Optymalizacja komunikacji LoRa w systemach embedded
| TechnikaW przypadku większości komunikujących się bezprzewodowo urządzeń zasilanych bateryjnie do najbardziej krytycznych zagadnień należą minimalizacja zużycia energii elektrycznej oraz maksymalizacja zasięgu komunikacji - bez względu na to, czy jest to produkt elektroniki noszonej, IoT, czy system przemysłowy. W tekście przyjrzymy się możliwościom optymalizacji komunikacji radiowej w standardzie LoRa, powszechnie wykorzystywanym w systemach rozproszonych.
Zyski osiągnięte wskutek optymalizacji komunikacji radiowej często pozwalają konstruktorom na swobodniejsze działania w innych aspektach. Przykładowo, bardziej efektywna implementacja mechanizmu komunikacji może doprowadzić do ograniczenia mocy nadajnika, co pozwoli wydłużyć czas pracy na baterii lub zmniejszyć jej rozmiar i jednocześnie wymiary całego urządzenia, zaś w skrajnie korzystnym przypadku całkowicie wyeliminować konieczność korzystania z baterii, bo funkcjonuje jedynie w oparciu o energię pozyskaną z otoczenia (energy harvesting).
Budżet łącza
Aby poznać czynniki mające największy wpływ na zasięg i jakość komunikacji radiowej, należy wyznaczyć tzw. budżet łącza dla danego połączenia. Budżet łącza to różnica pomiędzy siłą transmitowanego sygnału a czułością odbiornika, z uwzględnieniem zysku obu anten - nadawczej oraz odbiorczej, a także strat toru transmisyjnego nadajnika i odbiornika. Uzyskany wynik informuje o tym, przy jakim poziomie tłumienia sygnału w kanale transmisyjnym możliwy jest jeszcze jego poprawny odbiór, dość dokładnie określa zatem maksymalny zasięg komunikacji.
Zysk anteny wyrażany jest zazwyczaj w decybelach (dB) w odniesieniu do anteny izotropowej, idealnej teoretycznej anteny, która promieniuje sygnał o takim samym natężeniu we wszystkich kierunkach. Jeśli podczas komunikacji odbiornik znajduje się zawsze w tym samym położeniu (kierunku) względem nadajnika, warto skorzystać z anteny kierunkowej, która charakteryzuje się dużym zyskiem na określonym kierunku transmisji.
W przeciwnej sytuacji najlepszym rozwiązaniem jest antena dookólna. W przypadku większości urządzeń LoRa typowy zysk anteny dookólnej (nadawczej lub odbiorczej) wynosi ok. -4 dB. Typowa moc nadajnika LoRa to ok. 13 dB, zaś czułość odbiornika to ok. -137 dB. W dobrze zaprojektowanym systemie w torze transmisyjnym nadajnika oraz odbiornika mogą występować straty rzędu 1 dB. W przypadku niedopasowania anteny do toru transmisyjnego straty te mogą być znacznie większe.
Transmisja mocy pomiędzy nadajnikiem/odbiornikiem a anteną może być efektywna tylko w takiej sytuacji, kiedy impedancja wyjściowa jednego z elementów jest porównywalna do impedancji wejściowej obciążenia. Przykładowo, obciążeniem wyjścia nadajnika jest układ składający się ze ścieżek PCB, anteny oraz ewentualnych innych elementów obecnych pomiędzy anteną a nadajnikiem.
W celu minimalizacji strat mocy w torze transmisyjnym wykorzystuje się zazwyczaj zarówno elementy dopasowujące impedancję anteny (na wybranej częstotliwości) do impedancji ścieżek PCB, jak i dopasowujące impedancję ścieżek do impedancji nadajnika (lub odbiornika).
Przy wykorzystaniu przedstawionych uprzednio przykładowych wartości poszczególnych elementów budżetu łącza możliwe jest oszacowanie typowej wartości tego parametru dla komunikacji w standardzie LoRa:
Budżet łącza = 13 - (-137) + [-4 + -(4)] + [-1 + (-1)] = 140 dB
Aby zapewnić margines bezpieczeństwa dla rzeczywistych warunków propagacji sygnału i ewentualnych zakłóceń, warto odjąć od otrzymanego wyniku przynajmniej 6 dB. W przedstawionej sytuacji straty związane z propagacją sygnału mogą wynieść nie więcej niż 134 dB, ta wartość określa zatem maksymalny zasięg komunikacji.
Wiele decyzji podejmowanych podczas projektowania systemu ma bezpośredni wpływ na finalną wartość budżetu łącza. Projektanci mogą świadomie zarządzać budżetem, aby zwiększyć maksymalny zasięg komunikacji lub energooszczędność urządzenia.
Każda z decyzji, jak np. zwiększenie mocy nadajnika, zysku anteny, poprawa czułości odbiornika lub minimalizacja strat w kanale transmisyjnym, niesie ze sobą określone konsekwencje, wpływające m.in. na rozmiar oraz końcowy koszt produktu. Wypracowanie optymalnego rozwiązania wymaga szczegółowej znajomości charakterystyki, wymagań, ograniczeń oraz warunków pracy systemu.
Znalezienie zadowalającego kompromisu pomiędzy przeciwstawnymi wartościami, jak np. zasięgiem i rozmiarem urządzenia, może być szczególnie trudne w przypadku elektroniki noszonej (wearables). Tego typu układy wymagają długiego czasu pracy przy zasilaniu bateryjnym oraz niewielkiego rozmiaru i wagi. Jednocześnie podlegają, tak jak np. telefony komórkowe, dodatkowym ograniczeniom prawnym, związanym z minimalizacją energii promieniowania elektromagnetycznego pochłoniętej przez użytkownika, określanej jako wartość SAR, czyli Specific Absorption Rate.
Czułość odbiornika
Czułość odbiornika zależy nie tylko od szczegółów implementacji tego układu, ale również od parametrów odbieranego sygnału, takich jak rodzaj modulacji oraz przepływność (bit rate). W tabeli 1 przedstawiono wartości czułości przykładowego odbiornika dla różnych rodzajów modulacji sygnału. Jak można zauważyć, obniżenie szybkości transmisji pozwala zwiększyć czułość odbiornika.
Projektanci mogą dokonać optymalizacji pracy odbiornika poprzez zastosowanie minimalnej wymaganej szybkości transmisji - pozwoli to zwiększyć czułość odbiornika oraz maksymalny zasięg komunikacji. Poprawę czułości można również uzyskać poprzez rozbudowę toru odbiorczego, np. zastosowanie dodatkowych filtrów lub wzmacniacza niskoszumnego (LNA, Low Noise Amplifier), co wpłynie na wzrost rozmiaru, zużycie energii elektrycznej oraz kosztu całego układu.
Z drugiej strony, obniżenie szybkości transmisji wydłuża czas jej trwania, co powoduje wyższe zużycie energii oraz skrócenie żywotności baterii. Sztuka projektowania komunikacji radiowej polega na poszukiwaniu kompromisu pomiędzy różnymi przeciwstawnymi wartościami, przy jednoczesnym optymalnym wykorzystaniu budżetu łącza. Przyjęcie zbyt wysokiego budżetu, znacznie powyżej wymaganego zasięgu komunikacji, jest błędem - oznacza to, że wciąż istnieje możliwość optymalizacji pracy systemu.
Warunkiem poprawnej i zgodnej ze specyfikacją pracy odbiornika jest jego odpowiednia implementacja w układzie, obejmująca m.in. właściwy projekt płytki drukowanej. Podczas rozmieszczania układu odbiornika bardzo ważne jest dokładne przestrzeganie zaleceń producenta oraz minimalizacja wpływu potencjalnych źródeł zakłóceń.
Do typowych elementów mogących mieć negatywny wpływ na pracę odbiornika zaliczyć można procesory, szybkie magistrale danych, służące do połączenia np. pamięci lub wyświetlaczy, źródła zasilania oraz sterowniki silników elektrycznych. Tego typu elementy nie powinny być umieszczane w bezpośrednim sąsiedztwie odbiornika, należy również pamiętać o odpowiednich sposobach ich zabezpieczania, jak np. ekranowanie sygnałów czy filtracja linii zasilania.
Każdy ze środków ochronnych w jakimś stopniu zwiększa koszt oraz rozmiar urządzenia, ich stosowanie powinno jednak w ogólnym ujęciu pozytywnie wpłynąć na poprawę parametrów produktu - pozwalając np. obniżyć moc transmisji, a w efekcie wydłużyć żywotność baterii. Minimalizacja poziomu emisji zakłóceń może być również niezbędna do uzyskania pozytywnego rezultatu testów kompatybilności elektromagnetycznej, czyli warunku koniecznego do wprowadzenia produktu na rynek.
Zasięg i siła sygnału
Zasięg komunikacji radiowej zależy od wielu czynników. Podczas propagacji w jednorodnej wolnej przestrzeni, przy braku źródeł zakłóceń oraz odbić, sygnał rozchodzi się od anteny równomiernie we wszystkich kierunkach, zaś poziom tłumienia sygnału zależy jedynie od jego częstotliwości i przebytej odległości. Zależność ta określona jest przez następujące równanie:
Tłumienie [dB] = 20log (d) + 20log (f) - 32,45, gdzie f to częstotliwość w MHz, zaś d to odległość w km.
Można zauważyć, że częstotliwość sygnału jest kluczowym składnikiem tego równania, ma zatem bardzo duży wpływ na maksymalny zasięg transmisji. Obniżenie częstotliwości z 2,4 GHz (Bluetooth, Wi-Fi) do 868 MHz (LoRa) powinno zmniejszyć tłumienie o ok. 9 dB, ponaddwukrotnie wydłużając zasięg komunikacji przy zachowaniu niezmiennych wartości pozostałych parametrów.
W rzeczywistości przy niższej częstotliwości sygnału może być ciężko osiągnąć taki sam zysk anteny. Anteny do niższych częstotliwości cechują się zazwyczaj większymi wymiarami lub obniżoną efektywnością pracy, co w rezultacie może znacząco ograniczyć oczekiwany wzrost zasięgu komunikacji.
Obliczony na podstawie powyższego równania teoretyczny zasięg komunikacji może znacznie różnić się od rezultatu uzyskanego podczas rzeczywistej pracy urządzenia. W realnym świecie występuje wiele dodatkowych czynników zakłócających transmisję sygnału radiowego, jak np. przeszkody terenowe czy warunki atmosferyczne.
Opracowano wiele modeli propagacji sygnału mających na celu dokładne odwzorowanie propagacji w warunkach rzeczywistych, m.in. model Okumura-Hata. Obliczone na podstawie modelu Okumura-Hata tłumienie sygnału LoRa na dystansie 3 km, przy uwzględnieniu uprzednio przedstawionych w tekście właściwości sygnału i toru transmisyjnego oraz dla anten o wysokości 2 m, wynosi 134 dB.
Zużycie energii
Całkowite zużycie energii związane z komunikacją radiową zależy od wielu czynników. Jeden z najbardziej istotnych, czyli moc nadajnika, został już wcześniej wspomniany. Innym ważnym parametrem jest czas transmisji, czyli okres, w którym urządzenie transmituje lub odbiera sygnał, jest zatem aktywne jako nadajnik lub odbiornik.
Minimalizacja tej wartości ma kluczowe znaczenie dla minimalizacji zużycia energii. Choć wydawałoby się, że decydujący wpływ na całkowitą konsumpcję energii powinien mieć przede wszystkim czas pracy w trybie nadawania, w wielu nowoczesnych układach moc pobierana podczas odbioru jest porównywalna, ze względu na konieczność zastosowania zaawansowanych technik przetwarzania sygnału.
Skrócenie czasu aktywności układu nadawczo-odbiorczego osiągnąć można nie tylko poprzez zwiększenie szybkości transmisji, ale również poprzez wybór protokołu komunikacyjnego oraz zapewnienie wzajemnej synchronizacji urządzeń. Poprawę synchronizacji można uzyskać poprzez zwiększenie dokładności sygnału zegarowego, czyli m.in. implementację mechanizmów stabilizacji częstotliwości (ze względu na temperaturę oraz proces starzenia się elementów) oraz wykorzystanie oscylatorów kwarcowych wyższej jakości.
Urządzenia zasilane bateryjnie zazwyczaj przez znaczną część swojej pracy znajdują się w tzw. stanie uśpienia, z którego wybudzają się w reakcji na bodźce zewnętrzne lub ustalony upływ czasu, aby wykonać określone działanie, w tym m.in. przeprowadzić komunikację radiową. Przebudzenie i praca w stanie aktywnym odpowiadają za znaczącą większość energii używanej przez urządzenie.
W celu wydłużenia żywotności baterii warto zatem zadbać o to, aby przebudzenia miały miejsce jak najrzadziej, m.in. poprzez staranną selekcję bodźców wybudzających lub wprowadzenie rozwiązań pozwalających na obsługę reakcji na kilka odmiennych zdarzeń podczas jednego przebudzenia (np. poprzez wprowadzenie opóźnienia pomiędzy detekcją zdarzenia a jego obsługą).
Istotne znaczenie ma też sposób zasilania urządzenia. Należy sprawdzić sprawność układu zasilania, również przy pracy z niewielkim obciążeniem, rzędu kilku mikroamperów, które występuje podczas przebywania urządzenia w trybie uśpienia. Przykładowo, niektóre zasilacze impulsowe charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością nominalną, jednak wydajność ich pracy drastycznie spada przy niskim obciążeniu prądowym.
Podsumowanie
Optymalna implementacja komunikacji radiowej polega na znalezieniu kompromisu pomiędzy przeciwstawnymi wartościami, takimi jak żywotność baterii i maksymalny zasięg połączenia. Wypracowanie zadowalających rezultatów każdorazowo wymaga dokładnego zapoznania się z warunkami oraz wymaganiami projektu, bo to one zazwyczaj determinują poziom swobody działania, na jaki pozwolić sobie mogą konstruktorzy.
Damian Tomaszewski
