НТЛ ЭлИн > Wireless Sensor Tags > Радиообмен

Радиообмен

Общей проблемой большинства беспроводных систем является единичная или случайная "потеря связи", которая обусловлена ограниченной дальностью и ненадёжностью беспроводного соединения. Также диапазон беспроводных устройств значительно снижается различными препятствиями, к примеру, при размещении составляющих их элементов внутри холодильника, за металлической дверью, за железобетонной стенкой. Поэтому главным эксплуатационным качеством любой беспроводной системы, безусловно, является устойчивость беспроводной связи, или по‑другому устойчивость радиообмена.

В этом смысле важен выбор эффективной беспроводной платформы. При этом следует учитывать, что при реализации решений, подобных Wireless Sensor Tags, информационный обмен сводится к пересылке всего нескольких байт, в то время, как распространённые сегодня беспроводные стандарты, например, WLAN или Bluetooth, рассчитаны на передачу мегабайтов информации, транслируя, в том числе, видеоизображения и/или звуковой контент. Поэтому их использование явно неэффективно для систем, построенных на базе технологий, подобных Wireless Sensor Tags.

Между тем в настоящее время на мировом рынке интегральных компонентов уже имеется большое число современных миниатюрных узкополосных приёмопередатчиков, реализующих эффективный радиообмен именно для маломощных приложений. Их возможности позволяют достичь дальности связи в километры, при очень низких скоростях передачи данных и невысокой пропускной способности, используя для этого достаточно точный и стабильный эталон частоты (термокомпенсированный кварцевый резонатор) и небольшую интегральную антенну. Обычно подобные радиотрансиверы рассчитаны для работы в разрешённых международными правилами радиодиапазонах. Поэтому именно такое решение было использовано специалистами компании Cao Gadgets при создании элементов технологии Wireless Sensor Tags. Причём был выбран наиболее бюджетный малопотребляющий приёмопередатчик из всех представленных сегодня на рынке, а его антенна была реализована благодаря нескольким компонентам поверхностного монтажа, установленным непосредственно на плате тега, что позволило значительно уменьшить габариты всего устройства.

В условиях прямой видимости радиус радиообмена между менеджером и тегами Wireless Sensor Tags превышает 213 метров. Это означает, что теги системы будут надёжно функционировать в любом месте, независимо от того, находятся ли они на большом расстоянии, внутри холодильника, за металлической дверью, внутри термоконтейнера, даже в кузове рефрижератора, который стоит рядом на стоянке. Специалисты Cao Gadgets добились этого благодаря комбинации нескольких факторов: увеличенной мощности радиопередатчика до предельной величины, разрешённой FCC (Federal Communications Commission ‑ Федеральная комиссия по связи США), и одновременно использованию оптимального индекса модуляции частоты, а также увеличению точности опорной частоты (10 ppm) и внедрению специальных методов управления частотой, позволяющих благодаря узкой полосе пропускания приёмника (20 кГц) лучше фильтровать шумы. Величина 20 кГц в 1000 раз уже полосы пропускания Wi‑Fi. Благодаря улучшенной DSP‑фильтрации уменьшенный в 1000 раз шум на выходе приёмника каждого тега приводит к более высокой чувствительности и бо́льшей дальности радиообмена, даже с учётом намного меньшей мощности передатчика (по сравнению с Wi‑Fi), что делает возможным применение для питания тегов Wireless Sensor Tags миниатюрных литиевых батарей и даже значительно увеличивает срок их жизни.

Интегральные радиотрансиверы тегов могут выключать приёмник сразу после того, как он определит, что мощность радиосигнала в пределах узкополосного канала в течение нескольких последних циклов была меньше, чем фоновый шум. Использование этой функции позволяет существенно увеличить продолжительность автономной работы тега.

Кроме того, технология Wireless Sensor Tags позволяет осуществлять контроль мощности передачи тэгов. Для этого менеджер измеряет мощность радиосигнала каждого тега, а затем автоматически рассчитывает и отсылает тегу рекомендованное значение уровня мощности передачи, оптимальное именно для этого тега. Т.о. каждый тэг всегда использует такую мощность передачи, которая необходима для надёжного радиообмена с менеджером. Поэтому, если тег установлен в месте, близком к менеджеру, продолжительность «жизни» его батареи будет дольше, чем у тега, находящегося на бо́льшем расстоянии от менеджера.

С другой стороны каждый тег системы настраивается на передачу статусной информации к менеджеру в определённом интервале времени. Получив статусную информацию, менеджер передает в ответ код подтверждения приёма обратно к тегу. Когда тег не получает подтверждения, он повторяет передачу статусной информации много раз, прежде чем окончательно отказаться от радиообмена с менеджером и перейти в режим “сна” (т.е. в режим ожидания (stand by)).

Когда менеджер не получает информацию о статусе тега в течение определённого для него интервала плюс небольшого дополнительного времени, необходимого для повторной передачи, его программа управления делает вывод, что тег “спит”, и поэтому более не отправляет к тегу повторные запросы. Поэтому, даже если из‑за временного перебоя одна передача будет неуспешной, менеджер сможет надёжно различить находится тег вне зоны радиообмена, или тег “спит”.

Благодаря доступу к настройкам радиообмена между тегами и менеджером пользователь может воспользоваться выбором различных частот для устранения наиболее характерных и распространённых радиопомех, а также разрешать компромисс между дальностью связи, временем отклика и сроком службы батареи. При этом производитель гарантирует, что все параметры таких настроек тщательно подобраны и точно отрегулированы.

При настройках радиообмена можно выбрать частоту канала радиообмена. Используемый элементами Wireless Sensor Tags диапазон частот располагается в полосе от 431,04 МГц до 439,36 МГц. Он занимает в целом 8,32 МГц и состоит из 105 каналов. Все такие каналы равноценны. При этом выбор канала следует осуществлять исходя характеристик радиообмена радиоконкурентов работающих в этом же диапазоне частот, также расположенных в районе размещения элементов Wireless Sensor Tags, которые способны создавать помехи радиообмену.

Также пользователю доступна настройка времени отклика тега. Чем больше время отклика, тем больше срок службы батареи.

Кроме того, пользователь может выбрать комбинацию дополнительных параметров, включающую: скорость передачи данных в системе, ширину полосы пропускания радиоканала (BW), точность настройки центральной частоты радиоканала. При этом расширение полосы пропускания и высокая скорость передачи данных позволяет передать бо́льшее количество информации. Применение более узкополосной связи и снижение скорости передачи данных, предполагает увеличение дальности связи.

Т.о., задача пользователя сводится к выбору центральной частоты радиоканала радиосвязи с тегами и к нахождению компромисса между скоростью передачи данных, шириной полосы пропускания радиоканала (BW) и точностью настройки его центральной частоты. Низкие скорости передачи данных обеспечивают бо́льшие дальности связи, но меньший срок службы батареи, и соответственно наоборот. Более узкий канал (самый узкий – 20 кГц) и повышение точности частоты радиоканала увеличивают дальность связи, и соответственно наоборот.

Кроме того любой из тегов Wireless Sensor Tags может быть переведён в особый низкопотребляющий режим приёма, значительно увеличивающий ресурс баратеи его питания. Режим низкого потребления при приёме оптимален, когда теги находятся в пределах радиодиапазона дальности менеджера и дрейф установленной частоты радиообмена не выходит за заданные пределы (поэтому, калибровка частоты не требуется). Если же уровень радиосигнала снижается или дрейф частоты радиообмена превышает норму, режим пониженного потребления неэффективен

Режим низкого потребления при приёме работает хорошо только тогда, когда радиоканал не занят (отсутствие в эфире команд менеджера к другим тегам), по крайней мере, в течение 10 секунд до посылки к тегу команды на включение этого режима. Если же, сразу после команды к другому тегу, следующая команда отправляется менеджером к тегу, переключённому в режим низкого потребления, время задержки реакции на эту команду будет значительно больше, чем обычно.