Vergleich von proprietärer RF und Bluetooth

Designer haben viele Möglichkeiten, wenn es um drahtlose Konnektivität in Anwendungen geht, die von Human Interface Devices (HIDs) bis hin zu Remote-Sensoren für das Internet der Dinge (IoT) reichen. Eine der grundlegenderen Entscheidungen, die getroffen werden müssen und von denen viele Designer noch immer zu kämpfen haben, ist, ob sie mit einer auf Standards basierenden HF-Schnittstelle wie Wi-Fi, Bluetooth oder ZigBee oder einer proprietären RF Physical Layer (PHY ) Design und Protokoll.

Es gibt viele Gründe für die Auswahl von einem über den anderen, aber auch die relativen Kompromisse in Bezug auf Kosten, Sicherheit, Energieverbrauch, Interoperabilität, Entwurfszeit, Robustheit gegenüber Interferenzen, Koexistenz, Latenz und Zertifizierungsanforderungen. Viele dieser Kompromisse sind miteinander verknüpft, so dass Designer zuerst die Designanforderungen bestimmen und dann entsprechend optimieren müssen.

In diesem Artikel werden die Faktoren erörtert, die bei der Wahl zwischen einer Standard-Bluetooth-Schnittstelle und einem proprietären RF-Protokoll berücksichtigt werden müssen. Es wird dann ein Bluetooth 5-Modul eingeführt, gefolgt von einer Silizium-Lösung, auf der ein proprietäres Protokoll implementiert werden kann, mit entsprechenden Richtlinien für jeden, wie man schnell zum Laufen kommt.


Proprietäre RF Pro und Kontra
Der Fall für proprietäre PHY und Protokoll ist stark, wenn ein Design eine Optimierung in Richtung Sicherheit, geringer Stromverbrauch, geringer Platzbedarf und Leistung erfordert.

Sicherheit ist für viele Anwendungen von Garagentoröffnern bis zu IoT-Geräten von entscheidender Bedeutung. Mit proprietären Radios wird es auf verschiedene Arten angesprochen. Zu Beginn stellen proprietäre Designs "Sicherheit durch Obskurität" sicher, da eine RF-Schnittstelle, die nicht bekannt ist, schwerer zu hacken ist. Es gibt auch die Tendenz, dass proprietäre Schnittstellen Point-to-Point sind oder in geschlossenen Systemen arbeiten, die keine Verbindung zu weiteren Netzwerken haben, und so verborgen bleiben. Schließlich können Entwickler von proprietären Schnittstellen ihre eigenen fortschrittlichen Verschlüsselungsalgorithmen entwickeln oder etablierte Algorithmen optimieren, ohne mit Sicherheitsalgorithmen anderer Hersteller interoperabel zu sein. Einfach anders zu sein ist an sich schon ein Sicherheitsvorteil.

Proprietäre Funkdesigns können von Vorteil sein, wenn es darum geht, eine stabile Verbindung angesichts von Interferenzen durch Wi-Fi-Netzwerke, Mikrowellenherde, schnurlose Telefone und andere drahtlose Netzwerke mit geringem Stromverbrauch zu gewährleisten. Ohne an einen Standard gebunden zu sein, haben Entwickler die Flexibilität, das Spektrum unter Verwendung von Techniken wie Direktsequenz-Spreizspektrum (DSSS) und Frequenzsprung-Spreizspektrum (FHSS) besser zu nutzen. Darüber hinaus können sie ihr eigenes bevorzugtes Codierungsschema basierend auf ihrem erwarteten Verbindungsbudget übernehmen, um einen höheren Durchsatz oder einen niedrigeren Energieverbrauch zu erreichen.

Diese Flexibilität gilt auch für die Datenpaketstruktur. Ohne den Paket-Overhead, der erforderlich ist, um die Interoperabilität mit auf Standards basierenden drahtlosen Geräten sicherzustellen, kann die Paketstruktur entsprechend den Anforderungen der Anwendung gestrafft werden.

Vom Standpunkt des Hardware-Designs aus können die gut verstandenen Leistungsanforderungen und die Gewissheit, dass sich diese Anforderungen zu einem späteren Zeitpunkt nicht ändern werden, Konstrukteuren einer proprietären RF-Schnittstelle ermöglichen, hinsichtlich Platz, Leistung und Leistung optimiert zu werden. Sie können dies tun, indem sie wieder nur die Funktionen einschließen, die erforderlich sind, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen.

Während proprietäre RF viele Vorteile hat, gibt es eine Reihe von Faktoren, die berücksichtigt werden müssen. Die erste ist die Kosten: Um die einmaligen technischen Kosten (NRE) eines kundenspezifischen HF-IC-Designs und der zugehörigen Software, insbesondere für kostengünstige Geräte, zu rechtfertigen, sollte das erwartete Volumen> 100,000 sein.

Eng mit den Kosten verbunden ist die Designzeit, insbesondere angesichts der Launen des HF-Designs und der gut dokumentierten Knappheit von HF-Fachwissen sowie der Zeit, die für die Entwicklung der für ein erfolgreiches Design erforderlichen Firmware und Software benötigt wird.

Bluetooth weit verbreitet, immer angepasst
Auf der anderen Seite steht Bluetooth. Ursprünglich als direkte Punkt-zu-Punkt-Kabelersatztechnologie für HIDs und andere Geräte konzipiert, die die Nutzer verwickeln, wurde es bald zu einer kabellosen Audio- und Gerät-zu-Gerät-Konnektivitätslösung. Dank der strengen Kontrolle durch die Bluetooth Special Interest Group (SIG) ist Bluetooth gut verstanden und Entwickler können sicher sein, dass ihre Geräte unabhängig von der Hardwarequelle mit anderen Bluetooth-fähigen Geräten verbunden und damit interoperabel sind.

Eine breite Akzeptanz und interoperable Geräte haben zu produktiver Hard- und Software geführt, die geringere Kosten und eine schnellere Markteinführung für ein Design mit sich bringt, das eine drahtlose Schnittstelle erfordert. Darüber hinaus hat sich Bluetooth im Laufe der Jahre weiterentwickelt.

Es hat immer im industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen (ISM) Band von 2.4 GHz gearbeitet, beginnend mit der GFSK-Modulation seiner neunundsiebzig 1 MHz-Träger, was einen Durchsatz von 1 Mbit / s ergab. Dies nennt sich Bluetooth Basic Rate (BR). Sein adaptives FHSS-Codierungsschema ermöglicht es, weiterhin robust gegenüber Störern zu bleiben, selbst wenn das IoT mehr drahtlos verbundene Geräte hervorbringt. Um zu höheren Datenraten zu kommen, verwendet Bluetooth 2.0 + Enhanced Data Rate (EDR) π / 4-DQPSK (differentielle Quadratur-Phasenumtastung) und 8DPSK-Modulation, um die Raten von 2 bzw. 3 Mbit / s zu erhalten.

Während Bluetooth von der SIG streng kontrolliert wird, müssen Designer die Änderungen, die mit der Einführung der Bluetooth 4.0 Core Spezifikation in 2010 einhergingen, genau studieren. Dies führte Bluetooth Low Energy (BLE) ein, das früher als Bluetooth Smart vermarktet wurde. BLE ist nicht abwärtskompatibel mit Bluetooth Classic, daher müssen Designer hier vorsichtig sein.

Das primäre Ziel von BLE ist geringe Leistung. Dies wird erreicht, indem vom verbindungsorientierten Ansatz von Bluetooth Classic, bei dem Geräte immer verbunden sind, zu einem unverbundenen Ansatz übergegangen wird, bei dem sie nur dann Verbindungen herstellen, wenn sie für kurze Intervalle benötigt werden. Die Anwendungen sind Wearables wie Smart Watches und Sensoren für das IoT.

Die neueste Version, Bluetooth 5, verdoppelt die BLE-Datenrate von 2 Mbit / s auf 1 Mbits / s und erhöht die Reichweite einer 128-kbit / s-Verbindung von 4x auf bis zu 50 m durch Verwendung einer stärkeren Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) . Die höhere Datenrate ermöglicht, dass mehr Pakete für einen gegebenen Zeitschlitz übertragen werden, so dass der Stromverbrauch reduziert wird, da das Gerät für längere Zeit im Niedrigstrom- oder Leerlaufmodus bleiben kann.

Die größere Reichweite bietet Entwicklern mehr Flexibilität, um die Datenrate für die Entfernung für jedes Bluetooth-Gerät, einschließlich Beacons, abzuwägen. Beacons sind batteriebetriebene BLE-Geräte, die ihre Kennung an in der Nähe befindliche Mobilgeräte übertragen, damit diese Geräte in der Nähe des Beacons bestimmte Aktionen ausführen können. Bei Werbetreibenden beliebt, ermöglichen sie auch eine präzise Verfolgung im Innen- und Außenbereich.

Die SIG implementierte jedoch eine weitere interessante Optimierung, die auch proprietäre RF-Interface-Designer können: Sie senkten das Overhead-zu-Payload-Verhältnis und erforderten weniger Übertragungen, um eine bestimmte Menge "echter" Daten zu senden, um den Stromverbrauch weiter zu reduzieren.

Was als einfache Kabelersatztechnologie begann, hat sich in etwas viel Nützlicheres verwandelt. Infolgedessen sind Designer eher geneigt, nach einer schnellen und einfachen Bluetooth-Lösung zu suchen, anstatt die Kosten und Kosten für die Gestaltung ihrer eigenen RF-Schnittstelle zu übernehmen.


Aufstehen und auf Bluetooth laufen
Diese Neigung, sich für eine Bluetooth-Schnittstelle zu entscheiden, wird zu einer Notwendigkeit, da sich die Zeit bis zur Markteinführung verkürzt und die Budgets schrumpfen. Glücklicherweise gibt es für viele Designs genug Platz, um ein handelsübliches Bluetooth-Modul unterzubringen, das es dem Design-Team ermöglicht, sich auf seine Endanwendung und Differenzierung zu konzentrieren.


Proprietär gegen Bluetooth Sweetspot
Zwischen einem vollständig angepassten, proprietären Radiodesign und Standard-Bluetooth gibt es eine weitere Option: einen Standard-Funk-Transceiver, über den Designer ihre eigenen Protokoll- und Codierungsschemata entwickeln oder Standard-Versionen wie Ant, Thread, oder ZigBee. Mit den sinkenden Kosten für verfügbares Silizium und einer breiten Palette von Software-Unterstützung könnte dies der "Sweet Spot" für Designer sein, die nach Differenzierung, einem gewissen Optimierungsspielraum und der Option zur Erhöhung der Sicherheit bei gleichzeitig minimalen Kosten und Design suchen Pläne intakt.


Zusammenfassung
Es gibt viele Gründe, entweder eine vollständige proprietäre RF-Designroute oder ein Standard-Bluetooth-Radio zu wählen. Jeder hat seinen Platz, wenn es darum geht, die Design- und Anwendungsanforderungen in Bezug auf Kosten, Zeit, Leistung, Größe, Sicherheit und viele andere Faktoren zu erfüllen. Für Entwickler, die viele der kosten- und zeitsparenden Vorteile von Standard-Silizium wünschen, sowie die Flexibilität, ein gewisses Maß an proprietärer Differenzierung hinzuzufügen, bieten Anbieter nun auch solide Hardwareplattformen, auf denen sie aufbauen können.

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