Annons

Multiradiolösning i gemensam förpackning

Varför välja inbyggda multiradiolösningar för M2M- och IoT-tillämpningar?
Pelle Svensson, produktmarknadschef inom det schweiziska företaget u-blox, ger här flera skäl till det.

Under de senaste åren har kretstillverkare lanserat olika multiradiokretsar som erbjuder två eller flera trådlösa teknologier integrerade i en och samma fysiska förpackning. Detta har lett till utveckling av multiradiomoduler som typiskt inbegriper klassisk Bluetooth, Bluetooth Smart och WiFi.
Multiradiolösningar möjliggör produktinnovationer för Sakernas Internet (IoT) inom många och varierade tillämpningar innefattande telematik, användningsbaserad försäkring, tillverkning, uppkopplade städer, sjukvård, kapitalförvaltning, byggnads- och hemautomation, säkerhetssystem och smart energi.
Multiradioenheter ger mindre format, lägre utvecklingskostnader och lägre produktpris. Vid sidan av dessa ganska uppenbara fördelar finns många andra. Förcertifierade moduler minskar arbetet med typgodkännande från olika tillsynsmyndigheter för den färdiga produkten. Den komplexitet som samlokaliserad radio ger, när flera antenner ska fungera i omedelbar närhet av varandra i samma lilla enhet, är också redan löst.
Vidare medger multiradioenheter en enda fysisk implementering av flera olika produkter. De kan använda sig av extern teknik för upptäckt och närhetsdetektering, exempelvis via Bluetooth Smart-beacons, och de kan användas som kostnadseffektiva och kompakta IoT-gateways.

Varför storleken spelar roll
Tillverkare av smarttelefoner är inriktade på att minska storleken och kostnaden för sina produkter. En telefon måste integrera ett flertal trådlösa protokoll (utöver mobiltelefoni) för att fylla sin funktion som enhet för parallella aktiviteter: Klassisk Bluetooth, Bluetooth Smart, WiFi (2,4 och 5 GHz), FM-radio, satellitnavigation och, i några nyare modeller, NFC. I stället för att bygga in flera separata radiodelar, eventuellt från olika leverantörer, kan konstruktörerna minska storleken och kostnaden för den trådlösa implementeringen dramatiskt genom att använda en enda multiradiolösning i stället. Komplexitet, storlek och kostnad för kretskorten minskas också.

Sänkta kostnader för konstruktion och färdig produkt
Flera separata radiodelar innebär fler komponenter, större kretskortyta och mer testning. Det behövs betydligt färre externa komponenter med multiradio. Multiradiomoduler kan också ha inbyggda LNAer (lågbrusförstärkare), komponenter för antennanpassning, oscillatorer, kristaller och andra komponenter som annars skulle sitta utanför radiodelen.
De flesta multiradiolösningar har också ett gemensamt antenngränssnitt vilket gör att det behövs färre komponenter, till exempel för antennanpassning. Vissa har till och med integrerad antenn, antingen som primärstrålare eller som reserv ifall den externa antennen blir skadad eller bortkopplad.
Ju fler komponenter som ett kretskort ska ha, desto komplexare och dyrare blir det. Multiradiolösningar förenklar och möjliggör inte bara mindre kretskort utan kan också bidra till kretskort med färre lager vilket kan medföra betydande kostnadsbesparingar.

Implementering i många radioalternativ
Den totala kostnadsbesparingen som multiradiolösningar medger gör att det blir lönsamt att tillämpa denna designstrategi på flera produkter även om de olika slutprodukterna bara använder ett av de tillgängliga trådlösa protokollen. Exempelvis kanske man vill erbjuda olika produktvarianter för Bluetooth och WiFi i stället för en enda produkt för båda protokollen.
Detta angreppssätt är särskilt användbart för produktsortiment med gemensam arkitektur och kanske ett gemensamt huvudkretskort för alla olika varianter. Även om varje produkt i sortimentet enbart använder en trådlös teknik så minimeras utvecklingen och underhållet för hela produktsortimentet.

Automatisk anslutning
Ett vanligt krav är att två trådlösa enheter ska ansluta sig automatiskt till varandra när de kommer inom räckhåll. Ibland används en radioteknik för att detektera enheternas tjänster och en annan för dataöverföring.
En radioteknik som ofta implementeras i multiradiolösningar är Bluetooth Smart. Med sin unika förmåga att upptäcka radiotjänster är Bluetooth Smart speciellt användbar för multiradiolösningar. Protokollet kan användas för att detektera en användare eller en enhet som kommer i närheten, och fungerar som närhetsdetektor (proximity beacon). När en användare eller enhet detekterats kan man använda någon annan radioteknik för dataöverföring ifall större bandbredd behövs.
Exempelvis kan, i en butiksmiljö, Bluetooth Smart användas för att signalera var närmaste kvittoskrivare till handhållna betalningsterminaler finns någonstans. När enheterna anslutit sig till varandra kan dataöverföring ske via klassisk Bluetooth eller WiFi.

I detta exempel används bara en av radioteknologierna i taget.

Trådlös samexistens
Vissa system kräver att trådlösa teknologier arbetar samtidigt. Det finns risk för interferens under sådana förhållanden vilket resulterar i större fördröjning på grund av att arbitrering måste användas för pakettrafiken för att undvika samtidig datasändning och -mottagning, eller i värsta fall dataförlust om mottagaren överbelastas.
Sådana möjliga sidoeffekter är oacceptabla inom funktionskritiska industriella och medicinska tillämpningar. Det är således viktigt att optimera samexistens av olika trådlösa teknologier för att säkerställa interferensfri drift.
Att använda flera enkelradioenheter medför längre utvecklingstid för att hantera problemet med samexistens, vilket ökar kostnaderna och ger längre time-to-market för slutprodukten.
Med en självständig multiradiomodul hanteras samexistens internt inom mutliradiokretsen vilket eliminerar dessa problem.

Minimera arbetet med typgodkännande

Att implementera flera enkelradiolösningar i en produkt kräver extra testning för typgodkännande. Även om en trådlös modul för en enda radio har blivit typgodkänd krävs ytterligare testning och rapportering när ytterligare radiomoduler integreras i enheten. Detta ger längre time-to-market, ökade utvecklingskostnader, ökad kostnad i testanläggningen samt ökar de tekniska riskerna. Med en separat multiradiomodul undviker man dessa problem.

Multiradiolösningar – idealiska för gateways
En trådlös gateway är en nätverksenhet som förmedlar datapaket från en trådlös enhet till nätverket. En gateway kan kombinera funktionerna hos en trådlös accesspunkt och en router, och ofta ingår också brandväggsfunktioner. Sådana sammansatta enheter sparar skrivbordsyta och förenklar ledningsdragning – en enhet ersätter två andra. En gateway kan också fungera som protokollkonverterare för den installerade basstationens enheter och överföra konverterat data uppströms med användning av nya internetformat såsom RESTFul, XMPP och MQTT.
Multiradiolösningar är särskilt lämpliga när det finns behov av olika trådlösa teknologier för att ansluta enheter i gatewaykonfiguration. En teknologi används för nedströms kommunikation till sensorer och ställdon. En annan radio kommunicerar med befintliga nätverk uppströms.
Beakta följande exempel med medicinsk utrustning såsom en infusionspump. Bluetooth Smart kan användas med en handhållen skanner för att säkerställa att pumpen är inkopplad på rätt patient och att rätt medicinering administreras. En sådan anslutning överför väldigt lite data men samma pump kan utnyttja en WiFi-länk för att få större bandbredd för att kontinuerligt skicka övervakningsdata till sjukhusets nätverk.

Att använda olika teknologier nedströms och uppströms är också idealiskt när ett antal batteridrivna sensorer behöver strömsnål trådlös kommunikation medan man samtidigt vill ha anslutning uppströms till befintlig infrastruktur, t ex via WiFi. Man kan t ex använda Bluetooth Smart för att ansluta sensorer nedströms och använda WiFi för att överföra sensordata uppströms. Samma teknik kan användas för att ge utökad geografisk täckning genom att använda en uppströms WiFi-länk som repeater. I sådant fall används WiFi för att koppla ihop flera Bluetooth Smart-gateways för att få större täckningsområde.
u-blox ODIN-W262 är ett exempel på en trådlös multiradiomodul avsedd för sådana tillämpningar som beskrivits ovan. Modulen, med sina små yttermått på 14,8×22,3×4,5 mm stöder flera samtidiga WiFi- (2,4 och 5 GHz), klassisk Bluetooth- och Bluetooth Smart-länkar för flexibel produktdesign och är lätt att konfigurera för enskilda applikationer med hjälp av AT-kommandon. Radiodelen är typgodkänd i länder över hela världen. Den har också en inbyggd antenn så att det ska gå så snabbt och enkelt som möjligt att lägga till trådlösa multiprotokollanslutningar till vilken produkt som helst.

Möjliggör Sakernas Internet
När Bluetooth Core Specification la till ett standardiserat sätt att skapa särskilda datakanaler för IPv6 lades grunden för framtida IP-konnektivitet. Med marknadens snabba anammande av Bluetooth Smart och tillägget av IP-konnektivitet pekar allt på att Bluetooth kommer att vara en av de grundläggande trådlösa förbindelserna inom Sakernas Internet. Det nyligen gjorda tillägget till standarden gör det möjligt för Bluetooth Smart-sensorer att använda IPv6, vilket ger utvecklare och OEM-företag den flexibilitet de behöver för att säkerställa konnektivitet och kompatibilitet.

Om författaren
Pelle Svensson ingår i u-bloxs team för produktstrategi inom u-blox produktcentrum för kortdistans, baserat i Malmö i Sverige. Detta produktcentrum bildades den 19 maj 2014 när u-blox förvärvade connectBlue.
Huvudkontoret för u-blox ligger i Thalwil i Schweiz.
Pelle började arbeta hos connectBlue strax efter det att bolaget grundades. Han har initierat och lett verksamheten i USA och även utvecklat affärsutvecklingsarbetet för APAC. Innan Pelle började hos connectBlue var han ansvarig för marknadsföring av Bluetooth när Bluetoothtekniken lanserades av Ericsson.
Genom sin karriär före Ericsson har han fått djup erfarenhet inom produktutveckling, utbildning och marknadsföring av industriautomationslösningar hos ABB Automation Products (f d Alfa Laval Automation), ett företag specialiserat inom processautomation, styrsystem och SCADA-övervakning.

 

Comments are closed.