Los transceptores inalámbricos utilizan UWB para la transferencia de datos de baja latencia y baja potencia

Si bien la tecnología de banda ultra ancha (UWB) ha sido presentada hasta ahora por varias compañías de chips como una tecnología para aplicaciones de rango fino, una startup con sede en Montreal, Canadá, ha desarrollado su propia arquitectura de radio para utilizar UWB para latencia ultrabaja y ultrabaja. alimenta sensores de Internet de las cosas (IoT) sin batería.

Spark Microsystems anunció dos chips como parte de su serie SR1000 de circuitos integrados de transceptores inalámbricos UWB de baja potencia que permiten una nueva clase de aplicaciones de conectividad inalámbrica de corto alcance para productos donde la latencia del enlace de comunicaciones actualmente obstaculiza una experiencia de usuario inmersiva en tiempo real completa. En comparación con Bluetooth Low Energy (BLE), que normalmente tiene un tiempo de transmisión de unos pocos milisegundos, lo que provoca una latencia notable de decenas de milisegundos, el transceptor SR1000 UWB puede enviar 1 kb de datos en solo 50 µs, lo que produce una latencia inalámbrica significativamente más corta en un amplio rango. de aplicaciones, como la transmisión de audio.

El consumo de energía del transceptor Spark, típicamente 1 nJ / bit, también es significativamente más bajo que BLE, típicamente 40 veces más bajo cuando opera a 1 Mbps. Con una tasa de transferencia de datos hasta 10 veces más alta que BLE, la capacidad de 10 Mbps de la serie SR1000 se adapta a aplicaciones ricas en contenido, como transmisión de video, donde los enlaces de baja latencia y ancho de banda alto son esenciales.

Esto abordará los requisitos de productos como periféricos para juegos y auriculares de audio y AR / VR, que de otro modo tendrían que estar conectados para cumplir con los objetivos de potencia y latencia. También aborda los requisitos de energía, latencia y transmisión de datos de los dispositivos domésticos inteligentes y los sensores de Internet de las cosas (IoT) sin batería.

A diferencia de otros protocolos inalámbricos que operan dentro de espectros inalámbricos con licencia congestionados, la serie SR1000 UWB opera en el rango de frecuencia sin licencia de 3.1 GHz a 10.6 GHz utilizando una densidad de potencia baja de amplio espectro que es típicamente -41.3 dBm / MHz. Al transmitir a niveles que pueden percibirse como ruido para otros receptores, el enfoque de amplio espectro de UWB ayuda en gran medida a la coexistencia inalámbrica, mejorando aún más las características de rendimiento del enlace.

Radios que utilizan impulsos de corta duración en lugar de frecuencias portadoras
El cofundador y director de tecnología de Spark Microsystems, Frederic Nabki, explicó a embedded.com cómo logran los objetivos de potencia y latencia. Dijo que tecnologías como Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave e incluso 5G utilizan frecuencias portadoras moduladas para transmitir datos. Estos portadores requieren una cantidad significativa de tiempo para iniciarse y estabilizarse, y un hardware complejo para garantizar que estén en fase y tengan buenas propiedades de fase; como resultado, requieren una cantidad significativa de energía para mantener.

Spark lo ha llevado en una dirección diferente. En lugar de portadoras, su radio usa impulsos de tiempo que generan pulsos de 2ns, y debido a que la portadora en sí no es parte de la ecuación directamente, usted termina sin tener que dar servicio a esa portadora. Dijo que eso significa que no tienes el tiempo de inicio prolongado o los circuitos complejos para administrar ese operador. Esto produce un tiempo de inicio más rápido y una transmisión de datos más rápida, porque los pulsos tienen solo 2ns de ancho, lo que significa que puede repetirlos con bastante rapidez y también se pueden sincronizar rápidamente. El subproducto de la necesidad de generar impulsos de corta duración es que las radios Spark requieren un ancho de banda muy amplio y utilizan los impulsos para comunicarse.

Nabki dijo que el desafío estaba en cómo hacer que el transmisor y el receptor se enciendan y apaguen en microsegundos para aprovechar la acción rápida que permiten los impulsos. Comentó:“Debido a que puede actuar rápidamente, puede realizar un ciclo de trabajo agresivo con la radio, pero ¿cómo mantiene estas dos radios sincronizadas, si tiene un transmisor y un receptor, por ejemplo, los enciende y apaga cada 50 µs? Tuvimos que idear una tecnología para solucionar ese problema. Y finalmente, ¿cómo mantenemos el sistema cronometrado, no solo sincronizado? ”

Todas las radios inalámbricas necesitan un cristal de cuarzo para proporcionarles una base de tiempo que sea lo suficientemente precisa para mantener la sincronización, pero también para dar servicio a las frecuencias portadoras. “En nuestro caso, trabajamos muy duro para aprovechar la tecnología UWB para permitirnos funcionar con un temporizador de muy baja potencia, que es un cristal de cuarzo de 32 kHz, esencialmente lo que tiene en su reloj, muy bajo costo y muy baja potencia. Esa es la elección que tomamos no solo para reducir la potencia de nuestro transceptor, también queríamos reducir la potencia a nivel del sistema ".

Nabki también explicó cómo los transceptores Spark coexisten con otras radios. “Todos sabemos que Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee están usando 2.4GHz y esa banda está realmente congestionada. La banda de 5 GHz también está muy congestionada. Spark UWB vive entre 3,1 GHz y 10,6 GHz. Es de uso gratuito, por lo que tiene la misma ventaja que Bluetooth, Zigbee y Wi-Fi al no tener que licenciar el espectro. Pero tiene EMI (interferencia electromagnética) y emisiones mucho más bajas porque si miras la potencia que transmite la radio Spark, es aproximadamente 1,000 veces menos que una radio Wi-Fi y aproximadamente 100 veces menos que una radio Bluetooth. Esto significa que te permite coexistir mejor con otras radios, lo que significa que estas otras radios te perciben como un nivel de ruido, realmente no te ven, estás por debajo de su sensibilidad ".

Es importante destacar que el talón de Aquiles de las radios UWB hasta la fecha ha sido la sensibilidad a la interferencia en la banda. Por lo tanto, Nabki dijo que Spark ha desarrollado mecanismos únicos de rechazo y mitigación que le permiten ser impermeable a las interferencias de banda estrecha provenientes de Wi-Fi y bandas celulares. "Creemos que será una propiedad clave de nuestro sistema a medida que Wi-Fi comience a invadir cada vez más el espectro UWB con Wi-Fi 6 y estamos listos para ello".

Spark ha desarrollado dos productos que son solo transceptores. Nabki explicó que instalar un núcleo de CPU habría requerido un esfuerzo de ingeniería adicional, y su objetivo es principalmente llegar al mercado rápidamente. “El circuito puede funcionar con una batería, sin necesidad de un convertidor CC-CC, todo está en el chip. No necesitas nada externo excepto ese cristal de 32 kHz. Necesita un microcontrolador fuera de chip y que ejecute el protocolo. En nuestra hoja de ruta, eventualmente llevaremos la MCU al chip en un producto de segunda generación ”.

UWB no es solo posicionamiento, se trata de baja latencia, transferencia de datos de bajo consumo
Nabki explicó que cuando él y su cofundador comenzaron hace una década con UWB, su objetivo no era el posicionamiento. “Pensamos que es una característica interesante, pero UWB es mucho más que eso. Puede permitir una comunicación de ultrabaja potencia y ultrabaja latencia. Puede comunicarse con unos pocos microvatios de potencia, con baja latencia y coexistir con WiFi. Para nosotros, el rango está ahí, podemos hacerlo, y con una potencia mucho menor que los otros muchachos, pero no es necesariamente la mayor promesa. La mayor promesa es la transferencia de datos con latencia ultrabaja y comunicación de energía ultrabaja ”.

Dijo que si bien las radios de Spark son propietarias y aún no son un estándar, esperan que se convierta en un estándar. “La forma en que la gente hizo el estándar UWB hoy es que se centraron en el alcance y luego se preguntaron:¿cómo hago una radio UWB basada en las arquitecturas inalámbricas actuales? Como resultado, terminaron con máquinas de RF muy grandes que requieren mucha potencia, no bajo costo, y ya estamos escuchando que la mayoría de los fabricantes de automóviles están reservando la tecnología UWB para automóviles de alta gama debido a eso. Lo que hizo Spark fue muy diferente. Empezamos desde una pizarra en blanco ".

Dijo que el alcance es una de las características que pueden hacer los transceptores de Spark, pero hay aplicaciones potenciales más amplias que combinan el alcance con la comunicación; Además, pueden permitir una velocidad de datos baja y una velocidad de datos alta y una comunicación de baja latencia. Añadió:“Podemos hacer sistemas sin batería. Nadie puede tener un sistema que transmita datos de forma continua a una velocidad de datos saludable en unos pocos microvatios de potencia. Podemos mejorar los sistemas más tradicionales, como reducir el consumo de energía de los dispositivos de transmisión de audio ”.

El único factor que Spark tiene en común con otros dispositivos basados ​​en UWB es el uso del mismo espectro. "El resto está realmente rediseñado desde el núcleo para brindar conectividad inalámbrica de próxima generación para la red de área personal, la red de área corporal y el espacio de IoT".

Fares Mubarak, el director ejecutivo de Spark Microsystems, explicó más. “Somos aproximadamente 40 veces más bajos que Bluetooth Low Energy en lo que respecta al consumo de energía. Incluso con Bluetooth 5.1 y 5.2 avanzando, somos 20 veces mejores en comparación con Bluetooth 5.2. Tenemos una latencia 60 veces menor. Nuestra latencia es nativamente más baja. Podemos hacer 50µs de tiempo aire por 1kb de transmisión de datos. Pero además de eso, podemos lograr una tasa de transmisión de datos de un orden de magnitud mayor. Tenemos una EMI (interferencia electromagnética) dos órdenes de magnitud más baja, y debido a que somos una radio de banda ultra ancha, podemos lograr un posicionamiento de tiempo de vuelo que puede brindarle una precisión de 30 cm en el rango de la radio a muy baja potencia ".

Hablando sobre el mercado actual de dispositivos UWB, Mubarak comentó:“UWB se conoce hoy por Decawave, NXP y el último chip iPhone U1, todos conocidos por su posicionamiento de energía ultrabaja. Afirman una precisión de 10 cm, pero es una potencia muy alta, probablemente debido a la arquitectura que están usando con el estándar 802.15.4z que está causando la potencia ".

En comparación, dijo que los transceptores Spark permiten una precisión de 30 cm con una potencia casi dos órdenes de magnitud menor. “Y nuestra próxima generación también puede llegar a los 10 cm, a baja potencia. Nos diferenciamos del UWB actual con una ventaja energética significativa. Podemos ser una radio de despertador. La mayoría de los dispositivos inalámbricos actuales son de alta potencia y, por lo tanto, necesitan una radio de activación de muy baja potencia; este es especialmente el caso en UWB, para despertar la MCU y la radio ”.

Apuntando a juegos, audio y hogares inteligentes
Mubarak dijo que el objetivo de la compañía en este momento es lograr la validación rápidamente de su tecnología en el espacio del consumidor, especialmente en los centros de juegos, audio y juegos. Dio algo de perspectiva para los juegos. “Si miras el audio comprimido hoy con esos auriculares, obtienes casi 200ms de latencia. Hemos demostrado una calidad de audio de alta fidelidad con una latencia inferior a 5 ms. Totalmente descomprimido. En los periféricos para ratones y teclados, para los cuales la capacidad de respuesta es clave en los juegos, y hemos demostrado una latencia de menos de milisegundos, podemos tener una latencia de un cuarto de milisegundo (250 µs) ".

Para los hogares inteligentes, los asistentes inteligentes son un objetivo clave en términos de voz y control. Mubarak afirma que tiene bastantes evaluaciones con líderes del mercado en esa área. En los sensores de seguridad, especialmente para la seguridad del hogar, dijo que el 60% de su mantenimiento está en tener que reemplazar las baterías agotadas en los sensores. Por lo tanto, el objetivo de Spark es habilitar nodos de sensores confiables sin batería para los sensores de baja velocidad de datos necesarios para la detección de movimiento, sensores de ventanas y puertas, que pueden ser alimentados por iluminación interior.

En el sector automotriz, Mubarak dijo que la compañía ha realizado proyectos NRE como prueba de concepto para satisfacer demandas de energía ultrabaja en sistemas de monitoreo de presión de llantas y llaveros remotos con más de 10 años de duración de la batería.

La serie SR1000 de SPARK Microsystems comprende dos variantes de producto con clavijas idénticas para adaptarse a las diferentes asignaciones de espectro regionales:el SR1010 para 3,1 GHz a 6 GHz y el SR1020 para 6 GHz a 9,5 GHz. La serie SR1000 también se puede utilizar para una variedad de aplicaciones de posicionamiento y rango, además de proporcionar un enlace de datos simétrico de bajas emisiones, baja potencia y baja latencia. Hay disponible una gama de herramientas de evaluación, placas de desarrollo y diseños de referencia específicos de la aplicación para la serie SR1000 que ayudan a la creación rápida de prototipos de los diseños iniciales.