Introducción: El desafío de eficiencia energética en la comunicación inalámbrica

Los dispositivos inalámbricos están en todas partes: smartphones, wearables, sensores inteligentes para el hogar, nodos industriales IoT e implantes médicos. Todos ellos comparten una limitación común: capacidad de batería limitada. Como el número de dispositivos conectados se eleva a más de 20 mil millones, minimizar el consumo de energía sin sacrificar el rendimiento se ha convertido en un objetivo central de diseño.

¿Qué es el espectro de espionaje?

El espectro de transmisión es una técnica de transmisión en la que el ancho de banda ocupado es mucho más amplio que el mínimo requerido para llevar la información. La señal se extiende usando un código de pseudo-arrebaja o patrón de acaparamiento de frecuencia, lo que hace resistente a la interferencia de banda estrecha y difícil de interceptar.

Frecuencia de espiga de espiga espiga (FHSS)

FHSS cambia rápidamente la frecuencia de la compañía entre muchos canales según una secuencia de pseudorandom conocida tanto por el transmisor como por el receptor. El tiempo de residencia en cada frecuencia es corto, normalmente diez a cientos de milisegundos. Bluetooth es un ejemplo clásico: se pasa entre 79 canales en la banda 2.4 GHz 1.600 veces por segundo. Debido a que la señal está constantemente en movimiento, cualquier interferidor de banda estrecha sólo puede corromper una fracción de la corrección de datos transmitidos, permitiendo menor potencia de retransmisión

Espectro de esparcimiento directo de secuencia (DSSS)

DSSS multiplica el flujo de datos con un código de difusión de alta velocidad (por ejemplo, código Barker en IEEE 802.11b), ampliando el ancho de banda de señal. En el receptor, el mismo código se utiliza para despread la señal, recuperando eficazmente los datos originales mientras la interferencia se extiende y filtra.El beneficio de procesamiento - la relación de ancho de banda difundido a cadena de señal original - mejora de forma directa

OFDM y su relación con el esparcimiento

OFDM divide el espectro disponible en muchos subcarriers ortogonales, cada uno con un flujo de datos de baja calidad. Aunque no es estrictamente un método de espectro de propagación en el sentido tradicional, OFDM obtiene beneficios similares: es robusto contra la descoloración multipática y la interferencia de banda estrecha, y puede utilizar la modulación adaptativa en cada subcarrier para ahorrar energía.

Cómo el espectro de espionaje reduce el consumo de energía

El consumo de energía de un transceptor inalámbrico es una función de potencia de transmisión, tiempo activo y la eficiencia del procesamiento analógico y digital. Las técnicas de espectro de propagación afectan a los tres factores.

Robustness mejorado disminuye potencia necesaria de transmisión

En un sistema de banda estrecha, incluso un interferente débil puede destruir toda la señal. El transmisor debe potenciar la interferencia o aceptar altas tasas de error, lo que conduce a retransmisiones que drenan la batería. El espectro de propagación difunde la energía sobre una banda ancha, por lo que un interferente sólo afecta una pequeña parte de la señal.

Retransmisiones reducidas Conserve Energy

La tasa de error de paquete (PER) está directamente ligada al consumo de energía. Cada retransmisión consume energía tanto para el paquete de datos como para el reconocimiento. La resistencia del espectro de propagación a la interferencia y la desvanecimiento disminuye dramáticamente PER en entornos ruidosos. Estudios han demostrado que en un entorno de conexión Wi-Fi interior típico, DSSS-basado 802.11b logró un PER debajo del 1% en rangos donde la modulación de banda estrecha experimentaría 10-20%

Modulación y codificación adaptativas con espectro de espiga

Muchos sistemas de espectro de distribución modernos incorporan modulación y codificación adaptativas (AMC).El transmisor y las condiciones de canal de receptor y seleccionan la tasa de datos más alta que se puede mantener con errores bajos. En buenas condiciones, se utiliza una modulación de orden más alta (por ejemplo, 256-QAM en Wi-Fi), pero cuando la interferencia o empeoramiento de la pérdida, el sistema se vuelve a un modo más robusto y de propagación (por ejemplo, utilizar el canal de adaptación).

Beneficios de seguridad Reducir la sobrecarga

El espectro de propagación proporciona un nivel de seguridad porque el código de propagación o patrón de acaparamiento es desconocido para los audífonos. Esto reduce la necesidad de cifrado de capas superiores y la autenticación superior que consumiría potencia de procesamiento adicional. Mientras que los protocolos modernos todavía aplican cifrado, la seguridad de la capa física del espectro de propagación puede reducir la carga computacional en los dispositivos de IoT simples.

Operación amplificador de potencia eficiente

Los amplificadores de potencia (PA) son más eficientes cuando operan cerca de la saturación. Sin embargo, a menudo se requiere retroceso para mantener la linealidad para los esquemas de modulación complejos. Las señales de espectro de propagación, especialmente las que utilizan modulación de ángulo constante (como FHSS con GFSK), permiten que la PA funcione más cerca de su punto de eficiencia máxima.

Aplicaciones en dispositivos inalámbricos modernos

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Wi-Fi anticipado (802.11b) utilizó DSSS con claves de código complementarios. Más tarde los estándares (802.11a/g/n/ac/ax) adoptados OFDM, pero retenidos propiedades de tipo de propagación mediante el uso de múltiples subcarritos y prefijos cíclicos. En 802.11ax (Wi-Fi 6), Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) permite el punto de transmisión de tráfico simultáneamente

Bluetooth y Bluetooth bajo energía (BLE)

Bluetooth Classic utiliza FHSS con 79 canales y una velocidad de salto de 1.600 tubos/s. BLE reduce el canal establecido a 40 canales y adopta una velocidad de salto más lenta para reducir el consumo de energía. La naturaleza del espectro de propagación de Bluetooth permite compartir la banda ISM de 2.4 GHz con Wi-Fi y otros dispositivos sin interferencias debilitantes, incluso cuando se transmite a muy baja potencia (como -20 dBm transmiten en algunos modos).

Celular: CDMA, WCDMA, LTE y 5G

CDMA (IS-95) trajo DSSS a las redes celulares, permitiendo los movimientos suaves y la menor potencia de transmisión para los teléfonos móviles. WCDMA (UMTS) extendió esto con factores de propagación variable, permitiendo las tarifas de adaptación y el control de potencia. LTE introdujo OFDMA para el enlace de enlace y SC-FDMA para el enlace de alta, la última una variante de espectro de propagación que reduce PAPR en el dispositivo móvil.

Internet de las cosas (IoT) y LPWAN

El sensor de potencia de baja potencia (LPWANs) como LoRaWAN y Sigfox emplean el espectro de propagación para alcanzar una gama larga a muy baja potencia. LoRa (Long Range) utiliza una técnica de espectro de propagación patentada basada en el espectro de propagación de chirp (CSS).Una señal de banda estrecha requiere una alta potencia para penetrar paredes y alcanzar kilómetros, pero el beneficio de propagación de LoRa permite operar debajo del nivel de ruido

Análisis comparativo: Spread Spectrum vs. Modulación de banda estrecha

Para apreciar los ahorros de potencia, es útil comparar un sistema de espectro de propagación con un enlace de banda estrecha equivalente. Suponga que ambos deben alcanzar una tasa de datos de 1 kbps con una tasa de error de 10^-3 a una distancia de 100 metros en un entorno interior típico con interferencia moderada de Wi-Fi y hornos de microondas.

  • Narrowband: Un simple transmisor FSK o OOK tendría que producir alrededor de +10 dBm para superar la interferencia de banda estrecha. La pérdida de paquetes debido a interferores podría ser tan alta como 15%, lo que requiere un promedio de 1,18 transmisiones por paquete (incluyendo ACKs). Potencia de transmisión promedio total: alrededor de +10,7 dBm.
  • DSSS (ganancia de procesamiento 11 dB): Con los mismos datos de 1 kbps, la potencia de transmisión puede reducirse a 0 dBm porque la ganancia de procesamiento proporciona 11 dB de rechazo de interferencia. La pérdida de paquete cae a menos de 1%, por lo que la retransmisión es mínima. Potencia de transmisión media: alrededor de +0.04 dBm.
  • FHSS (100 canales, 20 ms habitan): El transmisor puede utilizar 0 dBm mientras el patrón de acaparamiento evite el interferente la mayor parte del tiempo. Si un canal está atascado, sólo el 1% de los paquetes se pierde, requiriendo muy pocas retransmisiones. Potencia promedio de transmisión: esencialmente 0 dBm.

La diferencia de 10 dB corresponde a un factor de 10 en consumo de energía, un ahorro dramático para un dispositivo propulsado por batería. Además, las retransmisiones reducidas también reducen el tiempo activo del receptor, ahorrando energía adicional.

Retos y compensaciones

El espectro de propagación no es una bala mágica. El proceso de propagación en sí mismo consume potencia - el procesamiento de banda base digital para DSSS necesita correlatores de alta velocidad, y FHSS requiere sintetizadores de frecuencia rápida. En dispositivos ultra-bajo de potencia muy simple, la sobrecarga del espectro de propagación puede superar el ahorro de potencia de transmisión.

Futuras direcciones: Esparcir el espectro en 6G y más allá

A medida que la tecnología de transmisión inalámbrica evoluciona hacia 6G, los conceptos de espectro de propagación se están revisando en el contexto de las comunicaciones de terahertz (THz) y la comunicación ligera visible (VLC).En frecuencias de THz, existen anchos de banda muy grandes (multi-gigahertz) que hacen que el espectro de transmisión sea atractivo para coexistir con otros servicios.

Conclusión

La tecnología de espectro de difusión, ya sea implementada como FHSS, DSSS, OFDM o CSS, se ha convertido en una piedra angular de comunicación inalámbrica eficiente en energía. Mejorando la robustez de la señal, reduciendo las retransmisiones, permitiendo la modulación adaptativa y permitiendo una menor potencia de transmisión, el espectro de propagación extiende directamente la vida de la batería en dispositivos que van desde teléfonos inteligentes a pequeños sensores.

Para más lectura, vea la ] [4]] [4]]][4]] del CFCC sobre el consumo de energía en sistemas de espectros de difusión y el ]]Bluetooth Technology Overview para más detalles sobre la eficiencia WiLT en BLE.