Urządzenia i moduły do komunikacji bezprzewodowej

Najbardziej pozytywnym zjawiskiem w dziedzinie komunikacji bezprzewodowej jest ciągły rozwój branży. Pojawiają się nowe rozwiązania i technologie, dawne tanieją, a popularyzacja standardów 5G (czy za parę lat 6G) wywołuje większe zainteresowanie bezprzewodowym dostępem do danych i systemów. Koszt realizacji połączenia przewodowego coraz bardziej rośnie, a bezprzewodowego maleje. Koszt pracy i materiałów takich jak kable jest dzisiaj na tyle istotną częścią wielu inwestycji, że często są one korzystnym wyborem jedynie wówczas, gdy kable komunikacyjne kładzione są razem z całą resztą instalacji w ramach nowego projektu. Gdy wymagana jest elastyczność, mobilność, wyboru praktycznie nie ma.

Obecnie konstruktor ma do wyboru nie tylko kilka generacji produktów do sieci Wi-Fi i komórkowych oraz Bluetooth różniących się nie tylko przepustowością, ale i poborem mocy, z których nie wszystkie są ze sobą kompatybilne. Do dyspozycji są też inne rozwiązania, jak LPWA oraz przemysłowy Wireless Mbus. Razem tworzy to ogromne możliwości i wybrać optymalne rozwiązanie do projektu staje się coraz bardziej skomplikowane.

Najważniejsze cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu modułów komunikacyjnych #1

 

Cena jest najważniejszym kryterium selekcji produktu w obszarze komunikacji bezprzewodowej, bo musi być konkurencyjna w stosunku do rozwiązań przewodowych, na tyle niska, aby klient chciał zapłacić za taką funkcjonalność i wybrał proponowane rozwiązanie, a nie inne. Zapewne z uwagi istotę niskiej ceny na rynku przez długie lata funkcjonują starsze technologie komunikacji i nadal są wybierane przez klientów. Na kolejnych dwóch miejscach uplasowały się jakość i niezawodność oraz parametry techniczne, czyli te czynniki, które decydują o przewadze technologicznej. Dalej mamy wsparcie techniczne, czyli pomoc techniczną ze strony dostawcy, która jest istotna przede wszystkim w produktach nowych i złożonych oraz termin dostawy, z czym aktualnie jest problem.

Na rynek wchodzi 5G

Rynek telefonii komórkowej jest dzisiaj w przededniu wielkiej zmiany jaką niesie ze sobą sieć piątej generacji. Operatorzy komórkowi zapewniają już klientom takie możliwości, ale na razie usługi są niejako pilotażowe, bo są one realizowane w oparciu o posiadane już częstotliwości, jak 2,1 GHz dla Play i T-Mobile oraz 2,6 GHz dla Polkomtela.

Aby możliwa była pełna ocena zalet sieci 5G, operatorzy muszą dostać dostęp do pasm 3,4‒3,8 GHz, 26 GHz (na pikokomórki) i 700 MHz (na usługi o dużym zasięgu). Aukcje tych częstotliwości miały już dawno się zakończyć, ale z uwagi na politykę, pandemię, niejasną sytuację związaną z dostawcami infrastruktury sieciowej, jeszcze trwają. Wyjaśnienie, dlaczego tak się dzieje, przekracza tematykę tego artykułu, ale faktem jest, że biurokracja za każdym razem prowadzi do opóźnień.

Razem ze zbliżającą się rewolucją w telekomunikacji następuje też przebudowa infrastruktury komunikacyjnej przez operatorów, którzy stopniowo zamykają BTS-y 2G. Na rynku jest coraz mniej telefonów komórkowych starszej generacji, a utrzymanie infrastruktury kosztuje. W obszarze konsumenckim migracja do sieci 4G jest niejako wymuszona przez kolejne umowy, nowe smartfony, dla modułów tempo migracji jest mniejsze, bo często urządzenia takie pracują długie lata. Niemniej powoli nie oznacza wcale i zmiany technologii z 2G do LTE Cat. 1 lub CAT-M względnie NB-IoT są widoczne.

Na rynku są już też dostępne rozwiązania modułów komunikacyjnych dla sieci 5G i w większości ich możliwości determinowane są przez oprogramowanie firmware. Zatem jeśli nawet obecnie nie obsługują one jakiejś funkcjonalności, z pewnością z czasem będzie można ją dodać z kolejną aktualizacją.

Pogłębia się znaczenie jakości komunikacji

plikacyjną było to, że istniała możliwość radiowej wymiany danych, uwalniająca od przewodów, dająca dostęp do Internetu lub pozwalająca stworzyć sieć kratową. Dzisiaj jest to jedynie warunek konieczny, coś, co projektanci traktują jako oczywistość i wartość dawno zdobytą. Obecnie więcej uwagi kierowane jest na jakość komunikacji, czyli pewność tego, że kanał komunikacji zapewni deklarowaną przepustowość, że nie będzie opóźnień, zacięć, rozłączeń, konieczności resetowania ustawień protokołu i podobnych problemów. Najlepsze rozwiązanie modułu i urządzenia do komunikacji bezprzewodowej jest takie, że działa od momentu załączenia zasilania, a całą obsługę techniczną, w tym modyfikację ustawień, aktualizację oprogramowania, podglądanie stanu z raportowaniem, realizuje się zdalnie (drogą radiową).

Sprzętu elektronicznego w naszym otoczeniu szybko przybywa, dotyczy to też rozwiązań IoT, które z definicji komunikują się bezprzewodowo. Bardzo często są to urządzenia standardowe, a więc z Bluetooth lub Wi-Fi, na skutek czego dostępne pasmo radiowe potrafi się szybko zapchać. Pierwszym efektem jest właśnie spadek wydajności, zasięgu, płynności działania.

Z oczywistych przyczyn projektanci zwracają na to coraz więcej uwagi i wybierają produkty, które lepiej sobie radzą z utrzymaniem QoS. Wiadomo, że widmo dostępne dla danego standardu komunikacji nie jest z gumy, ale wiele można poprawić za pomocą oprogramowania i rozwiązań sprzętowych toru radiowego.

Szybka ewolucja technologii

Obszar komunikacji bezprzewodowej bardzo szybko się zmienia. Co chwila pojawiają się nowe standardy i urządzenia, które rozwiązują problemy, które jeszcze chwilę wcześniej były dużym kłopotem, dają lepsze parametry lub są lepiej powiązane z resztą infrastruktury w cały system. Rosnący stopień skomplikowania i zależności technologii oraz wspomniana szybka ewolucja niestety nie sprzyjają dobrej orientacji klientów i utrudnia dokonywanie optymalnych wyborów. Klienci bardzo często nie mają świadomości technicznej i ograniczeń związanych z modułami, słabo orientują się w dostępnych nowościach i stąd wymagają wsparcia ze strony sprzedawcy. Wielu traktuje komunikację radiową tak, jakby był to odpowiednik kabla, inni zatrzymali się z wiedzą i przykładają stare schematy do nowych wersji. Przy takim podejściu o rozczarowanie nie jest trudno.

Ponieważ moduł komunikacyjny, nawet najlepiej wybrany, nie tworzy aplikacji ani usługi, którą można sprzedać, nierzadko wsparcie dostawców dotyczy też sfery oprogramowania. Ubocznym efektem jest to, że początkowe etapy zarówno sprzedaży, jak i części projektowych wydłużają się zatem i muszą być prowadzone ze szczególną starannością, aby zapewnić klientowi satysfakcję z usługi.

O komunikacji bezprzewodowej trzeba dzisiaj myśleć w czasie projektowania analizując zagadnienie w sposób kompleksowy, tj. rozpatrując je jako całą sieć powiązanych i zależnych od siebie działań. Gdzieś w takim projekcie jest oczywiście moduł komunikacyjny, ale jest on tylko niewielką częścią całości, zarówno ekonomicznie, jak i technicznie.

Bogata funkcjonalność oprogramowania, usług związanych z akwizycją danych, komunikacją sprawia, że czołowi producenci rozwiązań komunikacyjnych mogą się w ten sposób wybić ponad przeciętną. Inni, jak duże firmy znane ze świata IT także poszerzają możliwości swoich rozwiązań o obsługę takich platform. Czasem oznacza to dla nich otwarcie biznesu na nową działalność, ale IoT niczym magnes przyciąga wielu graczy.

Patrząc z perspektywy, można powiedzieć, że zmiany idą w takim kierunku, aby najważniejszym problemem do rozwiązania był pomysł na rozwiązanie problemu lub zyskania korzyści wynikającej z technologii, a nie budowa układu elektronicznego lub pisanie kodu. To zadanie ma się sprowadzać do wyboru rozwiązania spośród wielu dostępnych, niekoniecznie tworzenia własnego, a także kupna usługi (konta) w powiązanej w taką platformą chmurze obliczeniowej zamiast tworzenia i konfigurowania własnej.

Ważne i poszukiwane typy modułów komunikacyjnych #2

 

Lista ważnych i poszukiwanych wersji modułów do komunikacji bezprzewodowej obejmuje wszystkie główne standardy, jak Wi-Fi, Bluetooth, wersje do sieci komórkowych w standardzie 4G (LTE). Bardzo wysoką notę można przypisać także rozwiązaniom dla sieci LPWAN, które nareszcie się spopularyzowały i wypracowały własne miejsce na rynku. Z wykresu widać ponadto, że moduły do sieci komórkowych działające w starszych technologiach (2G i 3G) wcale nie tworzą marginesu.

Monitoring i analiza danych

Komunikacja bezprzewodowa zawsze była głównym narzędziem do zapewnienia monitoringu i zdalnej kontroli instalacji i urządzeń, i ten obszar zastosowań jest dzisiaj jeszcze bardziej istotny, bo wiele takich aplikacji pozwala ograniczyć koszty wynikające z pracy ludzkiej. Odczyt liczników, monitorowanie stanu instalacji, maszyn, instalacje energii odnawialnej i wiele innych urządzeń, które pracują w terenie, dzięki temu obsługuje się zdalnie. Aby możliwe było zainstalowanie czujnika w niedostępnym miejscu, konieczne jest zapewnienie bezobsługowości, czyli możliwości aktualizacji oprogramowania drogą radiową, monitorowania stanu, diagnozowania działania i podobnych. Zresztą termin "zdalnie" wydaje się wytrychem, którym obecnie posługuje się biznes.

Komunikacja bezprzewodowa to nie tylko nowe projekty. Wiele produktów przemysłowych, maszyn, sprzętu specjalistycznego (np. medycyna, aparatura), ma dodawaną komunikację bezprzewodową w ramach modernizacji i poprawy funkcjonalności. Wykorzystuje się w tym celu istniejące porty szeregowe, na które wysyłane są komunikaty diagnostyczne lub dodaje do maszyny dodatkowe czujniki i linie I/O i podłącza je do modułu. Takie projekty przyspieszają rozwój tytułowej dziedziny, rozszerzając zastosowania na inne niż tylko projekty nowych systemów.

Dodawanie komunikacji jest coraz łatwiejsze, bo mamy do dyspozycji coraz bardziej uniwersalne, zaawansowane platformy sprzętowe. Coraz łatwiej kupić rozwiązania prawie gotowe, takie które wymagają jedynie konfiguracji, niewielkiej integracji (obudowa, zasilanie, podłączenie czujnika) i tym samym wysiłek projektanta kieruje się w stronę aplikacyjną, integracyjną oraz właśnie związaną z analityką danych.

Istotne nowości w obszarze komunikacji bezprzewodowej #3

 

Zestawienie najbardziej istotnych trendów, produktów i technologii w zakresie komunikacji bezprzewodowej otwiera miniaturyzacja i niski pobór mocy, który jest wspólnym mianownikiem wielu nowych rozwiązań kierowanych do świata IoT, AMR i urządzeń mobilnych. Podobne wskazanie uzyskały nowe moduły do sieci 5G oraz takie, które pozwolą dodać obsługę 5G z czasem przez wymianę oprogramowania. Kolejne trzy pozycje o mniej więcej tym samym udziale procentowym to nowe wersje Bluetooth, moduły LTE niskich kategorii i produkty combo (dwa w jednym).

Sieci LPWAN się szybko rozwijają

Sieci LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) to rozwiązania działające w pasmach ISM, gdzie przy małej przepustowości zapewniony został znacznie większy w porównaniu do innych standardów zasięg komunikacji. W warunkach krajowych oznacza to sieci LoRaWAN oraz LTE Cat. M / NB- IoT (Narrow-Band IoT), które służą głównie do zbierania danych z rozległych aplikacji telemetrycznych. Typowe aplikacje, jak liczniki wody, gazu czy ciepła, systemy alarmowe, czujniki zadymienia, śledzenie ludzi i zwierząt, produkty AGD, kontrola dostępu do budynku, sterowanie oświetleniem, różnego rodzaju czujniki, np. stacje meteorologiczne itp., nie potrzebują większych wydajności, stąd LTE niskiej kategorii może być dobrym pomysłem. Rynek LoRa WAN rozwija się w niezłym tempie, a z tego co można wyczytać na forach, jedyne problemy dotyczą dość wysokich cen urządzeń do budowy sieci (stacji przekaźnikowych). Z kolei sieci typu NB- IoT oraz LTE kategorii M to rozwiązania wykorzystujące infrastrukturę sieci komórkowych przeznaczone do aplikacji transmitujących niewiele danych (głównie klasy IoT), niewymagających dużej szybkości, za efektywnych energetycznie. Działają one w małym paśmie, mają ograniczoną konieczność zgłaszania obecności w sieci i pobierają wielokrotnie mniej energii od zwykłych modułów LTE.

Moduły NB- IoT w zamyśle producentów nie mają konkurować z rozwiązaniami 2G/3G/4G, ponieważ nie nadają się do aplikacji z regularnym, dużym/średnim transferem danych. 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, a przecież wiele urządzeń ma takie moduły cały czas działające, bo są one bardzo tanie. Ta koncepcja się sprawdza, gdyż jak wynika z naszej ankiety, zainteresowanie rynku jest duże.

Istotne trendy techniczne #4

 

Najważniejsze cechy techniczne modułów do komunikacji bezprzewodowej można podsumować stwierdzeniem, że klienci oczekują obecnie od takich produktów wygody aplikacyjnej, łatwości implementacji oraz prostoty obsługi posprzedażnej. Skoro wiele takich rozwiązań trafia do sprzętu instalowanego w terenie, możliwość zdalnego zarządzania i obsługi technicznej trafia na pierwszy plan. Trend małego poboru mocy, dostęp do zaszytej w chipie karty SIM też wpisują się w takie oczekiwania.

Moduły do sieci komórkowych zawsze są w centrum uwagi

Moduły przeznaczone do pracy w sieciach komórkowych są coraz lepsze i ciągle stanowią główny nurt sprzedaży w omawianej grupie produktów, a dodatkowym czynnikiem poprawiającym tempo rozwoju rynku jest ciągły spadek ich cen. Starsze rozwiązania dla sieci 2G i 3G, które przez lata były wybierane przez klientów z uwagi na cenę, powoli schodzą z piedestału. Bardzo niska cena nie jest już taka istotna dla klientów, poza tym dochodzi obawa o coraz gorszy zasięg sieci starszych generacji w niedalekiej perspektywie. Wiadomo, że operatorzy rzucą wszystkie siły inwestycyjne na budowę sieci 5G i będzie to się działo także kosztem utrzymania infrastruktury dla starszych technologii. Dzisiaj konstruktor musi brać pod uwagę, że za kilka lat sieć 2G będzie miała słaby zasięg. Większe zainteresowanie rozwiązaniami LTE jest w takiej sytuacji naturalne.

Główny nurt sprzedaży tworzą moduły 4G (LTE), jako nowość wymieniane są rozwiązania 5G. Większość czołowych producentów ma przynajmniej jedną taką jednostkę w ofercie. Opisy mówią o 10-krotnie większej szybkości transmisji w porównaniu do LTE i wykorzystaniu systemów wieloantenowych do transmisji, pozwalającej na jednoczesny odbiór i nadawanie danych w wielu kanałach jednocześnie.

Wiele modułów komórkowych to wielosystemowe platformy oraz wersje z wbudowanym odbiornikiem lokalizacyjnym GPS+ Glonass+Beidou lub Bluetooth albo Wi-Fi. Trend integracji wielu systemów w jednym dotyczy zresztą też innych rozwiązań, bo np. Wi-Fi łączy się w jednym komponencie z Bluetooth.

Takie wersje są wygodne, tańsze, zajmujące mniej miejsca i tym samym są lepiej dopasowane do wymagań aplikacyjnych. Przykładem może być lokalizator wysyłający pozycję obiektu za pomocą sieci komórkowej lub automat podłączony na stałe do sieci przez Wi-Fi, ale także umożliwiający podłączenie się przez Bluetooth użytkownikom/ pracownikowi serwisu. Sytuacji, gdzie dodatkowy interfejs jest potrzebny lub przynajmniej mile widziany, jest coraz więcej i stąd produkty takie zyskują na popularności. Moduły wielosystemowe (combo) są też mniejsze od każdego alternatywnego rozwiązania, a to w obszarze elektroniki mobilnej oraz aplikacji IoT jest bardzo istotne. To samo dotyczy mniejszego poboru mocy, liczby wymaganych elementów zewnętrznych itd.

Zjawiska sprzyjające rozwojowi rynku komunikacji bezprzewodowej #5

 

W zestawieniu głównych czynników pozytywnie wpływających na rozwój rynku komunikacji bezprzewodowej za najważniejsze postrzegane jest to, że liczba produktów z komunikacją szybko się zwiększa, a tym tych z obszaru Internetu Rzeczy. Rozwój determinują nowe, doskonalsze standardy komunikacji i rosnące wymagania klientów, którzy przeszli już do porządku dziennego nad tym, że komunikację radiową już mają i teraz sięgają po więcej, a więc, aby była ona wydajna, oszczędna energetycznie, niezawodna itd.

Bluetooth Low Energy

Najnowszy Bluetooth Low Energy (BLE) w wersji 5 to kolejna usprawniona wersja doskonale znanego standardu komunikacyjnego, która dobrze wpasowuje się w potrzeby aplikacji IoT, elektroniki noszonej i innych urządzeń za silanych z baterii. BLE jest efektywny energetycznie (stąd nazwa) i zapewnia większą efektywność komunikacji, lepszą elastyczność pracy i konfiguracji dołączonych urządzeń, w tym możliwość jednoczesnej pracy w trybie nadawania i odbioru danych. Niższe są też koszty implementacji. rosnąca popularność BLE w urządzeniach mobilnych powodują, że Bluetooth Low Energy jest najpopularniejszą metodą komunikacji urządzeń typu wearables.

Bluetooth jest przydatny wszędzie tam, gdzie konieczne jest nie tyle stworzenie całej sieci, ale jedynie przesłanie, od czasu do czasu, niewielkiej ilości danych na niedużą odległość. Wersje BLE pozwalają tworzyć energooszczędne urządzenia pracujące na zasilaniu bateryjnym przez wiele lat i np. przesyłające od czasu do czasu zgromadzone dane.

Bluetooth jest przydatny wszędzie tam, gdzie konieczne jest nie tyle stworzenie całej sieci, ale jedynie przesłanie, od czasu do czasu, niewielkiej ilości danych na niedużą odległość. Wersje BLE pozwalają tworzyć energooszczędne urządzenia pracujące na zasilaniu bateryjnym przez wiele lat i np. przesyłające od czasu do czasu zgromadzone dane.

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. Komunikację Wi-Fi mają wbudowane licznie dostępne na rynku płytki rozwojowe i większość platform do IoT. Dużą popularność W-Fi (i Bluetooth) w zakresie IoT zapewniają mikrokontrolery z wbudowaną komunikacją, np. Espressif ESP8266.

Najważniejsze czynniki negatywne #6

 

Listę najbardziej istotnych czynników przeszkadzających w rozwoju rynku komunikacji bezprzewodowej otwierają długie czasy dostaw, które nie tylko dotyczą podzespołów dla motoryzacji, ale też wielu innych grup podzespołów elektronicznych. Pandemia rozchwiała rynek i niestety paradoksalnie spowodowała problemy z podażą, a nie popytem. Kryteria znajdujące się na dalszych miejscach są już typowe, a więc duża konkurencja w kraju i ze strony dostawców azjatyckich oraz słabe rozeznanie klientów w szczegółach technicznych rozwiązań. Jest to po części wynik tego, że tempo zmian technologii w tym obszarze rynku jest bardzo duże i trudno mu dotrzymać kroku. Kolejne generacje sieci komórkowych, wersje standardów takich jak Bluetooth, pojawiają się na tyle często, że wielu inżynierów wie, o co w nich chodzi, tylko w zarysie. Gorzej chyba jest tylko w obszarze inteligentnego domu, bo tam połapać się, kto, co i z czym to już jest sztuka. Takie warunki uwypuklają znaczenie kompetentnego, inżynierskiego wsparcia technicznego dla klientów.

Moduły RF

Komunikacja bezprzewodowa nie zawsze bazuje na standardach. Istnieją produkty, których 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 (np. prosta automatyka domowa, systemy alarmowe). W takim wypadku są one też tańsze w realizacji, ale wszystko zależy od aplikacji, podejścia producenta oraz tego, co proponują dostawcy komponentów. Gdy koszty realizacji są istotne, a nie ma konieczności zapewniania interoperacyjności (za pomocą standardu), najkorzystniej wypada jeden chip, czyli mikrokontroler (lub SoC) z wbudowanym transceiverem.

Takie rozwiązania ma w ofercie wiele firm półprzewodnikowych, z każdą kolejną generacją są one też coraz bardziej zaawansowane, a część radiowa działa na zasadzie radia programowalnego (SDR), pozwalając na programowanie parametrów, budowę sieci typu mesh lub wykorzystanie zamiast pojedynczego kanału pasma ISM (433/868/2,4 GHz) transmisji z rozpraszaniem widma albo skakaniem po kanałach (frequency hopping) lub nawet załadowanie całego stosu protokołu. Opcje konfiguracyjne obejmują też częstotliwość pracy (w ramach pasm ISM), moc, obsługę sieci, tryby uśpienia i podobne.