Drahtlose Transceiver verwenden UWB für die Datenübertragung mit geringem Stromverbrauch und geringer Latenz

Während die Ultrabreitband-(UWB)-Technologie bisher von mehreren Chipherstellern als Technologie für Feinbereichsanwendungen vorgestellt wurde, hat ein Startup mit Sitz in Montreal, Kanada, seine eigene Funkarchitektur entwickelt, um UWB für extrem niedrige Latenz und extrem niedrige batterielose Sensoren für das Internet der Dinge (IoT) mit Strom versorgen.

Spark Microsystems kündigte zwei Chips als Teil seiner SR1000-Serie von drahtlosen UWB-Transceiver-ICs mit geringem Stromverbrauch an, die eine neue Klasse von drahtlosen Nahbereichs-Konnektivitätsanwendungen für Produkte ermöglichen, bei denen die Latenz der Kommunikationsverbindung derzeit ein vollständiges immersives Echtzeit-Benutzererlebnis behindert. Im Vergleich zu Bluetooth Low Energy (BLE), das typischerweise eine Sendezeit von wenigen Millisekunden hat, was zu einer spürbaren Latenz von mehreren zehn Millisekunden führt, kann der SR1000 UWB-Transceiver 1 kb Daten in nur 50 µs senden, was zu einer deutlich kürzeren drahtlosen Latenz in einem weiten Bereich führt von Anwendungen wie Audiostreaming.

Der Stromverbrauch des Spark-Transceivers, normalerweise 1 nJ / Bit, ist ebenfalls deutlich niedriger als bei BLE, normalerweise 40x niedriger, wenn er mit 1 Mbit/s betrieben wird. Mit einer bis zu 10x höheren Datenübertragungsrate als BLE eignet sich die 10-Mbit/s-Fähigkeit der SR1000-Serie für inhaltsreiche Anwendungen wie Videostreaming, bei denen Verbindungen mit hoher Bandbreite und geringer Latenz unerlässlich sind.

Dies wird die Anforderungen von Produkten wie Gaming-Peripheriegeräten und Audio- und AR/VR-Headsets erfüllen, die ansonsten verkabelt werden müssten, um die Leistungs- und Latenzziele zu erfüllen. Es berücksichtigt auch die Anforderungen an Leistung, Latenz und Datenstreaming von Smart-Home-Geräten und batterielosen Internet-of-Things-Sensoren (IoT).

Im Gegensatz zu anderen drahtlosen Protokollen, die in überlasteten lizenzierten drahtlosen Spektren arbeiten, arbeitet die SR1000 UWB-Serie im unlizenzierten Frequenzbereich von 3,1 GHz bis 10,6 GHz mit einer niedrigen Leistungsdichte mit breitem Spektrum, die typischerweise -41,3 dBm/MHz beträgt. Durch die Übertragung mit Pegeln, die von anderen Empfängern als Rauschen wahrgenommen werden können, unterstützt der UWB-Breitspektrum-Ansatz die drahtlose Koexistenz erheblich und verbessert die Verbindungsleistungscharakteristik weiter.

Funkgeräte, die Kurzzeitimpulse anstelle von Trägerfrequenzen verwenden
Frederic Nabki, Mitbegründer und CTO von Spark Microsystems, erklärte embedded.com, wie sie die Leistungs- und Latenzziele erreichen. Technologien wie Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave und sogar 5G verwenden alle modulierte Trägerfrequenzen, um Daten zu übertragen. Diese Träger benötigen eine beträchtliche Zeit zum Starten und Stabilisieren und komplexe Hardware, um sicherzustellen, dass sie in Phase sind und gute Phaseneigenschaften aufweisen; Daher benötigen sie eine beträchtliche Menge an Leistung, um sie aufrechtzuerhalten.

Spark hat es in eine andere Richtung gelenkt. Anstelle von Trägern verwendet das Funkgerät Zeitimpulse, die 2-ns-Impulse erzeugen, und da der Träger selbst nicht direkt Teil der Gleichung ist, müssen Sie diesen Träger am Ende nicht bedienen. Er sagte, das bedeutet, dass Sie nicht die lange Startzeit oder die komplexe Schaltung haben, um diesen Träger zu verwalten. Dies führt zu einer schnelleren Startzeit und schnelleren Datenübertragung, da die Pulse nur 2 ns breit sind und somit relativ schnell wiederholt und auch schnell synchronisiert werden können. Das Nebenprodukt der Notwendigkeit, Impulse mit kurzer Dauer zu erzeugen, ist, dass die Spark-Funkgeräte eine sehr große Bandbreite benötigen und die Impulse zur Kommunikation verwenden.

Nabki sagte, die Herausforderung bestand darin, den Sender und den Empfänger in Mikrosekunden-Zeitrahmen selbst ein- und auszuschalten, um die schnelle Aktion zu nutzen, die die Impulse ermöglichen. Er kommentierte:„Weil Sie schnell handeln können, können Sie das Funkgerät aggressiv takten, aber wie halten Sie diese beiden Funkgeräte synchronisiert, wenn Sie beispielsweise einen Sender und einen Empfänger alle 50 µs ein- und ausschalten? Wir mussten eine Technologie entwickeln, um dieses Problem zu beheben. Und schließlich, wie halten wir das System zeitgesteuert und nicht nur synchronisiert?“

Alle drahtlosen Funkgeräte benötigen einen Quarzkristall, um eine Zeitbasis zu erhalten, die präzise genug ist, um die Synchronisierung aufrechtzuerhalten, aber auch um ihre Trägerfrequenzen zu bedienen. „In unserem Fall haben wir sehr hart daran gearbeitet, die UWB-Technologie zu nutzen, damit wir mit einem sehr stromsparenden Timer laufen können, der ein 32-kHz-Quarzkristall ist – im Wesentlichen das, was Sie in Ihrer Uhr haben, sehr niedrige Kosten und sehr geringer Stromverbrauch. Das ist die Entscheidung, die wir getroffen haben, um nicht nur die Leistung unseres Transceivers zu reduzieren, sondern auch die Leistung auf Systemebene zu reduzieren.“

Nabki erklärte auch, wie die Spark-Transceiver mit anderen Funkgeräten koexistieren. „Wir alle wissen, dass Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee 2,4 GHz huckepack tragen und dieses Band wirklich überlastet ist. Auch das 5-GHz-Band ist stark überlastet. Spark UWB lebt zwischen 3,1 GHz und 10,6 GHz. Die Nutzung ist kostenlos und hat den gleichen Vorteil wie Bluetooth, Zigbee und Wi-Fi, da das Spektrum nicht lizenziert werden muss. Aber es hat viel geringere EMI (elektromagnetische Interferenzen) und Emissionen, denn wenn Sie sich die Leistung ansehen, die das Spark-Radio überträgt, ist es etwa 1.000-mal weniger als ein Wi-Fi-Radio und etwa 100-mal weniger als ein Bluetooth-Radio. Dies bedeutet, dass Sie besser mit anderen Funkgeräten koexistieren können, was bedeutet, dass Sie von diesen anderen Funkgeräten als Rauschpegel wahrgenommen werden, sie sehen Sie nicht wirklich, Sie sind unter ihrer Empfindlichkeit.“

Wichtig ist, dass die Achillesferse der UWB-Funkgeräte bisher die Empfindlichkeit gegenüber Störungen im Band war. Daher sagte Nabki, dass Spark einzigartige Abwehr- und Abschwächungsmechanismen entwickelt hat, die es ihm ermöglichen, gegen Schmalbandinterferenzen von Wi-Fi und Mobilfunkbändern unempfindlich zu sein. „Wir glauben, dass dies eine Schlüsseleigenschaft unseres Systems sein wird, da Wi-Fi mit Wi-Fi 6 immer mehr in das UWB-Spektrum vordringt und so sind wir bereit dafür.“

Spark hat zwei Produkte entwickelt, die nur Transceiver sind. Nabki erklärte, dass der Einbau eines CPU-Kerns zusätzlichen Entwicklungsaufwand erfordert hätte und ihr Ziel in erster Linie darin besteht, schnell auf den Markt zu kommen. „Die Schaltung kann mit einer Batterie betrieben werden, ohne dass ein DC-DC-Wandler erforderlich ist, alles ist auf dem Chip. Außer diesem 32-kHz-Kristall brauchst du nichts Externes. Sie benötigen einen Mikrocontroller außerhalb des Chips, der das Protokoll ausführt. In unserer Roadmap werden wir die MCU schließlich in einem Produkt der zweiten Generation auf den Chip bringen.“

UWB dient nicht nur der Positionierung, sondern auch der Datenübertragung mit geringer Latenz und geringem Stromverbrauch
Nabki erklärte, dass ihr Ziel, als er und sein Mitbegründer vor etwa einem Jahrzehnt bei UWB anfingen, nicht die Positionierung war. „Wir dachten, es ist ein cooles Feature, aber UWB ist so viel mehr als nur das. Es kann eine Kommunikation mit extrem geringem Stromverbrauch und extrem niedriger Latenz ermöglichen. Es kann mit wenigen Mikrowatt Leistung mit geringer Latenz kommunizieren und mit WiFi koexistieren. Für uns ist Rangieren da, wir können es schaffen, und zwar mit viel geringerer Leistung als die anderen, aber es ist nicht unbedingt das höchste Versprechen. Das größte Versprechen ist die Datenübertragung mit extrem niedriger Latenz und extrem stromsparender Kommunikation.“

Er sagte, dass die Funkgeräte von Spark zwar proprietär und noch kein Standard sind, aber sie hoffen, dass es ein Standard wird. „Die Leute haben den UWB-Standard heute so umgesetzt, dass sie sich auf das Ranging konzentriert haben und sich dann gefragt haben:Wie mache ich ein UWB-Funkgerät basierend auf aktuellen drahtlosen Architekturen? Infolgedessen erhielten sie sehr große HF-Maschinen, die viel Strom verbrauchen und nicht zu geringen Kosten, und wir hören bereits, dass die meisten Autohersteller die UWB-Technologie aus diesem Grund für High-End-Autos reservieren. Was Spark tat, war ganz anders. Wir haben bei einem leeren Blatt angefangen.“

Er sagte, dass das Ranging eine der Funktionen ist, die die Transceiver von Spark leisten können, aber es gibt breitere potenzielle Anwendungen, die Ranging mit Kommunikation kombinieren. Darüber hinaus können sie eine Kommunikation mit niedriger Datenrate und hoher Datenrate mit niedriger Latenz ermöglichen. Er fügte hinzu:„Wir können batterielose Systeme bauen. Niemand kann ein System haben, das mit einer Leistung von wenigen Mikrowatt kontinuierlich Daten mit einer gesunden Datenrate streamt. Wir können traditionellere Systeme besser machen, beispielsweise den Stromverbrauch von Audio-Streaming-Geräten reduzieren.“

Der einzige Faktor, den Spark mit anderen UWB-basierten Geräten gemeinsam hat, ist die Verwendung desselben Spektrums. „Der Rest wurde von Grund auf neu entwickelt, um eine drahtlose Konnektivität der nächsten Generation für das Personal Area Network, Body Area Network und den IoT-Bereich zu bieten.“

Fares Mubarak, CEO von Spark Microsystems, erklärte weiter. „Wir sind etwa 40-mal niedriger als Bluetooth Low Energy, wenn es um den Stromverbrauch geht. Auch wenn Bluetooth 5.1 und 5.2 Fortschritte machen, sind wir im Vergleich zu Bluetooth 5.2 immer noch um das 20-fache besser. Wir haben eine 60-mal niedrigere Latenz. Unsere Latenz ist nativ niedriger. Wir können 50µs Sendezeit für 1kb Datenübertragung schaffen. Aber darüber hinaus können wir eine um eine Größenordnung höhere Datenübertragungsrate erreichen. Wir haben eine um zwei Größenordnungen niedrigere EMI (elektromagnetische Interferenz), und da wir ein Ultrabreitband-Funkgerät sind, können wir eine Flugzeitpositionierung erreichen, die Ihnen eine Genauigkeit von 30 cm über die Reichweite des Funkgeräts bei sehr geringer Leistung bietet.“

In Bezug auf den aktuellen Markt für UWB-Geräte kommentierte Mubarak:„UWB ist heute von Decawave, NXP und dem neuesten iPhone U1-Chip bekannt, die alle für die Positionierung mit extrem geringem Stromverbrauch bekannt sind. Sie behaupten eine Genauigkeit von 10 cm, aber es ist eine sehr hohe Leistung, wahrscheinlich aufgrund der Architektur, die sie mit dem 802.15.4z-Standard verwenden, der die Leistung verursacht.“

Im Vergleich dazu, sagte er, ermöglichen die Spark-Transceiver eine Genauigkeit von 30 cm bei einer um fast zwei Größenordnungen geringeren Leistung. „Und unsere nächste Generation kann auch mit der geringen Leistung auf 10 cm kommen. Wir unterscheiden uns vom aktuellen UWB mit deutlichem Leistungsvorteil. Wir können ein Weckradio sein. Die meisten drahtlosen Geräte haben heutzutage eine hohe Leistung und benötigen daher ein Weckradio mit sehr geringer Leistung; Dies ist insbesondere bei UWB der Fall, um die MCU und das Radio aufzuwecken.“

Auf Gaming, Audio und Smart Home abzielen
Mubarak sagte, das Ziel des Unternehmens sei es derzeit, seine Technologie im Verbraucherbereich, insbesondere in Gaming-, Audio- und Gaming-Hubs, schnell zu validieren. Er gab eine Perspektive für das Spielen. „Wenn Sie sich heute komprimiertes Audio mit diesen Ohrhörern ansehen, erhalten Sie eine Latenz von fast 200 ms. Wir haben Audio in High-Fidelity-Qualität mit einer Latenz von unter 5 ms demonstriert. Völlig unkomprimiert. Bei Peripheriegeräten für Mäuse und Tastaturen, für die die Reaktionsfähigkeit beim Spielen entscheidend ist, und wir haben eine Latenz von unter einer Millisekunde demonstriert – wir können eine Latenz von einer Viertelmsekunde (250 µs) erreichen.“

Für Smart Homes sind smarte Assistenten ein zentrales Ziel in Sachen Sprache und Steuerung. Mubarak behauptet, dass sie eine ganze Reihe von Bewertungen mit Marktführern in diesem Bereich haben. Bei Sicherheitssensoren, insbesondere für die Haussicherheit, sagte er, dass 60 % der Wartung darin besteht, leere Batterien in den Sensoren auszutauschen. Daher besteht das Ziel von Spark darin, zuverlässige batterielose Sensorknoten für die Sensoren mit niedriger Datenrate zu ermöglichen, die für die Bewegungserkennung benötigt werden, Fenster- und Türsensoren, die durch Innenbeleuchtung mit Strom versorgt werden können.

Im Automobilbereich hat das Unternehmen laut Mubarak NRE-Projekte für den Machbarkeitsnachweis durchgeführt, um den extrem niedrigen Stromverbrauch von Reifendrucküberwachungssystemen und Fernbedienungsschlüsselanhängern mit einer Batterielebensdauer von mehr als 10 Jahren zu erfüllen.

Die SR1000-Serie von SPARK Microsystems umfasst zwei pinidentische Produktvarianten, um den unterschiedlichen regionalen Frequenzzuweisungen gerecht zu werden:den SR1010 für 3,1 GHz bis 6 GHz und den SR1020 für 6 GHz bis 9,5 GHz. Die SR1000-Serie kann neben der Bereitstellung einer emissionsarmen, stromsparenden und symmetrischen Datenverbindung mit geringer Latenz auch für eine Vielzahl von Bereichs- und Positionierungsanwendungen verwendet werden. Eine Reihe von Evaluierungstools, Entwicklungsboards und anwendungsspezifischen Referenzdesigns für die SR1000-Serie sind verfügbar und unterstützen das schnelle Prototyping erster Designs.