Transceptores sem fio usam UWB para transferência de dados de baixa latência e baixa potência

Embora a tecnologia de banda ultralarga (UWB) tenha sido apresentada até agora por várias empresas de chips como uma tecnologia para aplicações de alcance fino, uma startup sediada em Montreal, Canadá, desenvolveu sua própria arquitetura de rádio para utilizar UWB para latência ultrabaixa e ultrabaixa alimentar sensores de Internet das Coisas (IoT) sem bateria.

A Spark Microsystems anunciou dois chips como parte de sua série SR1000 de ICs transceptores sem fio UWB de baixa potência, permitindo uma nova classe de aplicações de conectividade sem fio de curto alcance para produtos onde a latência do link de comunicação atualmente dificulta uma experiência de usuário imersiva em tempo real completa. Comparado ao Bluetooth Low Energy (BLE), que normalmente tem um tempo de antena de alguns milissegundos causando latência perceptível de dezenas de milissegundos, o transceptor SR1000 UWB pode enviar 1 kb de dados em apenas 50 µs, produzindo latência sem fio significativamente mais curta em uma ampla faixa de aplicativos, como streaming de áudio.

O consumo de energia do transceptor Spark, normalmente 1nJ / bit, também é significativamente menor do que BLE, normalmente 40x menor quando operando a 1 Mbps. Com uma taxa de transferência de dados até 10x maior do que BLE, a capacidade de 10 Mbps da série SR1000 é adequada para aplicativos ricos em conteúdo, como streaming de vídeo, onde links de alta largura de banda e baixa latência são essenciais.

Isso atenderá aos requisitos de produtos como periféricos de jogos e fones de ouvido de áudio e AR / VR, que de outra forma precisariam ser conectados para atender às metas de potência e latência. Ele também atende aos requisitos de energia, latência e streaming de dados de dispositivos domésticos inteligentes e sensores de Internet das Coisas (IoT) sem bateria.

Ao contrário de outros protocolos sem fio que operam dentro de espectros sem fio licenciados congestionados, a série SR1000 UWB opera na faixa de frequência não licenciada de 3,1 GHz a 10,6 GHz usando um amplo espectro de baixa densidade de potência que é tipicamente -41,3 dBm / MHz. Transmitindo em níveis que podem ser percebidos como ruído para outros receptores, a abordagem de amplo espectro UWB ajuda muito a coexistência sem fio, aprimorando ainda mais a característica de desempenho do link.

Rádios usando impulsos de curto tempo em vez de frequências portadoras
O cofundador e CTO da Spark Microsystems, Frederic Nabki, explicou a embedded.com como eles alcançam as metas de potência e latência. Ele disse que tecnologias como Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave e até 5G usam frequências portadoras moduladas para transmitir dados. Essas portadoras requerem uma quantidade significativa de tempo para inicializar e estabilizar, e hardware complexo para garantir que estejam em fase e tenham boas propriedades de fase; como resultado, eles requerem uma quantidade significativa de energia para manter.

O Spark tomou uma direção diferente. Em vez de portadoras, seu rádio usa impulsos de tempo que geram pulsos de 2ns, e como a portadora em si não faz parte da equação diretamente, você acaba não tendo que atender a essa portadora. Ele disse que isso significa que você não tem um longo tempo de inicialização ou circuitos complexos para gerenciar essa operadora. Isso resulta em um tempo de inicialização e transmissão de dados mais rápidos, porque os pulsos têm apenas 2ns de largura, o que significa que você pode repeti-los rapidamente e também podem ser sincronizados rapidamente. O subproduto da necessidade de gerar os impulsos de curta duração é que os rádios Spark requerem uma largura de banda muito ampla e usam os impulsos para se comunicar.

Nabki disse que o desafio era como fazer o transmissor e o receptor ligarem e desligarem-se em intervalos de tempo de microssegundos para potencializar a ação rápida que os impulsos permitem. Ele comentou:“Como você pode agir rapidamente, pode usar o rádio de forma agressiva, mas como manter esses dois rádios sincronizados, se você tem um transmissor e um receptor que liga e desliga a cada 50µs, por exemplo? Tivemos que criar uma tecnologia para resolver esse problema. E, finalmente, como mantemos o sistema cronometrado, não apenas sincronizado? ”

Todos os rádios sem fio precisam de um cristal de quartzo para fornecer uma base de tempo precisa o suficiente para manter a sincronização, mas também para atender às suas frequências portadoras. “Em nosso caso, trabalhamos muito para alavancar a tecnologia UWB que nos permitisse operar com um temporizador de baixa potência, que é um cristal de quartzo de 32 kHz - essencialmente o que você tem em seu relógio, custo muito baixo e potência muito baixa. Essa é a escolha que fizemos não apenas para reduzir a potência do nosso transceptor, também queríamos reduzir a potência no nível do sistema. ”

Nabki também explicou como os transceptores Spark coexistem com outros rádios. “Todos nós sabemos que Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee estão pegando carona em 2,4 GHz e essa banda está realmente congestionada. A banda de 5 GHz também está muito congestionada. Spark UWB vive entre 3,1 GHz e 10,6 GHz. É gratuito para usar, então tem a mesma vantagem do Bluetooth, Zigbee e Wi-Fi por não ter que licenciar o espectro. Mas tem EMI (interferência eletromagnética) e emissões muito mais baixas porque se você olhar para a potência que o rádio Spark transmite, é cerca de 1.000 vezes menos do que um rádio Wi-Fi e cerca de 100 vezes menos do que um rádio Bluetooth. Isso significa que permite que você coexista melhor com outros rádios, o que significa que para esses outros rádios você é percebido como um nível de ruído, eles realmente não o veem, você está abaixo de sua sensibilidade. ”

É importante ressaltar que o calcanhar de Aquiles dos rádios UWB até o momento tem sido a sensibilidade à interferência na banda. Conseqüentemente, Nabki disse que o Spark desenvolveu mecanismos exclusivos de rejeição e mitigação que permitem que ele seja impermeável a interferências de banda estreita provenientes de Wi-Fi e bandas celulares. “Acreditamos que essa será uma propriedade fundamental de nosso sistema, à medida que o Wi-Fi começa a invadir cada vez mais o espectro UWB com o Wi-Fi 6 e, portanto, estamos prontos para isso.”

Spark desenvolveu dois produtos que são apenas transceptores. Nabki explicou que colocar um núcleo de CPU nele teria exigido um esforço extra de engenharia, e seu objetivo é principalmente chegar ao mercado rapidamente. “O circuito pode ser acionado com bateria, sem a necessidade de conversor DC-DC, tudo está no chip. Você não precisa de nada externo, exceto o cristal de 32 kHz. Você precisa de um microcontrolador fora do chip e que execute o protocolo. Em nosso roteiro, iremos eventualmente trazer o MCU para o chip em um produto de segunda geração ”.

UWB não é apenas posicionamento, trata-se de baixa latência, transferência de dados de baixa potência
Nabki explicou que quando ele e seu cofundador começaram há cerca de uma década com o UWB, o objetivo deles não era o posicionamento. “Achamos que é um recurso legal, mas o UWB é muito mais do que apenas isso. Ele pode habilitar comunicação de ultrabaixa potência e ultrabaixa latência. Ele pode se comunicar com alguns microwatts de potência, com baixa latência e coexistir com wi-fi. Para nós, o alcance está lá, podemos fazer isso, e com muito menos potência do que os outros caras, mas não é necessariamente a maior promessa. A maior promessa é a transferência de dados com latência ultrabaixa e comunicação de potência ultrabaixa. ”

Ele disse que, embora os rádios do Spark sejam proprietários e ainda não sejam um padrão, eles esperam que se tornem um padrão. “A maneira como as pessoas faziam o padrão UWB hoje é focando no alcance, e então se perguntavam:como faço um rádio UWB com base nas arquiteturas sem fio atuais. Como resultado, eles acabaram com máquinas de RF muito grandes que consomem muita energia, não de baixo custo, e já ouvimos que a maioria dos fabricantes de automóveis está reservando a tecnologia UWB para carros de ponta por causa disso. O que Spark fez foi muito diferente. Começamos do zero. ”

Ele disse que o alcance é um dos recursos que os transceptores do Spark podem oferecer, mas existem aplicações potenciais mais amplas combinando o alcance com a comunicação; além disso, eles podem permitir comunicação de baixa latência de baixa taxa de dados e alta taxa de dados. Ele acrescentou:“Podemos fazer sistemas sem bateria. Ninguém pode ter um sistema que transmita dados continuamente a uma taxa de dados saudável com alguns microwatts de potência. Podemos fazer melhor os sistemas mais tradicionais, como reduzir o consumo de energia dos dispositivos de streaming de áudio. ”

O único fator que o Spark tem em comum com outros dispositivos baseados em UWB é o uso do mesmo espectro. “O resto é realmente reprojetado a partir do núcleo para fornecer conectividade sem fio de última geração para a rede de área pessoal, rede de área corporal e espaço de IoT.”

Fares Mubarak, o CEO da Spark Microsystems explicou mais a fundo. “Somos cerca de 40 vezes mais baixos do que o Bluetooth Low Energy no que diz respeito ao consumo de energia. Mesmo com o Bluetooth 5.1 e 5.2 avançando, ainda somos 20 vezes melhores quando você compara o Bluetooth 5.2. Temos latência 60 vezes menor. Nossa latência é nativamente mais baixa. Podemos fazer 50 µs de tempo de antena para 1kb de transmissão de dados. Mas, além disso, podemos atingir uma taxa de transmissão de dados ordem de magnitude mais alta. Temos duas ordens de magnitude mais baixas de EMI (interferência eletromagnética) e, como somos um rádio de banda ultralarga, podemos atingir o posicionamento do tempo de voo que pode dar a você uma precisão de 30 cm ao longo do alcance do rádio em potência muito baixa. ”

Falando sobre o mercado atual de dispositivos UWB, Mubarak comentou:“O UWB é conhecido hoje pela Decawave, NXP e o mais recente chip U1 do iPhone, todos conhecidos por posicionamento de ultra-baixo consumo de energia. Eles alegam precisão de 10 cm, mas é um poder muito alto, provavelmente devido à arquitetura que estão usando com o padrão 802.15.4z que está causando o poder. ”

Em comparação, ele disse que os transceptores Spark permitem uma precisão de 30 cm com uma potência quase duas ordens de magnitude menor. “E nossa próxima geração também pode chegar a 10 cm, com baixa potência. Nós nos diferenciamos do UWB atual com uma vantagem de energia significativa. Podemos ser um rádio despertador. A maioria das conexões sem fio de hoje é de alta potência e, portanto, precisa de um rádio despertador de baixíssima potência; este é especialmente o caso em UWB, para despertar o MCU e o rádio. ”

Visando jogos, áudio e casas inteligentes
Mubarak disse que o objetivo da empresa agora é obter validação rápida para sua tecnologia no espaço do consumidor, especialmente em jogos, áudio e hubs de jogos. Ele deu algumas perspectivas para os jogos. “Se você olhar o áudio compactado hoje com aqueles fones de ouvido, terá quase 200ms de latência. Demonstramos áudio de qualidade de alta fidelidade com latência abaixo de 5 ms. Totalmente descompactado. Em periféricos para mouses e teclados, para os quais a capacidade de resposta é fundamental para jogos, e nós demonstramos latência de sub milissegundo - podemos ter latência de até um quarto de milissegundo (250 µs). ”

Para casas inteligentes, os assistentes inteligentes são um alvo importante em termos de voz e controle. Mubarak afirma ter algumas avaliações com líderes de mercado acontecendo nessa área. Em sensores de segurança, especialmente para segurança residencial, ele disse que 60% da manutenção deles consiste na substituição de baterias gastas nos sensores. Portanto, o objetivo do Spark é habilitar nós sensores sem bateria confiáveis ​​para os sensores de baixa taxa de dados necessários para detecção de movimento, sensores de janela e porta, que podem ser alimentados por iluminação interna.

No setor automotivo, Mubarak disse que a empresa fez projetos de NRE para prova de conceito para atender às demandas de energia ultrabaixa em sistemas de monitoramento de pressão de pneus e controles remotos com bateria de mais de 10 anos.

A série SPARK Microsystems SR1000 compreende duas variantes de produto com pinos idênticos para acomodar as diferentes alocações de espectro regional:o SR1010 para 3,1 GHz a 6 GHz e o SR1020 para 6 GHz a 9,5 GHz. A série SR1000 também pode ser usada para uma variedade de aplicações de alcance e posicionamento, além de fornecer um link de dados simétrico de baixa emissão, baixa potência e baixa latência. Uma gama de ferramentas de avaliação, placas de desenvolvimento e designs de referência de aplicativos específicos para a série SR1000 estão disponíveis e ajudam na prototipagem rápida de designs iniciais.