Draadloze zendontvangers gebruiken UWB voor gegevensoverdracht met laag vermogen en lage latentie

Terwijl ultra-wide band (UWB)-technologie tot dusver door verschillende chipbedrijven is gepresenteerd als een technologie voor verfijnde toepassingen, heeft een in Montreal, Canada gevestigde startup zijn eigen radio-architectuur ontwikkeld om UWB te gebruiken voor ultra-lage latentie en ultra-lage voeding batterijloze Internet of Things (IoT)-sensoren.

Spark Microsystems heeft twee chips aangekondigd als onderdeel van zijn SR1000-serie van low-power UWB draadloze transceiver-IC's die een nieuwe klasse van draadloze verbindingstoepassingen op korte afstand mogelijk maken voor producten waar de latentie van communicatieverbindingen momenteel een complete realtime meeslepende gebruikerservaring belemmert. Vergeleken met Bluetooth Low Energy (BLE), dat doorgaans een zendtijd van enkele milliseconden heeft en een merkbare latentie van tientallen milliseconden veroorzaakt, kan de SR1000 UWB-transceiver 1 kb aan gegevens verzenden in slechts 50 µs, wat een aanzienlijk kortere draadloze latentie oplevert in een breed bereik van toepassingen, zoals audiostreaming.

Het stroomverbruik van de Spark-transceiver, meestal 1 nJ / bit, is ook aanzienlijk lager dan BLE, meestal 40x lager bij gebruik met 1 Mbps. Met een gegevensoverdrachtsnelheid tot 10x hoger dan BLE, is de 10 Mbps-capaciteit van de SR1000-serie geschikt voor toepassingen met veel inhoud, zoals videostreaming, waar links met een hoge bandbreedte en lage latentie essentieel zijn.

Dit komt tegemoet aan de vereisten van producten zoals gaming-randapparatuur en audio- en AR/VR-headsets, die anders bedraad zouden moeten worden om te voldoen aan de doelstellingen voor stroom en latentie. Het beantwoordt ook aan de stroom-, latentie- en datastreamingvereisten van smarthome-apparaten en batterijloze Internet of Things (IoT)-sensoren.

In tegenstelling tot andere draadloze protocollen die werken binnen overbelaste gelicentieerde draadloze spectra, werkt de SR1000 UWB-serie in het niet-gelicentieerde 3,1 GHz tot 10,6 GHz frequentiebereik met behulp van een breed spectrum lage vermogensdichtheid die typisch -41,3 dBm/MHz is. De UWB-breedspectrumbenadering, die uitzendt op niveaus die door andere ontvangers als ruis kunnen worden ervaren, helpt de draadloze co-existentie enorm, waardoor de prestatiekarakteristiek van de verbinding verder wordt verbeterd.

Radio's die korte tijdimpulsen gebruiken in plaats van draaggolffrequenties
Frederic Nabki, mede-oprichter en CTO van Spark Microsystems, legde aan embedded.com uit hoe ze de doelen voor vermogen en latentie bereiken. Hij zei dat technologieën zoals Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave en zelfs 5G allemaal gemoduleerde draaggolffrequenties gebruiken om gegevens te verzenden. Deze dragers hebben een aanzienlijke hoeveelheid tijd nodig om op te starten en te stabiliseren, en complexe hardware om ervoor te zorgen dat ze in fase zijn en goede fase-eigenschappen hebben; als gevolg daarvan hebben ze een aanzienlijke hoeveelheid stroom nodig om te onderhouden.

Spark heeft het een andere richting ingeslagen. In plaats van dragers gebruikt de radio tijdimpulsen die 2ns-pulsen genereren, en omdat de drager zelf geen direct deel uitmaakt van de vergelijking, hoef je die drager uiteindelijk niet te onderhouden. Hij zei dat dat betekent dat je niet de lange opstarttijd of het complexe circuit hebt om die koerier te beheren. Dit levert een snellere opstarttijd en snellere gegevensoverdracht op, omdat de pulsen slechts 2ns breed zijn, wat betekent dat je ze vrij snel kunt herhalen en ze ook snel kunnen worden gesynchroniseerd. Het bijproduct van het moeten genereren van de korte tijdsduur impulsen is dat de Spark-radio's een zeer grote bandbreedte nodig hebben en de impulsen gebruiken om te communiceren.

Nabki zei dat de uitdaging was hoe de zender en de ontvanger zichzelf in microseconden tijdframes aan en uit konden zetten om de snelle actie te benutten die de impulsen mogelijk maken. Hij merkte op:"Omdat je snel kunt handelen, kun je de radio agressief in- en uitschakelen, maar hoe houd je deze twee radio's gesynchroniseerd, als je een zender en ontvanger hebt die je bijvoorbeeld elke 50 µs in- en uitschakelt? We moesten een technologie bedenken om dat probleem op te lossen. En tot slot, hoe houden we het systeem getimed, niet alleen gesynchroniseerd?”

Alle draadloze radio's hebben een kwartskristal nodig om ze een tijdbasis te geven die nauwkeurig genoeg is om de synchronisatie te behouden, maar ook om hun draaggolffrequenties te onderhouden. “In ons geval hebben we heel hard gewerkt om UWB-technologie te gebruiken, zodat we kunnen werken met een timer met een zeer laag vermogen, een 32 kHz-kwartskristal - in wezen wat je in je horloge hebt, zeer lage kosten en zeer laag vermogen. Dat is de keuze die we hebben gemaakt, niet alleen om het vermogen van onze transceiver te verminderen, we wilden ook het vermogen op systeemniveau verminderen.”

Nabki legde ook uit hoe de Spark-transceivers naast andere radio's bestaan. "We weten allemaal dat wifi, Bluetooth en Zigbee 2,4 GHz meeliften, en die band is echt overbelast. De 5GHz-band is ook erg overbelast. Spark UWB leeft tussen 3,1 GHz en 10,6 GHz. Het is gratis te gebruiken, dus heeft hetzelfde voordeel als Bluetooth, Zigbee en Wi-Fi door geen licentie voor het spectrum te hoeven nemen. Maar het heeft veel lagere EMI (elektromagnetische interferentie) en emissies, want als je kijkt naar het vermogen dat de Spark-radio uitzendt, is het ongeveer 1000 keer minder dan een wifi-radio en ongeveer 100 keer minder dan een Bluetooth-radio. Dit betekent dat je beter kunt samenleven met andere radio's, wat betekent dat je voor deze andere radio's wordt gezien als ruisniveau, ze zien je niet echt, je bent onder hun gevoeligheid."

Belangrijk is dat de achilleshiel van UWB-radio's tot nu toe de gevoeligheid voor interferentie in de band is geweest. Daarom zei Nabki dat Spark unieke afwijzings- en mitigatiemechanismen heeft ontwikkeld die het ongevoelig maken voor smalbandinterferenties afkomstig van wifi en mobiele banden. "We zijn van mening dat dit een belangrijke eigenschap van ons systeem gaat worden, aangezien wifi met wifi 6 steeds meer het UWB-spectrum binnendringt en we zijn er klaar voor."

Spark heeft twee producten ontwikkeld die alleen transceiver zijn. Nabki legde uit dat het extra engineeringsinspanningen vereist om er een CPU-kern op te zetten, en hun doel is in de eerste plaats om snel op de markt te komen. “Het circuit kan worden aangedreven met een batterij, er is geen DC-DC-converter nodig, alles staat op de chip. Je hebt niets externs nodig, behalve dat 32kHz-kristal. Je hebt wel een microcontroller off-chip nodig en die draait het protocol. In onze roadmap zullen we de MCU uiteindelijk naar de chip brengen in een product van de tweede generatie.”

UWB gaat niet alleen over positionering, het gaat over lage latentie, laag vermogen gegevensoverdracht
Nabki legde uit dat toen hij en zijn mede-oprichter ongeveer tien jaar geleden met UWB begonnen, hun doel niet positionering was. “We vonden het een toffe feature, maar UWB is zoveel meer dan dat. Het kan communicatie met ultralaag vermogen en ultralage latentie mogelijk maken. Het kan communiceren met een paar microwatt vermogen, met een lage latentie, en naast wifi bestaan. Voor ons is het bereik er, we kunnen het, en met een veel lager vermogen dan de andere jongens, maar het is niet per se de hoogste belofte. De hoogste belofte is gegevensoverdracht met ultra-lage latentie en ultra-laag vermogen communicatie.”

Hij zei dat hoewel de radio's van Spark gepatenteerd zijn en nog geen standaard zijn, ze hopen dat het een standaard zal worden. "De manier waarop mensen vandaag de UWB-standaard gebruikten, is dat ze zich concentreerden op bereik en zich vervolgens afvroegen:hoe maak ik een UWB-radio op basis van de huidige draadloze architecturen. Als gevolg hiervan kregen ze zeer grote RF-machines die veel stroom verbruiken, niet voor lage kosten, en we horen nu al dat de meeste autofabrikanten daarom UWB-technologie reserveren voor high-end auto's. Wat Spark deed was heel anders. We zijn met een schone lei begonnen.”

Hij zei dat bereik een van de functies is die de zendontvangers van Spark kunnen doen, maar er zijn bredere potentiële toepassingen die bereik combineren met communicatie; bovendien kunnen ze communicatie met lage gegevenssnelheid en hoge gegevenssnelheid en lage latentie mogelijk maken. Hij voegde eraan toe:"We kunnen batterijloze systemen maken. Niemand kan een systeem hebben dat continu data streamt met een gezonde datasnelheid in een paar microwatt aan vermogen. We kunnen meer traditionele systemen beter doen, zoals het verminderen van het stroomverbruik van apparaten voor het streamen van audio."

De enige factor die Spark gemeen heeft met andere op UWB gebaseerde apparaten, is het gebruik van hetzelfde spectrum. "De rest is echt vanuit de kern opnieuw ontworpen om draadloze connectiviteit van de volgende generatie te bieden voor het persoonlijke netwerk, het lichaamsnetwerk en de IoT-ruimte."

Fares Mubarak, de CEO van Spark Microsystems, legt het verder uit. “We zitten ongeveer 40 keer lager dan Bluetooth Low Energy als het gaat om stroomverbruik. Zelfs met Bluetooth 5.1 en 5.2 die vooruitgang boeken, zijn we nog steeds 20x beter in vergelijking met Bluetooth 5.2. We hebben een 60 keer lagere latency. Onze latency is van nature lager. We kunnen 50 µs zendtijd doen voor 1 kb datatransmissie. Maar daarnaast kunnen we een orde van grootte hogere datatransmissiesnelheid bereiken. We hebben twee orden van grootte lagere EMI (elektromagnetische interferentie), en omdat we een ultrabreedbandradio zijn, kunnen we een vliegtijdpositionering bereiken die u een nauwkeurigheid van 30 cm over het bereik van de radio kan geven bij een zeer laag vermogen.”

Over de huidige markt van UWB-apparaten zei Mubarak:"UWB is tegenwoordig bekend van Decawave, NXP en de nieuwste iPhone U1-chip, die allemaal bekend staan ​​om hun ultralage stroompositionering. Ze claimen een nauwkeurigheid van 10 cm, maar het is een zeer hoog vermogen, waarschijnlijk vanwege de architectuur die ze gebruiken met de 802.15.4z-standaard die het vermogen veroorzaakt.”

Ter vergelijking:hij zei dat de Spark-transceivers een nauwkeurigheid van 30 cm mogelijk maken met bijna twee orden van grootte lager vermogen. “En onze volgende generatie kan met een laag vermogen ook 10 cm halen. We onderscheiden ons van de huidige UWB met een aanzienlijk vermogensvoordeel. We kunnen een wake-up radio zijn. De meeste draadloze tegenwoordig hebben een hoog vermogen en hebben daarom een ​​wake-up-radio met een zeer laag vermogen nodig; dit is vooral het geval in UWB, om de MCU en de radio wakker te maken.”

Gericht op gaming, audio en slimme huizen
Mubarak zei dat het doel van het bedrijf op dit moment is om snel validatie te bereiken voor zijn technologie in de consumentenruimte, vooral in gaming-, audio- en gaming-hubs. Hij gaf wat perspectief voor gaming. "Als je tegenwoordig naar gecomprimeerde audio kijkt met die oordopjes, krijg je bijna 200 ms latentie. We hebben audio van hoge kwaliteit gedemonstreerd met een latentie van minder dan 5 ms. Totaal ongecomprimeerd. In randapparatuur voor muizen en toetsenborden, waarvoor reactievermogen de sleutel is bij gaming, en we hebben latentie van minder dan milliseconden aangetoond, kunnen we een latentie van een kwart milliseconde (250 µs) bereiken.”

Voor slimme huizen zijn slimme assistenten een belangrijk doelwit op het gebied van spraak en bediening. Mubarak beweert dat ze nogal wat evaluaties hebben met marktleiders op dat gebied. In beveiligingssensoren, vooral voor huisbeveiliging, zei hij dat 60% van hun onderhoud bestaat uit het vervangen van lege batterijen in de sensoren. Daarom is het doel van Spark om betrouwbare sensornodes zonder batterij mogelijk te maken voor de sensoren met een lage datasnelheid die nodig zijn voor bewegingsdetectie, raam- en deursensoren, die kunnen worden gevoed door binnenverlichting.

In de automobielsector zei Mubarak dat het bedrijf NRE-projecten heeft uitgevoerd voor proof-of-concept om te voldoen aan ultralage stroomvereisten in bandenspanningscontrolesystemen en afstandsbedieningen met een batterijlevensduur van meer dan 10 jaar.

De SPARK Microsystems SR1000-serie bestaat uit twee pin-identieke productvarianten voor de verschillende regionale spectrumtoewijzingen:de SR1010 voor 3,1 GHz tot 6 GHz en de SR1020 voor 6 GHz tot 9,5 GHz. De SR1000-serie kan ook worden gebruikt voor een verscheidenheid aan bereik- en positioneringstoepassingen, naast het leveren van een symmetrische datalink met lage emissies, laag vermogen en lage latentie. Een reeks evaluatietools, ontwikkelborden en toepassingsspecifieke referentieontwerpen voor de SR1000-serie zijn beschikbaar en helpen bij het snel maken van prototypes van initiële ontwerpen.