

5 GHz Wi-Fi werkt over een 725 MHz brede toewijzing, waardoor de veel meer niet-overlappende kanalen kunnen worden toegewezen. Het resultaat is een veel kleinere kans op interferentieproblemen in vergelijking met 2,4 GHz Wi-Fi.

Wi-Fi maakt ook gebruik van actieve coëxistentietechnologie en een mechanisme om de datasnelheden te verlagen wanneer interferentie door andere radio's wordt gedetecteerd.

Zo alomtegenwoordig is Wi-Fi. Andere 2,4 GHz-technologieën omvatten technieken om botsing met de standaard Wi-Fi kanalen (1, 6 en 11) te voorkomen. De drie advertentiekanalen van Bluetooth low-energy zijn bijvoorbeeld in de tussenruimtes tussen de Wi-Fi kanalen geplaatst (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: de advertentiekanalen van Bluetooth low-energy zijn uit de buurt van de Wi-Fi standaardkanalen geplaatst. Merk op dat er nog eens zeven kanalen zijn die vrij zijn van mogelijke Wi-Fi-interferentie. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Nike+ gebruikt een propriëtair schema met 'wendbare frequentie' (frequency agility) dat tussen kanalen omschakelt wanneer de interferentie de communicatie onderbreekt. Gezien de minimale gegevensoverdrachtsnelheid en arbeidscyclus van de technologie is dit echter zelden nodig.

IrDA implementeert geen enkele vorm van coëexistentietechnologie. Als een op licht gebaseerde technologie wordt deze waarschijnlijk alleen beïnvloed door zeer helder achtergrondlicht met een aanzienlijke IR-component. Het kleine bereik en de werking via zichtlijnen maken het onwaarschijnlijk dat zelfs tegelijk werkende IR-apparaten met elkaar zullen interfereren.

NFC implementeert een vorm van coëexistentie waarbij de lezer een NFC-tag van een specifieke kaart uit een portefeuille met meerdere NFC-kaarten selecteert. Vanwege het kleine overdrachtsbereik is interferentie tussen andere NFC-apparaten en/of andere radio's zeldzaam. Het is echter het vermelden waard dat de 13,56 MHz band harmonische in de frequentiemodulatie (FM)-band heeft die bijzonder sterk zijn bij 81,3 en 94,9 MHz. Deze harmonischen kunnen mogelijk klikkende geluiden veroorzaken in een FM-ontvanger die zich op dezelfde locatie bevindt. De FM interferentie-effecten kunnen worden verminderd door het implementeren van anti-botsing technieken, bijvoorbeeld door “skewing” of schoonmaken.

Conclusie

Er bestaan vele populaire draadloze technologieën met laag vermogen. Alhoewel elk van deze technologieën is ontworpen voor werking op batterijen en relatief bescheiden gegevensoverdracht hebben ze verschillende capaciteiten voor wat betreft bereik, doorvoer, robuustheid en coëxistentie. Deze variaties in prestaties passen bij verschillende toepassingen - zij het met een grote mate van overlapping.

Introductie tot de Delen 2 en 3: de prestatie is slechts een deel van het selectieproces, dus in Deel 2 wordt nader ingegaan op de ontwerpprincipes van elke technologie, zoals chipbeschikbaarheid, protocol stacks, toepassingssoftware, ontwerptools, antennevereisten en stroomverbruik.

Deel 3 is gewijd aan de huidige en de toekomstige ontwikkelingen die de verschillende technologieën doormaken om aan de uitdagingen van het IoT te voldoen en bevat een introductie tot een aantal recente interfaces en protocollen, zoals Wi-Fi HaLow en Thread.