יתרונות להפיץ Spectrum ב Enabling Low Power Wireless מכשירים

טכנולוגיית Spectrum

ספקטרום מבוזר הוא טכניקת שידור רדיו שמפיצה אות על פני רוחב פס רחב הרבה יותר מאשר המינימום הנדרש לתקשורת. במקום לשדר בערוץ פס צר קבוע, אנרגיית האות מתפשטת על פני מגוון רחב של תדרים, לעתים קרובות באמצעות רצף פסאודו-רומי כדי לקבוע את התדירות המדויקת בכל רגע נתון. הנכס הבסיסי הזה נותן להפיץ יכולות ייחודיות של ספקטרום בעלות ערך במיוחד עבור מכשירים אלחוטיים נמוכים הפועלים בסביבה צפופה ורועעת.

הטכנולוגיה מקורה בתקשורת צבאית במהלך מלחמת העולם השנייה, שם ההתנגדות שלה לייבוש וליירוטציה סיפקה יתרון אסטרטגי.במשך עשרות שנים, ספקטרום התפשטות מותאם לשימוש אזרחי, והופכת לעמוד השדרה של סטנדרטים אלחוטיים מודרניים כגון Wi-Fi, Bluetooth ו- Zigbee. היכולת שלה ל coexist עם אותות אחרים ולשמור על תקשורת בתנאים מאתגרים הופכת אותו לאפשר חיוני עבור מכשירים מאומנים אנרגיה, מחיישנים חכמים ללבוש אלקטרוניקה.

כיצד להפיץ עבודות ספציפיות

במערכת פס המסורתית, משדר ומקלט מכוונים לתדירות מסוימת, וכל עוצמת האות מרוכזת בספקטרום הצר הזה של ספקטרום.פרופור, לעומת זאת, משתמשת באחת משתי השיטות העיקריות להפיץ את האנרגיה על פני להקה רחבה: רצף ישיר להפיץ ספקטרום (DSSS) או תדירות הפיזור (FHSS).

ב-DSSS, כל חלק מהמידע משולב עם רצף שבב פסאודו-ראן גבוה יותר, למעשה מכפיל את שיעור הנתונים והפצת האות המתקבל על פני רוחב פס רחב. המקלט יודע את אותו רצף השבבים ויכול לקשור את האות הנכנס כדי לשחזר את הנתונים המקוריים.תהליך זה מספק רווח עיבוד משמעותי, אשר משפר את יחס האות-לא-מס ומאפשר את האות לקבל אפילו כאשר הוא מתחת לרצפה הרעש.

FHSS פועל על ידי מעבר מהיר של תדירות המוביל בין ערוצים רבים על פי דפוס פסאודו-random הידוע גם משדר וגם המקלט.זמן הווה על כל תדירות הוא קצר, בדרך כלל על סדר של מילימטרים.ההההההההההההה של המערכת עמידת מאוד להפרעות צרות וייבוש, כמו כל אות מפרשת רק משפיעה רק על חלק קטן של השידור.

סוגי ספקטרום: DSSS לעומת FHSS

בעוד הן DSSS והן FHSS להשיג הפצה ספקטרלית, יש להם מאפיינים נפרדים המשפיעים על התאמתן ליישומים ספציפיים של כוח נמוך. DSSS מציעה שיעורי נתונים גבוהים וביצועים טובים יותר בסביבות סטטיות, אבל זה דורש יותר מקלטים מורכבים וסינכרון. FHSS, לעומת זאת, מספק עמידות מעולה נגד התערבות ספציפית תדירות, והוא פשוט יותר ליישם ב transivers כוח נמוך.

מערכות מודרניות רבות משלבות אלמנטים של הן.לדוגמה, Bluetooth Low Energy (BLE) משתמשת בצורת תדירות הסתגלות כי באופן דינמי להימנע תדרים כבושים, שיפור האמינות ב-2.4 GHz ISM הלהקה. Zigbee מעסיקה DSSS עם O-QPSK Modulation כדי להשיג צריכת חשמל נמוכה תוך שמירה על שיעור סביר של נתונים עבור אוטומציה ביתית ורשתות חיישן.

יתרונות מרכזיים למכשירים נמוכים

אימוץ נרחב של ספקטרום התפשטות במכשירים אלחוטיים של כוח נמוך אינו מקרי.טכניקה מספקת מספר יתרונות קריטיים שמטפלים ישירות באתגרים העומדים בפני סוללות מופעלות, מוגבלות בחלל, ומכשירים רגישים בעלות.

צמצום צריכת החשמל

אחד היתרונות המשמעותיים ביותר של ספקטרום התפשטות הוא היכולת שלה להוריד את צריכת החשמל הממוצעת. כי האות מתפשט על רוחב פס רחב, המשדר יכול לפעול בעוצמה שיא נמוכה יותר ועדיין לשמור על קשר אמין.הרווח לעיבוד הטבוע ב DSSS, למשל, מאפשר את האות להתאושש גם כאשר הוא 10 עד 20 dB מתחת לרמת הרעש.

בנוסף, טכניקות ספקטרום מבוזרות מאפשרות רכיבה יעילה על אופניים.פרוטוקולים של כוח נמוך רבים, כגון BLE, להשתמש בהתפרצויות נתונים קצרות בשילוב עם תדירות הפחתת הרדיו בזמן.על ידי שמירה על משדר פעיל רק עבור רק מילימטרים בזמן ולאחר מכן החלפת תדרים, מכשירים אלה להפחית באופן דרמטי את התוספת הנוכחית.התוצאה היא חיי סוללה ארוכים יותר, לעתים קרובות נמדדת בשנים, עבור יישומים כמו משואות, חיי סביבה, חיישנים רפואיים, חיישנים והשתלות.

המונחים: Interference Resistance

מכשירים נמוכים פועלים לעתים קרובות בלהקות תדר משותפות לצד מקורות להפריע פוטנציאלי כגון תנורי מיקרוגל, טלפונים ללא חוט, או רשתות אלחוטיות אחרות.פרו את הטבע רחב של ספקטרום מספק חסינות טבועה להפרעות פס צר. במערכות FHSS, הופ לערוץ כבוש עשוי לאבד רק קטע חפיסת חבילה קטנה, אשר ניתן לשחזר באמצעות transmission או תיקון קדימה.

חוסן התערבות זה חיוני למכשירים נמוכים שאינם יכולים להרשות לעצמם לשדר כוח או סינון מורכב.זה מבטיח שגם בסביבות עירוניות צפופות או הגדרות תעשייתיות, חיישן node יכול לשמור על קשר חזק עם השער ללא כל הזמן הגדלת תפוקה כוח. תקנים כמו IEEE 802.15.4 (שמשתמשים בו Zigbee ו-Tel) למנף את הנכס הזה כדי ליצור רשתות מיתות אמין שבו אלפי מכשירים פועלים קרוב.

שיפור האבטחה

אותות ספקטרום מפוזרים מאובטחים יותר מאשר שידורים צרים.ללא ידע של הקוד המתפשט (עבור DSSS) או רצף ההיגוי (עבור FHSS), טבלה לא יכולה בקלות להרוס את האות. עבור מאזין מזדמן עם מנתח ספקטרום, שידור ספקטרום מתפשט מופיע כגובה קל של רצפת הרעש.זה הופך את זה להקשות על זיהוי תקשורת זה אפילו במקום, שלא ניתן ליירט נתונים.

בעוד הצפנה מודרנית מספקת אבטחה ברמת השגרה, אבטחת השכבה הפיזית המוצעת על ידי ספקטרום מבוזר מוסיפה מחסום נוסף.עבור מכשירים בעלי כוח נמוך שאולי אין להם כוח עיבוד ליישם הצפנה חזקה על כל חבילה, הצפה המובנה של ספקטרום מתפשט הופכת לנכס חשוב.פרוטוקולים אבטחת IoT רבים, כולל אלה המשמשים בזיגבי ו-BLE, משלבים ספקטרום מתפשט עם AES-128 כדי ליצור שכבת הגנה כפולה מפני ניכויים וגישה בלתי מורשית.

עדיף Spectrum Utilization

ספקטרום מבוזר מאפשר למשתמשים מרובים לשתף את אותה הלהקה בו זמנית, מושג המכונה חלוקת קוד גישה מרובות (CDMA) ברשתות סלולריות. במערכות חשמל אלחוטיות בעלות נמוכה, מערכות FHSS מאפשרות מכשירים רבים ל-Coexist ללא התנגשות, כי הם הופ דרך אותה קבוצה של תדרים אבל עם דפוסים פסאודו-random שונים.ההסתברות של שני משדרים הדבקים לאותו ערוץ באותו רגע היא נמוכה, ואפילו כאשר זה קורה רק כמות קטנה של נתונים שאבדו.

שיתוף יעיל זה חיוני בלהקות ISM לא מורשה, שבו עשרות מכשירים מיצרנים שונים עשויים לפעול באותו חדר.ללא ספקטרום התפשטות, מכשירים אלה כל הזמן להפריע אחד לשני, להפחית את דרך החשיכה הגוברת. התקנים כמו Bluetooth תדר הסתגלות (AFH) אשר מודדים באופן פעיל התערבות על כל ערוץ ושחורים מתדרים, שיפור דו-קיום וניצול.

רובוסטנטיות בסביבה דינמית

מכשירים אלחוטיים נמוכים לעתים קרובות פרוסים בסביבות שבו ערוץ רדיו משתנה במהירות.אנשים נעים בין חיישן לבין בסיסים שלו, פתח או סוגר דלתות, או הפרעה מאלקטרוניקה אחרים יכולים לגרום אותות פתאומיים דוהמים או שינויים אובדן נתיב.מערכות ספקטרום להפיץ להתמודד עם תנאים דינמיים אלה ב- FHSS, תדירות ההיגוי קבוע מתפוגגת על תדר אחד משפיע רק על שבריר זעירה של השידור, ואת השאר של צינורות רחבים של , כמו גם מתדירות גבוהה יותר.

עוצמה זו מתורגמת ישירות לאמינות גבוהה יותר ושיעורי הסגירה נמוכים יותר, אשר חוסכים את הכוח. יישומים כמו אוטומציה של בניין אלחוטי, מעקב נכסים, ומפקחי בריאות עונדים מסתמכים על יציבות זו כדי לספק העברת נתונים עקבית, גם כאשר המשתמש עובר דרך בניין או הסביבה משתנה לאורך כל היום.

יישומים מעשיים במכשירי חשמל נמוכים

טכנולוגיית ספקטרום מבוזר היא הבסיס של כמעט כל פרוטוקול אלחוטי כוח מודרני, הבנה כיצד הוא מיושם בסטנדרטים ספציפיים מסייעת להמחיש את היתרונות בעולם האמיתי שלה.

Bluetooth Low Energy

Bluetooth משתמש ב-FHSS עם 79 ערוצים ב 1 MHz ספאק, הצטברות בקצב של 1600 הופ לשנייה. Bluetooth Low Energy (BLE) שומרת על גישה דומה להפחתה של תדר אבל משתמשת 40 ערוצים, עם שלושה ערוצי פרסום ייעודיים ו- 37 ערוצי נתונים.תדירות הסתגלות אלחוטית של צריכת אלכוהול רק מפצה באופן דינמי עם הפרעה, שיפור האמינות תוך שמירה על כוח משדר נמוך כמו 0Bm או 37 ערוצי עיבוד פחות פעיל (HS) עם טווח עיבוד זה מאפשר רק מ-HS).

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Wi-Fi משתמש בעיקר ב-DSSS בסטנדרטים המוקדמים שלה (802.11b) ולאחר מכן עבר למחלקת תדר אורטוקונים (OFDM), שהיא צורה של ספקטרום מבוזר רב-קרייר.DM מפיץ נתונים על פני הרבה תת-קרירים צרים, כל אחד מתואם עם שיעור נתונים נמוך, מתן התנגדות דומה והטבות עיבוד יכול לפעול בקצב סביר של צריכת חשמל, אם כי הם בדרך כלל לא יעילים יותר, כמו מצלמות לחץ דם, עם יעילות, עם לחץ דם, עם רמת יעילות, עם רמת יעילות, עם רמת יעילות של צריכת שומן, עם רמת יעילות של צריכת שומן, עם רמת יעילות של צריכת שומן, עם רמת יעילות, עם רמות של צריכת שומן, עם רמות של צריכת שומן, עם רמות של צריכת שומן, עם רמות של צריכת שומן, עם רמת יעילות של צריכת שומן, עם רמת יעילות של צריכת חשמל, עם קצב נתונים, עם קצב נתונים, עם קצב אבטחה נמוכה, עם יעילות של צריכת שומן, עם יעילות של מערכת נתונים, עם יעילות של מערכת נתונים, עם יעילות של שימוש נמוכה, עם טיפול נמוכה, עם טיפול נמוכה, עם יעילות של אבטחה נמוכה, עם יעילות של אבטחה, עם טיפול ועלויות של אבטחה, עם יעילות של אבטחה נמוכה, עם יעילות של אבטחה נמוכה, עם יעילות של שימוש נמוכה, עם

רשתות חיישן אלחוטיות Zigbee

Zigbee, המבוסס על IEEE 802.15.4, משתמש ב-DSSS עם שלב רביעיה מהפך מפתח (O-QPSK) ב-2.4 GHz הלהקה.It משיג שיעור נתונים של 250 kbps עם קצב סמל של 62.5 ksymbols לשנייה.ה-DSSS עיבוד הוא בערך 9B, אשר מאפשר ZBig nodes לתקשר מעל טווח של 10-20 מטרים רבועים, אפילו מחזור נמוך של מערכות שינה, כמו גם עבור ספקטרום נמוך.

RFID ו-IoT

מערכות רדיו Frequency Identification (RFID), במיוחד UHF RFID, לעתים קרובות להשתמש בצורת ספקטרום מבוזר הנקרא תקשורת אחורית של backscatter. הקורא משדר גל מתמשך, ואת התג משנה את ההשתקפות שלו באמצעות קוד מתפשט.זה מאפשר תגים מרובים להיות קורא בו זמנית (אנטי-collision) ומשפר טווח ואמינות.

הצעות ושיקולים

למרות היתרונות הרבים שלה, ספקטרום התפשטות אינו ללא עסקאות.העלות העיקרית היא רוחב פס: אותות ספקטרום מבוזר דורשים כמה MHz של ספקטרום עבור שיעור נתונים נמוך יחסית. בלהקות ISM צפופות יותר, זה יכול להוביל לעומס.בנוסף, רווח העיבוד מגיע משילוב של גורם מתפשט ו despread, הדורש אלקטרוניקה מורכבת יותר.

שיקול נוסף הוא עצלות. במערכות FHSS, הזמן שבילה צמתה והמתנה לתדירות הנכונה יכול להציג עיכובים שהם בעייתיים עבור יישומים בזמן אמת שליטה ספקטרום גם עושה את זה יותר מאתגר ליישם זמן מדויק של טיסה, כמו רוחב הפס הרחב מסבך את הסינכרון השעון.עם זאת, עבור רוב המכריע של יישומים של ירידה בנתונים, סחר אלה הם על ידי יעילות כוח.

עתיד להפיץ Spectrum ב- Low Power Wireless

האבולוציה של ספקטרום התפשטות ממשיכה להתקדם. טכניקות ניור כגון פס אולטרה-רחב (UWB) להשתמש הדופקים קצרים מאוד התפשט על פני כמה GHz, המציעה הפעלת כוח דק ונמוך למקם יישומים. תקן IEEE 802.15.4z עבור UWB כבר להיות פרוסה בגישה מאובטחת מעקב נכסים.בנוסף, טכניקות רדיו קוגניטיביות משולבות עם התפשטות הסתגלות לדינמיקה כדי להתאים את הגורם ההתפשטות והפצה המבוססת על תנאי לחץ קדימה, באמצעות לחץ קדימה, באמצעות לחץ קדימה, באמצעות לחץ דם ועיבוד של צריכת כוח.

כמו האינטרנט של הדברים מתרחב לכלול מיליארדי מכשירים, היכולת של ספקטרום להפיץ כדי לאפשר כוח נמוך, אמין, והתערבות תקשורת עמידת-עמידה יהיה אפילו יותר קריטי.התקדמות בטכנולוגיית תהליכים סמי-מוליכים למחצה מקטין את הכוח ועלות של ספקטרום מבוזרים, מה שהופך אותו אפשרי להטמיע קישוריות אלחוטית בחיישנים חד-פעמיים, אריזה חכמה, ותיקונים רפואיים.

לקריאה נוספת על יסודות ספקטרום התפשטות ויישומים שלה בעיצובים נמוכים, ראה את ה-FLT:0Wikipedia כניסה של ספקטרום מבוזרת ספקטרום FLT:1, את ה-FLT:2IEEE Communications SocietyFLT 3, ואת הערות היישום מ-FLT:4Tex InstrumentsFLT:5 על יישום חשמל נמוך.