Introduzione: La sfida di efficienza energetica nella comunicazione wireless

I dispositivi wireless sono ovunque: smartphone, wearables, smart home sensori, nodi IoT industriali e impianti medici. Tutti condividono un vincolo comune: capacità della batteria limitata. Come il numero di dispositivi collegati si accumula oltre 20 miliardi, minimizzare il consumo di energia senza sacrificare le prestazioni è diventato un obiettivo di progettazione centrale.

Che cos'è Spread Spectrum?

Lo spettro di diffusione è una tecnica di trasmissione in cui la larghezza di banda occupata è molto più ampia del minimo richiesto per trasportare le informazioni. Il segnale è diffuso utilizzando un codice pseudo-rado o un modello di accoppiamento di frequenza, rendendolo resistente alle interferenze di banda stretta e difficile da intercettare.

Spettro di diffusione di frequenza (FHSS)

FHSS passa rapidamente la frequenza del vettore tra molti canali secondo una sequenza pseudo-random nota sia al trasmettitore che al ricevitore. Il tempo di permanenza su ogni frequenza è breve, tipicamente decine a centinaia di millisecondi. Bluetooth è un esempio classico: si alza tra 79 canali nella banda 2.4 GHz 1,600 volte al secondo. Poiché il segnale è in continuo movimento, qualsiasi interruttore a banda stretta può solo corrompere una frazione dei dati trasmessi, permettendo errori di trasmissione più bassa potenza in avanti e in avanti.

Spettro di diffusione della sequenza diretta (DSSS)

DSSS moltiplica il flusso di dati con un codice di diffusione ad alta velocità (ad esempio, codice Barker in IEEE 802.11b), espandendo la larghezza di banda del segnale. Al ricevitore, lo stesso codice viene utilizzato per disprezzare il segnale, recuperando efficacemente i dati originali mentre le reti di interferenza vengono distribuite e filtrate.

OFDM e la sua relazione con lo spettro di diffusione

Mentre non è strettamente un metodo di spettro di diffusione nel senso tradizionale, OFDM ottiene benefici simili: è robusto contro interferenze multipath fading e banda stretta, e può utilizzare modulazione adattativa su ogni subcarrier per risparmiare energia.

Come lo spettro di diffusione riduce il consumo di energia

Il consumo di energia di un ricetrasmettitore wireless è una funzione di trasmissione di potenza, tempo attivo e l'efficienza della lavorazione analogica e digitale.

Migliorata la robustezza dei segnali abbassa la potenza necessaria di trasmissione

Nel sistema a banda stretta, anche un interferenziatore debole può distruggere l'intero segnale. Il trasmettitore deve aumentare la potenza per superare le interferenze o accettare alti tassi di errore, portando a retrasmissioni che scaricano la batteria.

Ritrasmissioni ridotte Conserve Energy

Ogni retransmission consuma energia sia per il pacchetto dati che per il riconoscimento. La resistenza dello spettro di diffusione alle interferenze e fading abbassa notevolmente il PER in ambienti rumorosi. Studi hanno dimostrato che in un tipico ambiente Wi-Fi interno, DSSS-based 802.11b raggiunto un PER inferiore al 1% a intervalli in cui la modulazione a banda stretta avrebbe avuto un effetto di riduzione del 10-20% dei pacchetti di perdita.

Modulation adattiva e Coding con Spettro di Spargimento

Molti moderni sistemi di spettro di diffusione incorporano modulazione adattativa e codifica (AMC). Le condizioni del canale di senso del trasmettitore e del ricevitore e selezionano la velocità di dati più alta che può essere sostenuta con basso errore. In buone condizioni, una modulazione di ordine più alta (ad esempio, 256-QAM in Wi-Fi) è utilizzato, ma quando l'interferenza o la diminuzione peggiora, il sistema torna ad una modalità più robusta e diffusa (ad esempio, BPSK con basso tasso di adattamento).

Vantaggi di sicurezza Ridurre Overhead

Lo spettro di diffusione fornisce intrinsecamente un livello di sicurezza perché il codice di diffusione o il modello di hopping è sconosciuto per i truffatori. Questo riduce la necessità di crittografia a più strati e di autenticazione overhead che consumano potenza di elaborazione aggiuntiva. Mentre i protocolli moderni applicano ancora la crittografia, la sicurezza a strati fisici dello spettro di diffusione può ridurre il carico computazionale in semplici dispositivi IoT.

Funzionamento dell'amplificatore di potenza efficiente

Gli amplificatori di potenza (PA) sono più efficienti quando si opera vicino alla saturazione. Tuttavia, il back-off è spesso necessario per mantenere la linearità per i sistemi di modulazione complessi.

Applicazioni in dispositivi wireless moderni

Wi-Fi (IEEE 802.11)

La prima fonte di Wi-Fi (802.11b) ha utilizzato DSSS con chiave di codice complementare. Gli standard successivi (802.11a/g/n/ac/ax) hanno adottato OFDM, ma hanno mantenuto proprietà di diffusione-come attraverso l'uso di più subcarri e prefissi ciclici.

Bluetooth e Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth Classic utilizza FHSS con 79 canali e una velocità di avanzamento di 1.600 hops/s. BLE restringe il canale impostato a 40 canali e adotta una velocità di hop più lenta per ridurre il consumo di energia. La natura dello spettro di diffusione di Bluetooth permette di condividere la banda ISM di 2.4 GHz con Wi-Fi e altri dispositivi senza interferenze distinguono, anche quando si trasmette a bassissima potenza (come -20 dBm in alcuni modi).

Cellulare: CDMA, WCDMA, LTE e 5G

La tecnologia di trasmissione di dati più rigidi (IS-95) ha permesso di estendere il DSSS alle reti cellulari, consentendo di ridurre i costi di trasmissione e di ridurre il potere di trasmissione dei telefoni cellulari.

Internet delle cose (IoT) e LPWAN

La gamma di sistemi di distribuzione a bassa potenza (LPWAN) come LoRaWAN e Sigfox impiegano lo spettro di diffusione per raggiungere una gamma lunga a potenza molto bassa. LoRa (Long Range) utilizza una tecnica di spettro di diffusione proprietaria basata sullo spettro di diffusione del chirp (CSS).

Analisi comparativa: Spread Spectrum vs. Modulation Narrowband

Per apprezzare il risparmio energetico, è utile confrontare un sistema di spettro di diffusione con un collegamento a banda stretta equivalente. Assumere entrambi devono raggiungere una velocità di dati di 1 kbps con una velocità di errore di bit di 10^-3 ad una distanza di 100 metri in un ambiente interno tipico con interferenza moderata da Wi-Fi e forni a microonde.

  • Bandiera:[] Un semplice trasmettitore FSK o OOK avrebbe bisogno di produrre circa +10 dBm per superare la tacca di interferenza della banda stretta. La perdita del pacchetto dovuta agli interruttori potrebbe essere superiore al 15%, richiedendo una media di 1.18 trasmissioni per pacchetto (compresi ACK).
  • DSSS (processing gain 11 dB):[ Con gli stessi dati 1 kbps, la potenza trasmessa può essere ridotta a 0 dBm perché il guadagno di elaborazione fornisce 11 dB di rifiuto di interferenza. La perdita di pacchetto scende a meno dell'1%, quindi la retransmission overhead è minima.
  • FHSS (100 canali, 20 ms abitano): Il trasmettitore può usare 0 dBm fino a quando il modello di hopping evita l'interferenza la maggior parte del tempo. Se un canale è bloccato, solo l'1% dei pacchetti sono persi, che richiedono pochissime ritrasmissioni.

La differenza di 10 dB corrisponde ad un fattore di 10 nel consumo di energia, un risparmio drammatico per un dispositivo a batteria, inoltre le ridotte ritrasmissioni riducono anche il tempo attivo del ricevitore, risparmiando energia supplementare.

Sfide e trade-off

Lo spettro di diffusione non è un proiettile magico. Il processo di diffusione stesso consuma la potenza – elaborazione digitale della banda di base per DSSS hanno bisogno di correlatori ad alta velocità, e FHSS richiede sintetizzatori di frequenza veloce. In dispositivi ultra-bassi molto semplici, i casi di sovraccarico dello spettro di diffusione possono superare i risparmi di potenza di trasmissione non necessari.

Future Directions: Spargere Spettro in 6G e oltre

Come wireless si evolve verso 6G, i concetti di spettro di diffusione vengono rivisitati nel contesto delle comunicazioni di terahertz (THz) e della comunicazione della luce visibile (VLC). A frequenze THz, sono disponibili grandissime frequenze di banda (multi-gigahertz) che rendono lo spettro di diffusione attraente per coesistere con altri servizi.

Conclusioni

La tecnologia dello spettro di diffusione del motore, sia implementata come FHSS, DSSS, OFDM o CSS, è diventata una pietra angolare della comunicazione wireless a basso consumo energetico. Migliorando la robustezza del segnale, riducendo le retrasmissioni, consentendo la modulazione adattativa, e permettendo una minore potenza di trasmissione, lo spettro di diffusione della batteria estende direttamente i dispositivi che vanno dagli smartphone ai piccoli sensori.

Per ulteriori informazioni, vedere la panoramica ]FCC dello spettro di diffusione in bande non autorizzate], un Articolo IEEE sul consumo di energia nei sistemi di spettro di diffusione, e il ] Panoramica della tecnologia Bluetooth[FiLT:5] per i dettagli su FHSS in BLEDM.