Wi-Fi

W dziedzinie komunikacji bezprzewodowej Wi-Fi jest jednym z najbardziej powszechnych sposobów łączności zapewniającej bezpieczne, niezawodne i szybkie połączenia bezprzewodowe IP. Takie moduły wybierane są zwykle, gdy pobór energii jest drugoplanowy, a liczy się łatwość rozszerzenia urządzenia o komunikację opartą na protokole IP bez wprowadzania większych modyfikacji w działających urządzeniach lub rozszerzenie dowolnych urządzeń wyposażonych w interfejsy UART, SPI, RMII, USB lub LAN o bezprzewodowość.

Moduły Wi-Fi to rozwiązania niedrogie, często wykorzystywane jako mosty zapewniające "przezroczystą" transmisję sygnałów. Są one podstawą aplikacji przemysłowych, medycznych, a koncepcyjnie moduły te są zbliżone do całej reszty już omówionych rozwiązań.

Sieci LPWAN

Dla 41% firm z tego zestawienia moduły komunikacyjne są bardzo ważnym elementem oferty handlowej, co dowodzi, że urządzenia te są postrzegane jako perspektywiczne dla biznesu i atrakcyjne. Dostawcom produktów i technologii związanych z komunikacją radiową przybywa klientów i jeśli chodzi o asortyment, to oferta nieustannie poszerza się we wszystkich kategoriach i „półkach cenowych” po to, aby pokryć całe spektrum potrzeb rynkowych. Moduły komunikacyjne, podobnie zresztą jak mikrokontrolery, mogą być kołem zamachowym nakręcającym sprzedaż innych komponentów powiązanych tematycznie. Nic więc dziwnego, że postrzegane są przez tak liczne grono jako produkty strategiczne.

LoRa, Sigfox to nazwy technologii, które pojawiają się coraz częściej w obszarze nowości produktowych.

Zaliczane są do rodziny sieci LPWAN (Low Power Wide Area Networks), a więc takich rozwiązań komunikacji, gdzie kosztem maksymalnej szybkości transmisji danych powiększono zasięg i sprawność energetyczną łącza. Domyślnym obszarem aplikacyjnym jest tutaj oczywiście IoT.

Koncepcyjnie obie sieci są podobne do telefonii komórkowej: mają topologię gwiazdy, w której terminale łączą się z siecią i między sobą za pomocą stacji bazowych BTS (Base Transceiver Station). Innymi słowy do ich działania konieczna jest infrastruktura techniczna. Niemniej BTS-y pracują z pasmach ISM, co nie wymaga płacenia za częstotliwości.

LoRa bazuje na technice rozpraszania widma i zapewnia prędkość transmisji do ok. 50 kbit/s i zasięg w środowisku miejskim od 2 do 5 kilometrów, natomiast w terenie otwartym nawet 15 kilometrów. W sieciach Sigfox z kolei wykorzystywana jest technika Ultra Narrow Band. Uzyskuje się w nich prędkość transmisji od 10 b/s do 1 kbit/s, a żywotność baterii sięga 20 lat.

Zasięg sieci Sigfox mieści się w przedziale od 3 do 10 km w terenie zurbanizowanym oraz 30-50 km w terenie wiejskim. W efekcie w obu przypadkach komórki sieci są relatywnie duże, a koszty budowy umiarkowanie niskie. Żywotność baterii węzłów w sieciach tego typu może wynieść nawet 10 lat.

Widać też, że komunikacja jest tutaj relatywnie wolna po to, aby ograniczyć podatność na zakłócenia i wykorzystuje wąskie pasmo po to, aby poprawić warunki odbioru sygnału (lepszy stosunek sygnału do szumu).

W sieci Sigfox odstęp częstotliwości międzykanałowych jest mały, co wymusza stosowanie selektywnych odbiorników o dużej czułości rzędu -126 dBm (0,1 µV/50 Ω). Niemniej dzięki oparciu ich na koncepcji tzw. radia realizowanego przez oprogramowanie - SDR (Soft ware Defined Radio) koszt implementacji sprzętowej jest niewielki.

W LoRa wykorzystywany jest asynchroniczny protokół, pozwalający na tworzenie wydzielonych sieci prywatnych lub sieci publicznych. Zastosowana modulacja pozwala na odbiór sygnałów 22 dB poniżej progu szumów, a konstrukcja odbiornika gwarantuje selektywność pozwalającą na tłumienie o 69 dB z kanału sąsiedniego odległego o 25 kHz.

Tabela 2. Dane kontaktowe do krajowych dostawców modułów do komunikacji bezprzewodowej

Wiele transceiverów FSK ma ten parametr dla pasma 868 MHz rzędu 30 dB, a więc wielokrotnie gorszy. Przekłada się to na zasięg, bo budżet łącza jest nieporównywalnie lepszy w LPWAN. Większość dostępnych na rynku transceiverów ISM pracujących poniżej 1 GHz ma zasięg nieprzekraczający 2 km w otwartej przestrzeni. A pierwszy lepszy transceiver pracujący w technologii LoRa ma zasięg do 15 km pomiędzy węzłem a punktem dostępowym dla pracy w paśmie 1 GHz i dziesięciokrotnie lepszą czułość.

Sieć Sigfox aktualnie pokrywa swoim zasięgiem Francję, Hiszpanię, Włochy, Wielką Brytanię, Belgię i Holandię, a także część Czech i Węgier plus kilka aglomeracji w USA. We Francji sieć ta tworzy lokalny własny system, w którym można wykupić abonament, w innych działa poprzez partnerów.

Na mapie zasięgu Sigfox na razie Polska jest białą plamą. Dla LoRa mamy aktywnych dosłownie kilka stacji bazowych: we Wrocławiu, Gdyni, trwają przymiarki do uruchomienia BTS-a w Warszawie. Jak widać, na razie są to bardzo skromne początki, niemniej z pewnością szybko się to zmieni.

Obie sieci są wspierane przez licznych partnerów tworzących stowarzyszenia LoRa Alliance i Sigfox Alliance. Sigfox nie wykorzystuje własnościowego protokołu, dzięki czemu układy mogą produkować różne firmy bez umów i formalności, wystarczy, że spełnią specyfikację techniczną Sigfox. Takie układy ma na przykład Atmel/Microchip, TI, On Semi, ST Micro oraz Radiocrafts, Telit.

Dla LoRa dostawcami chipów i rozwiązań komunikacyjnych są Semtech, Microchip, HopeRF i wielu innych. Lista partnerów dla obu tych sieci jest duża, tworzą oni moduły komunikacyjne, zestawy projektowe, gotowe platformy oraz całe aplikacje. Całość dynamicznie się zmienia i podawanie wielu szczegółów nie ma tutaj sensu, ale na obu listach jest wiele znanych nazw, jak Orange, Samsung, Huawei, co dobrze wróży rozwojowi, gdyż tacy giganci nie promują wątpliwych pomysłów.

NB-IoT

Ilustracja, które moduły komunikacji bezprzewodowej dominują ilościowo w statystykach sprzedaży. Przez wiele lat pierwsza pozycja należała do najprostszych modułów GSM, które były bazą do aplikacji M2M, systemów zdalnego sterowania i rozwiązań telemetrycznych. Warto zatem odnotować, że tym razem na szczycie uplasowały się rozwiązania w standardzie Bluetooth LE. Jest to z pewnością wynik ich dobrej dostępności, umiarkowanych cen i znakomitych parametrów technicznych, ale chyba przede wszystkim tego, że zapowiadana rewolucja techniczna związana z IoT staje się faktem. A dla wielu takich aplikacji Bluetooth LE tworzy łącze komunikacyjne. Warto też odnotować, że rynek słabo przyjmuje standard ZigBee. Jego mała popularność oraz wciąż wysokie ceny modułów zniechęcają klientów do inwestowania w tę technologię i w praktyce ZigBee nie liczy się komercyjnie. Słabe notowania Wireless MBUS to z kolei skutek tego że jest to standard ukierunkowany na aplikacje automatycznego odczytu liczników mediów i raczej aplikowany w postaci chipów, dostępny w postaci programowej SDR na otwartych platformach transceiverów niż modułów.

Przez wiele lat moduły komunikacyjne pracujące w technologii GPRS (2G) i komunikujące się poprzez sieć komórkową były podstawą komunikacji bezprzewodowej. Wraz z popularyzacją szybkiej komunikacji w telefonii komórkowej 3G i 4G wiele z równoważnych rozwiązań staje się zbyt skomplikowanych i tym samym zbyt drogich z punktu widzenia potrzeb wielu urządzeń.

Co więcej, duża część sprzętu transmituje niewiele danych, a szybkość komunikacji jest dla nich praktycznie bez znaczenia, bo liczy się czas pracy na bateriach. W rezultacie umieszczenie w sprzęcie IoT modemu komórkowego 3G lub 4G nie ma sensu od strony technicznej i ekonomicznej. Te dylematy ma rozwiązać nowy standard NB-IoT (Narrow Band IoT), który wykorzystuje sieć komórkową 4G, ale nie ma wymienionych wad.

Maksymalna szybkość komunikacji możliwa do uzyskania w tym rozwiązaniu to 200 kbps DL. Uzyskuje się ją przy zajęciu pasma o szerokości jedynie 200 kHz (przy LTE kat. 4 jest to aż 20 MHz). Wąskopasmowa praca pozwala na zdecydowanie większe skupienie urządzeń na małym obszarze, co w przypadku IoT jest kluczowym czynnikiem.

Wysoka sprawność energetyczna modułów działających w NB-IoT wynika głównie z parametru DRx, definiującego okres pomiędzy następującymi po sobie wybudzeniami modułu z głębokiego uśpienia w celu zsynchronizowania działania z siecią. Poprzez znaczne wydłużenie tego parametru można w znaczący sposób wydłużyć czas pracy z baterii.

Według opracowania przygotowanego przez twórców rozwiązania (3GPP), realne jest nawet 10 lat działania bez konieczności wymiany baterii o pojemności 5 Wh (3,7 V, 1350 mAh) - co jest nieosiągalne w obecnych rozwiązaniach GSM/UMTS/LTE.

Moduły NBIoT w zamyśle producentów nie mają konkurować z rozwiązaniami 2G/3G/4G, ponieważ nie nadają się do aplikacji z regularnym, dużym/średnim transferem danych albo wymagających połączeń głosowych czy innych rodzajów funkcjonalności.

Otwierają jednak nowe możliwości wykorzystania infrastruktury sieci 4G w aplikacjach zasilanych z baterii przy niskiej cenie i dobrym zasięgu wewnątrz budynków. Uwalniają też od ryzyka związanego z perspektywą pogorszenia się zasięgu sieci 2G.

Moduły RF

Komunikacja bezprzewodowa nie zawsze bazuje na standardach. Ich działanie ogranicza się do warstwy fizycznej komunikacji bez obsługi znanego protokołu. Są one kierowane do prostych aplikacji włącz/wyłącz lub rozwiązań własnościowych, które nie muszą mieć zdolności do komunikacji z innym sprzętem. Czasem też aplikacje są zbyt proste, aby aplikować do nich złożoną i wydajną komunikację. W takim wypadku są one też tańsze w realizacji.

Wiele z nich bazuje na chipach TI i SoC-ach działających na zasadzie radia programowalnego, pozwalając na programowanie parametrów za pomocą interfejsu cyfrowego lub też załadowanie do pamięci mniej typowych rozwiązań jak np. Wireless M-Bus, budowę sieci typu mesh lub wykorzystanie zamiast pojedynczego kanału pasma ISM (433/868/2,4 GHz) transmisji z rozpraszaniem widma lub skakaniem po kanałach.

Innymi słowy, prostota funkcjonalna tych modułów nie oznacza ubogiej funkcjonalności. Występują one w bardzo wielu odmianach: od najprostszych par nadajnik-odbiornik do otwierania bramy, po rozwiązania z procesorem aplikacyjnym, wejściami analogowymi i cyfrowymi, obsługą sieci o różnej topologii, szyfrowaniem transmisji i innymi. Opcje konfiguracyjne obejmują m.in. częstotliwość pracy, moc, obsługę sieci, tryby uśpienia i podobne.

Dostawcy modułów komunikacyjnych i ich oferty

Tabela 3. Plan raportów „Elektronika” na najbliższe miesiące

Wśród firm zajmujących się sprzedażą sporą grupę tworzą dostawcy komponentów elektronicznych o szerokiej ofercie, jak firmy katalogowe: Farnell element14, Elfa Distrelec, RS Components, Conrad Electronic, TME oraz duże hurtownie i dystrybutorzy międzynarodowi (Micros i Maritex oraz Arrow Electronics, EBV).

Drugą grupę stanowią firmy dystrybucyjne o wyspecjalizowanej ofercie, dla których komunikacja bezprzewodowa jest jednym z ważniejszych obszarów aktywności, np. Elproma Elektronika, Acte, Eltronika, Microdis Electronics, Elhurt, Masters, Gamma, JM elektronik, Soyter Components, Computer Controls oraz Glyn.

Reprezentują one czołowych producentów, jak Gemalto (Cinterion), SimCom, Sierra-Wireless, uBlox oraz zapewniają pełną pomoc techniczną. Pomijając najprostsze konstrukcje, moduły komunikacyjne są skomplikowane technicznie, zwłaszcza te z wbudowanym procesorem aplikacyjnym, dlatego doradztwo techniczne i postrzeganie dostawcy jako partnera w projekcie w tym obszarze jest cenione.

Trzecia grupa dostawców to firmy z obszaru automatyki przemysłowej sprzedające modułowe urządzenia komunikacyjne dla potrzeb sieci przemysłowych, do łączenia rozproszonych instalacji, obiektów i zakładów - to np. Elmark Automatyka, Eltron, Inventia, Murrelektronik, CSI i oczywiście Advantech.

Integralną częścią tego artykułu jest przegląd ofert dostawców modułów do zastosowań w komunikacji bezprzewodowej. Jest on pokazany w tabeli 1, zawierającej w poszczególnych wierszach informacje na temat poszczególnych grup produktów. Ostatnia pozycja obejmuje usługi wspierające sprzedaż i dodatki powiązane tematycznie. W tabeli 2 podajemy dane kontaktowe do firm, które nadesłały wypełnione ankiety, wraz ze wskazaniem głównych marek produktów znajdujących się w ich ofertach.

Robert Magdziak

Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród dostawców modułów komunikacyjnych w Polsce.