Langaton tekniikka mahdollistaa verkottuneen maailman ja se tekee niin menemällä paljon pidemmälle kuin korvaamalla pisteestä pisteeseen kulkevat kaapelit. Lähes kaikki elektroniikkalaitteet voivat nyt olla osa verkkoa. Tämän esineiden internetin eli IoT:n vision tekee todeksi langaton tekniikka.

Artikkelin kirjoittaja Gordon Walsh toimii Adestoon kuuluvalla S3 Semiconductorilla vanhempana järjestelmäarkkitehtina. Hänellä on elektroniikkainsinöörin tutkinto Irlannin kansallisesta yliopistosta Galwayssa. Hän on aiemmin työskennellyt useissa irlantilaisissa startupeissa kuten Parthus Technologiesilla, Lightstorm Networkissa ja Intune Networksissa. Vuosina 2011-2017 hän työskenteli Intelillä IoT-tuotteiden SoC-arkkitehtina. Walshille on myönnetty kaksi patenttia.

Ohjaus ja automaatio ovat IoT:n avainominaisuuksia, jotka toteutetaan antureilla ja aktuaattoreilla. Vaikka suurin osa automaatiolaitteista kytketään todennäköisesti pian verkkoon, IoT muodostuu pääosin pienistä laitteista suhteellisen etäisissä paikoissa. Nämä ”päätepisteet” tai ”solmut” voivat olla yksinkertaisia laitteita lämpötila-anturin tapaan tai monimutkaisia kokonaisuuksia kuten sääasema. Näin IoT:n päätepisteet voivat sisältää sekä antureita että aktuaattoreita, tehonsyöttölaitteita, prosessointia ja verkkoyhteyksiä.

Osa IoT-päätepisteen arvosta tulee siitä, että se voidaan ottaa käyttöön ja ylläpitää helposti, joten sen pitäisi olla omavarainen yksikkö, joita voidaan hallita etäältä, operoida satoja tunteja ilman sähkökatkoksia ja muodostaa osan suurempaa itsekorjautuvaa verkkoa. Nämä vaatimukset osoittavat korkean tason integrointiin, jota kestävät ja laajasti ratifioidut standardit tukevat.

Langattomat järjestelmäpiirit IoT-käyttöön

IoT-solmujen langattomien yhteyksien toteuttamiseen tarkoitettujen yhden piirin ratkaisujen valikoima on kasvanut jo vuosia. Kuva 1 näyttää tällaisen geneerisen ratkaisun lohkokaavion.

Geneerisen RF-järjestelmäpiirin lohkokaavio.

Puolijohdevalmistajat tarjoavat nyt laajan valikoiman laitteita, jotka riittävät perustason suunnitteluun useimpien langattomien protokollien kanssa, jotka määritellään teollisuuden standardeissa.

Oikean langattoman protokollan ja SoC-piirien valinta tiettyä IoT-sovellusta varten riippuu monesta tekijästä, joita tässä artikkelissa käsitellään: tärkeimmät ovat kantama, tehonkulutus ja datanopeus. Vaikka protokolla määrittelee suuresti datanopeuden ja langattomat SoC-piirit täytyy suunnitella valitun standardin rajoitusten mukaan, on valmistajille yhä paljon päätäntävaltaa näiden kolmen parametrin suhteen. He valitsevat sopivan kompromissin kehittääkseen standardikomponentteja, jotka osuvat nousevan markkinan ”sweetspottiin”.

Langattomat protokollat jaetaan kolmeen eri kategoriaan: Personal Area, Local Area ja Wide Area. Area eli alue viittaa kahden solmun väliseen fyysiseen etäisyyteen, mikä vähintään tarvitaan verkon muodostukseen. Taulukko 1 esittää suosituimpia langattomia PAN-verkkoprotokollia, joita käytetään IoT-verkoissa. Taulukko esittää protokolien datanopeuden, kantamana ja tehonkulutuksen.

Taulukko 1. Eri langattomat PAN-protokollat vertailussa.

Kantama on tärkeä, koska se paitsi määrittelee kahden päätepisteen maksimietäisyyden, myös vaikuttaa – protokollasta riippuen – siihen, kuinka paljon lähetystehoa tämän etäisyyden saavuttamiseen tarvitaan. Langattoman järjestelmän fyysisen eli PHY-kerroksen pitää pystyä käsittelemään riittävästi tehoa saavuttaakseen standardissa määritelty kantama, ja PHY-kerroksen energiatehokkuus määrittelee osin SoC-piirin tehovaatimukset. Tällä voi olla merkittäviä vaikutuksia IoT-solmun tai päätelaitteen suunnitteluun, koska päätepisteen voi olla esimerkiksi tarpeen pystyä toimimaan useita vuosia yhdellä paristolla.

On myös olemassa fyysinen rajoitus sille, miten tehokas SoC-piirin vahvistin voi olla, mikä riippuu käytetystä valmistusprosessista. Langattomat SoC-piirit suunnitellaan tuottamaan paras teho/lähetysbudjetti käytettävissä olevalla virralla. Osan tästä määrittelee vastaanottimen herkkyys, mutta osa riippuu siitä, miten tehokkaasti ja hyvin SoC-piirin RF-osa on suunniteltu ja toteutettu. Herkkien digitaalisten ja analogisten CMOS-toimintojen sekoittaminen RF:n kanssa on aina ollut vaikeaa ja usein se johtaa edellä mainittujen kompromissien tekoon. Tuloksena voi olla kokonaislähetystehon pienentäminen, vastaanottimen herkkyydestä tinkiminen tai lähetyskertojen (tunnissa/päivässä/viikossa) vähentäminen.

Verkkotopologia vs. kantama

PAN-verkoiksi luokitelluissa langattomissa verkoissa kantama mitataan kymmeninä metreinä ja niiden verkkotopologiat ovat kehittyneet ratkaisemaan lyhyen kantaman puutteita. Useimmat PAN-verkot tukevat nyt Mesh-verkkotopologiaa, jossa solmut voivat välittää viestejä toisilta solmuilta eteenpäin verkossa. Tämän ansiosta PAN-verkko ei ole enää rajoitettu kahden solmu tai päätelaiteen pisimmän kantaman sisään tai solmujen läheisyyteen.

Tämä kuitenkin tarkoittaa, että jotta viesti kulkisi kymmeniä kilometrejä, täytyy solmuja sijoitella muutaman metrin välein ja viestin pitää ”hypätä” lukuisia kertoja. Siksi suunnittelijan pitää laskea, kuinka paljon tehoa tarvitaan bitin siirtämiseen kilometrin matka, erityisesti jos verkko on tarkoitettu vähävirtaiseksi anturiverkoksi, joista on tulossa IoT:n tyypillinen käytötarkoitus.

Toisaalta WAN-verkot (Wide Area Networks) on suunniteltu kattamaan pitkiä etäisyyksiä yhdellä hypyllä. Mesh-topologian sijaan niissä käytetään yleensä Star- eli tähtitopologiaa. Tähden sakarat ovat suoria linkkejä päätelaitteiden ja yhdyskäytävän välillä (vaikka jotkut päätelaitteet voivat toimia myös yhdyskäytävinä). IoT:tä varten suunniteltuihin WAN-verkkoihin viitataan yleensä termillä LPWAN eli alhaisen tehonkulutuksen WAN. Niillä voidaan kattaa kymmeniä kilometrejä yhdellä linkillä. Sellaisina niistä on tulossa hyvin suosittuja suurien kaupunkialueiden yhdistämisessä esimerkiksi ns. älykaupunkien muodossa.

Suosituimpia LPWAN-verkkoja ovat LoRa, Sigfox, Ingenu RPMA ja Weightless. Taulukossa 2 on vertailtu kaikkien neljän avainominaisuuksia.

Taulukko 2. Taulukossa on verrattu nykyisin käytössä olevien LPWAN-tekniikoiden avainominaisuuksia.

Mobiiliverkot voivat myös tukea LPWAN-käyttöä 3GPP Release 13 -standardissa määritellyllä tavalla. Näihin tekniikoihin kuuluvat LTE Cat-M1 ja NB-IoT (joka tunnetaan myös nimellä Cat-M2). Toisin kuin muissa LPWAN-verkoissa mobiiliverkkoja hallinnoivat vakiintuneet mobiilioperaattorit ja ne perivät verkon käytöstä maksua. Myös muiden LPWAN-verkkojen käyttö voi olla maksullista, mutta myös käyttäjä voi rakentaa verkon itse.

Optimoitu langattomille anturiverkoille

Langattomien anturiverkkojen mahdolliset yhden sirun ratkaisut ovat jo suhteellisen yleisiä. Useimmat suuret puolijohdeyritykset ja monet pienemmät spesialistit tarjoavat pitkälle integroituja piirejä, joihin on yhdistetty RF-vastaanotin, mikro-ohjain, tehonhallinta, analogisia ja digitalisia oheislaitteita, muistia ja muita liitäntöjä. Anturiverkon päätelaitteen tai solmun voi kehittää tukemaan lähes mitä tahansa PAN-, LAN- tai WAN-standardia joko yhden tai kahden sirun ratkaisulla.

Koska niin monet valmistajat tarjoavat samankaltaisia SoC-piirejä, niiden välillä on vain pieniä eroja. Jokaisen pulijohdeyrityksen välttämättömiksi katsomat kompromissit on suunnattu omille sovellusalueille. Yksi koko ei sovi kaikille.

Jotkut valmistajat toivovat toteuttavansa useita protokollia, yhdistäen esimerkiksi PAN- ja LPWAN-verkot. Tämä voi auttaa hyödyntämään molempien verkkotopologioiden etuja, kuten suuren datanopeuden lyhyellä kantamalla ja alhaisen datanopeuden pitkillä etäisyyksillä. Jokainen sovellus on erilainen, joten täydellistä SoC-piiriä ei välttämättä löydy, jolloin räätälöidyn ratkaisun valinta voi olla oikea päätös. S3 Semiconductorin SmartEdge-alusta kokoaan yhteen laajan kirjastojen toimivia IP-lohkoja, jotka kattavat RF-, digitaali-, aalogia- ja tehonhallintatoimintoja. Ne voidaan optimoida tiettyä sovellusta varten kaikissa eri langattomissa verkoissa. ASIC-ratkaisun arvo voidaan mitata monella tapaa, mutta lopulta kyse on oikean ratkaisun löytämisestä tiettyä tehtävää varten, hyvin harvoilla tai ilman kompromisseja.

Lopuksi

Niistä miljardeista laitteista, jotka lähivuosina muodostavat IoT-verkon, monet tulevat olemaan langattoman anturiverkon solmuja. Järjestelmäpiirin käyttäminen tällaisen solmun toteuttamiseen on järkevää monesta syystä, mutta optimaalisen ratkaisun löytäminen ei ole välttämättä helppoa.

Räätälöidyn ASIC-piirin valitseminen antaa valmistajille mahdollisuuden optimoida ratkaisu omien vaatimusten mukaan, mikä antaa kilpailuedun suhteessa standardikomponentteja käyttäviin. SmartEdge-alusta S3 Semiconductorilta tuo juuri tämän edun.