Transceiver nirkabel menggunakan UWB untuk transfer data latensi rendah daya rendah
Sementara teknologi ultra-wide band (UWB) sejauh ini telah disajikan oleh beberapa perusahaan chip sebagai teknologi untuk aplikasi rentang yang baik, sebuah startup yang berbasis di Montreal, Kanada telah mengembangkan arsitektur radionya sendiri untuk memanfaatkan UWB untuk latensi ultra-rendah dan ultra-rendah. menyalakan sensor internet of things (IoT) tanpa baterai.
Spark Microsystems mengumumkan dua chip sebagai bagian dari seri SR1000 dari IC transceiver nirkabel UWB berdaya rendah yang memungkinkan kelas baru aplikasi konektivitas nirkabel jarak pendek untuk produk di mana latensi tautan komunikasi saat ini menghambat pengalaman pengguna imersif real-time yang lengkap. Dibandingkan dengan Bluetooth Low Energy (BLE), yang biasanya memiliki waktu tayang beberapa milidetik yang menyebabkan latensi nyata puluhan milidetik, transceiver SR1000 UWB dapat mengirim 1 kb data hanya dalam 50 s, menghasilkan latensi nirkabel yang jauh lebih pendek dalam jangkauan yang luas. aplikasi, seperti streaming audio.
Konsumsi daya transceiver Spark, biasanya 1nJ / bit, juga jauh lebih rendah daripada BLE, biasanya 40x lebih rendah saat beroperasi pada 1 Mbps. Dengan kecepatan transfer data hingga 10x lebih tinggi dari BLE, kemampuan 10 Mbps seri SR1000 cocok untuk aplikasi yang kaya konten, seperti streaming video, di mana tautan latensi rendah bandwidth tinggi sangat penting.
Ini akan memenuhi persyaratan produk seperti periferal game dan audio dan headset AR/VR, yang jika tidak, perlu disambungkan untuk memenuhi target daya dan latensi. Ini juga membahas persyaratan daya, latensi, dan streaming data perangkat rumah pintar dan sensor internet of things (IoT) tanpa baterai.
Tidak seperti protokol nirkabel lain yang beroperasi dalam spektrum nirkabel berlisensi yang padat, seri SR1000 UWB beroperasi dalam rentang frekuensi 3,1 GHz hingga 10,6 GHz tanpa izin menggunakan spektrum lebar kepadatan daya rendah yang biasanya -41,3 dBm/MHz. Mentransmisikan pada tingkat yang dapat dianggap sebagai noise ke penerima lain, pendekatan spektrum lebar UWB sangat membantu koeksistensi nirkabel, yang selanjutnya meningkatkan karakteristik kinerja tautan.
Radio menggunakan impuls waktu singkat daripada frekuensi pembawa Pendiri dan CTO Spark Microsystems, Frederic Nabki, menjelaskan kepada embedded.com bagaimana mereka mencapai target daya dan latensi. Dia mengatakan teknologi seperti Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave dan bahkan 5G semuanya menggunakan frekuensi pembawa termodulasi untuk mengirimkan data. Operator-operator ini membutuhkan banyak waktu untuk memulai dan menstabilkan, dan perangkat keras yang kompleks untuk memastikan mereka berada dalam fase dan memiliki sifat fase yang baik; akibatnya, mereka membutuhkan sejumlah besar daya untuk pemeliharaan.
Spark telah membawanya ke arah yang berbeda. Alih-alih operator, radionya menggunakan impuls waktu yang menghasilkan pulsa 2ns, dan karena operator itu sendiri bukan bagian dari persamaan secara langsung, Anda akhirnya tidak harus melayani operator itu. Dia mengatakan itu berarti Anda tidak memiliki waktu startup yang lama atau sirkuit yang rumit untuk mengelola operator itu. Ini menghasilkan waktu startup yang lebih cepat dan transmisi data yang lebih cepat, karena lebar pulsa hanya 2ns, yang berarti Anda dapat mengulanginya dengan cukup cepat, dan juga dapat disinkronkan dengan cepat. Produk sampingan dari kebutuhan untuk menghasilkan impuls durasi waktu singkat adalah bahwa radio Spark membutuhkan bandwidth yang sangat lebar dan menggunakan impuls untuk berkomunikasi.
Nabki mengatakan tantangannya adalah bagaimana membuat pemancar dan penerima hidup dan mati dalam jangka waktu mikrodetik untuk memanfaatkan tindakan cepat yang dimungkinkan oleh impuls. Dia berkomentar, “Karena Anda dapat bertindak cepat, Anda dapat secara agresif menjalankan siklus radio, tetapi bagaimana Anda menjaga kedua radio ini tetap sinkron, jika Anda memiliki pemancar dan penerima, Anda menghidupkan dan mematikan setiap 50-an misalnya? Kami harus menemukan teknologi untuk memperbaiki masalah itu. Dan terakhir, bagaimana kita menjaga agar sistem tetap tepat waktu, tidak hanya disinkronkan?”
Semua radio nirkabel memerlukan kristal kuarsa untuk memberi mereka basis waktu yang cukup tepat bagi mereka untuk mempertahankan sinkronisasi tetapi juga untuk melayani frekuensi pembawa mereka. “Dalam kasus kami, kami bekerja sangat keras untuk memanfaatkan teknologi UWB untuk memungkinkan kami menjalankan dari pengatur waktu daya sangat rendah yang merupakan kristal kuarsa 32 kHz – pada dasarnya apa yang Anda miliki di jam tangan Anda, biaya sangat rendah dan daya sangat rendah. Itulah pilihan yang kami buat tidak hanya untuk mengurangi daya transceiver kami, kami juga ingin mengurangi daya di tingkat sistem.”
Nabki juga menjelaskan bagaimana transceiver Spark hidup berdampingan dengan radio lain. “Kita semua tahu bahwa Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee mendukung 2,4GHz, dan pita itu benar-benar padat. Pita 5GHz juga sangat padat. Spark UWB hidup antara 3,1 GHz dan 10.6GHz. Ini gratis untuk digunakan, sehingga memiliki keunggulan yang sama seperti Bluetooth, Zigbee, dan Wi-Fi dengan tidak harus melisensikan spektrum. Tetapi memiliki EMI (interferensi elektromagnetik) dan emisi yang jauh lebih rendah karena jika Anda melihat daya yang dipancarkan radio Spark, ini sekitar 1.000 kali lebih kecil dari radio Wi-Fi dan sekitar 100 kali lebih kecil dari radio Bluetooth. Artinya, Anda dapat hidup berdampingan lebih baik dengan radio lain, artinya bagi radio lain ini Anda dianggap sebagai tingkat kebisingan, mereka tidak benar-benar melihat Anda, sensitivitas Anda di bawah mereka.”
Yang penting, kelemahan radio UWB hingga saat ini adalah sensitivitas terhadap interferensi pada pita. Oleh karena itu Nabki mengatakan Spark telah mengembangkan mekanisme penolakan dan mitigasi unik yang memungkinkannya tahan terhadap gangguan pita sempit yang berasal dari Wi-Fi dan pita seluler. “Kami percaya itu akan menjadi properti utama sistem kami karena Wi-Fi mulai merambah lebih banyak ke spektrum UWB dengan Wi-Fi 6 dan kami siap untuk itu.”
Spark telah mengembangkan dua produk yang hanya transceiver. Nabki menjelaskan bahwa menempatkan inti CPU di dalamnya akan membutuhkan upaya rekayasa ekstra, dan tujuan mereka terutama untuk mendapatkan pasar dengan cepat. “Sirkuit dapat digerakkan dengan baterai, tanpa perlu konverter DC-DC, semuanya ada dalam chip. Anda tidak memerlukan apa pun di luar kecuali kristal 32kHz itu. Anda memang membutuhkan mikrokontroler off chip dan yang menjalankan protokol. Dalam peta jalan kami, pada akhirnya kami akan membawa MCU ke chip dalam produk generasi kedua.”
UWB bukan hanya penentuan posisi, ini tentang latensi rendah, transfer data daya rendah Nabki menjelaskan bahwa ketika dia dan salah satu pendirinya memulai sekitar satu dekade lalu dengan UWB, target mereka bukanlah positioning. “Kami pikir ini adalah fitur yang keren, tetapi UWB jauh lebih dari itu. Ini dapat mengaktifkan daya sangat rendah, komunikasi latensi sangat rendah. Itu dapat berkomunikasi dengan daya beberapa mikrowatt, dengan latensi rendah, dan berdampingan dengan WiFi. Bagi kami mulai ada di sana, kami bisa melakukannya, dan dengan kekuatan yang jauh lebih rendah daripada orang lain, tetapi itu belum tentu merupakan janji tertinggi. Janji tertinggi adalah transfer data dengan latensi sangat rendah dan komunikasi daya sangat rendah.”
Dia mengatakan sementara radio Spark adalah milik dan belum menjadi standar, mereka berharap itu akan menjadi standar. “Cara orang melakukan standar UWB saat ini adalah mereka berfokus pada jangkauan, dan kemudian bertanya pada diri sendiri:bagaimana cara membuat radio UWB berdasarkan arsitektur nirkabel saat ini. Akibatnya, mereka berakhir dengan mesin RF yang sangat besar yang membutuhkan banyak daya, bukan biaya rendah, dan kami sudah mendengar sebagian besar pembuat mobil memesan teknologi UWB untuk mobil kelas atas karena itu. Apa yang dilakukan Spark sangat berbeda. Kami memulai dari awal yang kosong.”
Dia mengatakan bahwa jangkauan adalah salah satu fitur yang dapat dilakukan oleh transceiver Spark, tetapi ada aplikasi potensial yang lebih luas yang menggabungkan jangkauan dengan komunikasi; selain itu, mereka dapat mengaktifkan kecepatan data rendah dan komunikasi latensi rendah dengan kecepatan data tinggi. Dia menambahkan, “Kami dapat melakukan sistem tanpa baterai. Tidak ada yang dapat memiliki sistem yang mengalirkan data secara terus-menerus pada kecepatan data yang sehat dalam beberapa mikrowatt daya. Kami dapat melakukan sistem yang lebih tradisional dengan lebih baik, seperti mengurangi konsumsi daya perangkat streaming audio.”
Satu-satunya faktor yang dimiliki Spark dengan perangkat berbasis UWB lainnya adalah penggunaan spektrum yang sama. “Sisanya benar-benar direkayasa ulang dari inti untuk memberikan konektivitas nirkabel generasi berikutnya untuk jaringan area pribadi, jaringan area tubuh, dan ruang IoT.”
Fares Mubarak, CEO Spark Microsystems menjelaskan lebih lanjut. “Kami sekitar 40 kali lebih rendah dari Bluetooth Low Energy dalam hal konsumsi daya. Bahkan dengan Bluetooth 5.1 dan 5.2 membuat langkah, kami masih lebih baik 20x jika dibandingkan dengan Bluetooth 5.2. Kami memiliki latensi 60 kali lebih rendah. Latensi kami secara native lebih rendah. Kita bisa melakukan 50µs airtime untuk 1kb transmisi data. Tetapi selain itu, kami dapat mencapai urutan tingkat transmisi data yang lebih tinggi. Kami memiliki EMI (interferensi elektromagnetik) dua kali lipat lebih rendah, dan karena kami adalah radio pita ultra lebar, kami dapat mencapai posisi waktu penerbangan yang dapat memberi Anda akurasi 30 cm pada jangkauan radio dengan daya yang sangat rendah.”
Berbicara tentang pasar perangkat UWB saat ini, Mubarak berkomentar, “UWB hari ini dikenal dari Decawave, NXP, dan chip iPhone U1 terbaru, semuanya dikenal untuk penentuan posisi daya yang sangat rendah. Mereka mengklaim akurasi 10cm, tetapi dayanya sangat tinggi, mungkin karena arsitektur yang mereka gunakan dengan standar 802.15.4z yang menyebabkan daya.”
Sebagai perbandingan, dia mengatakan transceiver Spark memungkinkan akurasi 30cm dengan daya hampir dua kali lipat lebih rendah. “Dan generasi berikutnya kami juga bisa mencapai 10 cm, dengan daya rendah. Kami membedakan diri kami dari UWB saat ini dengan keunggulan daya yang signifikan. Kita bisa menjadi radio yang membangunkan. Kebanyakan nirkabel saat ini adalah daya tinggi dan karenanya membutuhkan radio bangun daya yang sangat rendah; ini terutama terjadi di UWB, untuk membangunkan MCU dan radio.”
Menargetkan game, audio, dan rumah pintar Mubarak mengatakan tujuan perusahaan saat ini adalah untuk mencapai validasi dengan cepat untuk teknologinya di ruang konsumen, terutama di hub game, audio, dan game. Dia memberikan beberapa perspektif untuk bermain game. “Jika Anda melihat audio terkompresi hari ini dengan earbud tersebut, Anda mendapatkan latensi hampir 200 md. Kami telah mendemonstrasikan audio berkualitas fidelitas tinggi dengan latensi di bawah 5 md. Benar-benar tidak terkompresi. Di periferal untuk mouse dan keyboard, yang responsivitas adalah kuncinya dalam bermain game, dan kami telah mendemonstrasikan latensi sub milidetik – kami dapat menurunkan latensi hingga seperempat milidetik (250 s).”
Untuk rumah pintar, asisten pintar adalah target utama dalam hal suara dan kontrol. Mubarak mengklaim mereka memiliki beberapa evaluasi dengan pemimpin pasar yang terjadi di daerah itu. Pada sensor keamanan, terutama untuk keamanan rumah, katanya 60% perawatannya adalah harus mengganti baterai mati di sensor. Oleh karena itu, target Spark adalah untuk mengaktifkan node sensor tanpa baterai yang andal untuk sensor kecepatan data rendah yang diperlukan untuk deteksi gerakan, sensor jendela dan pintu, yang dapat ditenagai oleh pencahayaan dalam ruangan.
Di bidang otomotif, Mubarak mengatakan perusahaan telah melakukan proyek EBT sebagai bukti konsep untuk memenuhi kebutuhan daya yang sangat rendah dalam sistem pemantauan tekanan ban dan key fob jarak jauh dengan masa pakai baterai lebih dari 10 tahun.
Seri SPARK Microsystems SR1000 terdiri dari dua varian produk yang identik untuk mengakomodasi alokasi spektrum regional yang berbeda:SR1010 untuk 3,1 GHz hingga 6 GHz, dan SR1020 untuk 6 GHz hingga 9,5 GHz. Seri SR1000 juga dapat digunakan untuk berbagai aplikasi rentang dan pemosisian selain menyediakan tautan data simetris rendah emisi, daya rendah, dan latensi rendah. Berbagai alat evaluasi, papan pengembangan, dan desain referensi khusus aplikasi untuk seri SR1000 tersedia dan membantu pembuatan prototipe cepat dari desain awal.
