Balance the SWaP-C for your IoT Wireless Solution

Zrównoważ parametry SWaP-C (rozmiar, waga, moc – koszt) dla swojego bezprzewodowego rozwiązania Internetu Rzeczy (IoT)

Wszystkie innowacje w technologii IoT, od urządzeń medycznych od urządzeń przemysłowych po produkty konsumenckie, wymagają zintegrowanego podejścia do optymalizacji zastosowań technologii bezprzewodowych. Dodanie przypadkowego połączenia bezprzewodowego byłoby niepotrzebnym wydatkiem w zakresie mocy i kosztów.

Urządzenia końcowe będą miały niemal nieograniczone kształty i rozmiary, ale prawdopodobnie będą charakteryzowały się wieloma cechami wspólnymi: koszt, a także rozmiar i waga. Jednak wszystkie te wymagania mogą zostać z łatwością przyćmione przez fundamentalną potrzebę niskiego poboru mocy, przy czym niezależnie od specyfikacji technicznej zachodzi konieczność przyjęcia strategicznych kompromisów, aby podczas rozwoju skutecznie rozwiązać równanie SWaP-C (rozmiar, waga, moc – koszt).

Równoważenie równania SWaP-C jest dobrze rozumiane w przemyśle wojskowym i lotniczym i ma takie samo zastosowanie w IoT. Wiele urządzeń końcowych IoT ma działać przez wiele lat przy niewielkim lub żadnym zapotrzebowaniu na konserwację, w tym wymianę baterii. Ponieważ najprawdopodobniej będą one wykorzystywać jakąś formę łączności bezprzewodowej, wybór technologii bezprzewodowej będzie stanowił istotną część obliczeń dla równania SWaP-C. Niezależnie od specyfikacji produktu IoT, który Twoja firma wprowadza na rynek, stanie przed Tobą zadanie przyjęcia strategicznych kompromisów, aby pomyślnie rozwiązać równanie SWaP-C. Duża część z nich będzie zależała od zrozumienia różnic między technologiami bezprzewodowymi i tego, która z nich jest odpowiednia dla Twojego produktu.

Figure 1: Wireless Connectivity IoT Technology

Mnogość rozwiązań w zakresie łączności bezprzewodowej

Wybór odpowiedniej technologii bezprzewodowej dla bardziej złożonych produktów zazwyczaj jest zadaniem trudnym i nie jednowymiarowym. Innymi słowy: często potrzebna jest kombinacja różnie skonfigurowanych technologii Wi-Fi, Bluetooth, LPWAN i komórkowych. Patrząc na to z punktu widzenia pojedynczego węzła, moc potrzebna do dostarczenia wiadomości do serwera sieci jest efektywnie rozdzielana na wszystkie węzły aktywnie uczestniczące w sieci.

Dla wielkości sieci mesh, funkcjonującej na przykład w sposób samoregenerujący się, jedna wiadomość może zostać odebrana i przekazana przez wiele węzłów, w niektórych przypadkach niepotrzebnie zużywając moc. Jest to charakterystyczne dla technologii sieci bezprzewodowych, które zajmują przestrzeń PAN (ang. Personal Area Network — sieć o zasięgu osobistym) i LAN (ang. Local Area Network — lokalna sieć komputerowa) i przyjmują topologię siatki, takich jak Bluetooth i ZigBee. Oczywiście znamy definicję, ale zasięg sieci Wi-Fi jest często nadmiernie ograniczany przez ich częstotliwość, moc nadawania, typ anteny, lokalizację i środowisko. Podczas gdy Wi-Fi jest dobrze ugruntowane, Wi-Fi 6 jest następną generacją tej technologii i stanowi punkt zwrotny w zakresie możliwości rozwoju nowych produktów. Ten temat został bardziej szczegółowo omówiony w poprzednim felietonie w kolumnie SCMR.

Jest to mniej charakterystyczne dla technologii bezprzewodowych WAN (ang. Wide Area Network — rozległa sieć komputerowa), takich jak sieci komórkowe i LPWA (ang. Low Power Wide Area — sieć rozległa małej mocy), zaprojektowanych do transmisji na kilometry, a nie na kilka metrów jak w przypadku sieci PAN i LAN. Dotyczy to technologii opracowanych dla licencjonowanego widma, takich jak LTE-M i NB-IoT oraz LPWA działających w nielicencjonowanym widmie, jak Sigfox i LoRaWAN.

Funkcje i	PAN	PAN	LAN	WAN	WAN	WAN	WAN	WAN
specyfikacja	BLE/Bluetooth 5	Zigbee	Wi-Fi	5G	NB-IoT	LTE-M	Sigfox	LoRA
Wielkość sieci	do 750 m	<30 m	<=100m	500m- 10km	>15km	>10km	>15km	>10km
Waga modułu	0.3g-2g	2-4g	3-6g	4-5g	2-3g	2-3g	2-3g	2-3g
Efektywność zasilania	~10 lat	6–12 miesięcy	<10 dni	<10 dni	~10 lat	~10 lat	10–20 lat	10–20 lat
Koszt modułu	Bardzo niski	Niski	Średni	Bardzo wysoki	Niski	Niski	Bardzo niski	Niski

Stworzenie i obsługa sieci komórkowej w licencjonowanym widmie jest kosztowne, dlatego rozwój rozwiązań takich jak LTE-M i NB-IoT może być wykluczony ze względu na koszty — przynajmniej na wczesnych etapach wdrażania. Podobnie sieci, które opierają się na wielu lokalnych węzłach w celu zagwarantowania łączności i zwiększenia zasięgu (Bluetooth, ZigBee), również mogłyby podnieść całkowity koszt posiadania (TCO — ang. Total Cost of Ownership), zwłaszcza gdy w grę wchodzą duże obszary i/lub duże odległości.

Rozwiązania dostarczane przez firmy takie, jak Sigfox i LoRaWAN, są opracowywane celem przezwyciężania tych ograniczeń, oferując łączność o dużym zasięgu (dziesiątki kilometrów) dla wiadomości o niskiej przepustowości (dziesiątki bajtów) przy bardzo niskim poborze mocy (lata pracy na jednej baterii), bez odpowiedzialności właściwej operatorom sieci. Chociaż nie można ich uznać za sieci komórkowe w znaczeniu konwencjonalnym, sieci LPWAN działające w nielicencjonowanym spektrum wymagają stacji bazowych dla zapewnienia zasięgu.

Wiemy, że te technologie mogą się wzajemnie łączyć, ale odpowiednie technologie i odpowiednia konfiguracja każdej z nich mająca na celu optymalizację wydajności i kompromis SWaP-C, będą się różnić w zależności od wymagań dotyczących przypadków użycia i wartości, jaką konkretna funkcjonalność może zaoferować Twojemu rynkowi docelowemu. Odpowiedzi na pytania, które technologie bezprzewodowe i jakie ich kombinacje stosować to tylko dwa z elementów większej układanki. Warto wspomnieć, że każde rozwiązanie łączności ma swoje mocne i słabe strony, a — z przyczyn oczywistych — podejście typu „jedno uniwersalne rozwiązanie” nie istnieje. Znaczenie ma raczej zrozumienie różnorodności dostępnych opcji i innych czynników wpływających na decyzję, takich jak szybkość transmisji danych, opóźnienia, mobilność, zasięg, pokrycie, bezpieczeństwo i wiele innych. Ponadto wymagania dotyczące podstawowych przypadków użycia aplikacji technologii IoT prawdopodobnie ulegną w trakcie jej cyklu życia zmianie, ponieważ wolumeny lub wybór danych zebranych z maszyn itp. mogą po przeanalizowaniu wzorców wymagać dostosowania.

Aby osiągnąć dogłębne zrozumienie rozwiązań łączności bezprzewodowej i ich przypadków użycia, przeczytaj naszą publikację „Rozwiązania łączności bezprzewodowej dla Internetu rzeczy (IoT)”.