השוואה בין RF ו- Bluetooth

למתכננים יש אפשרויות רבות כשמדובר בחיבוריות אלחוטית ביישומים מגוונים, החל מהתקני ממשק אנוש (HIDs) ועד לחיישנים מרוחקים עבור האינטרנט של דברים (IoT). אחת ההחלטות הבסיסיות ביותר שצריכה להתקבל, ואחת שמתכננים רבים עדיין נאבקים איתה, היא האם ללכת עם ממשק RF מבוסס תקנים כגון Wi-Fi ,Bluetooth או ZigBee, או עם תכן ופרוטוקול שכבה פיזית (PHY‏) RF קניינית.

הסיבות לבחירת האחת על פני השנייה הן רבות, אבל כך גם הפשרות היחסיות במונחים של עלות, אבטחה, צריכת הספק, תפעוליות-בינית (Interoperability), זמן תכנון, חוסן בפני הפרעות, קיום-משותף, שיהוי Latency)‎) ודרישות הרשאה. רבות מפשרות אלו קשורות זו בזו, כך שהמתכננים צריכים תחילה לקבוע את דרישות התכנון, ואז לבצע אופטימיזציה בהתאם.

מאמר זה ידון בגורמים שיש להביא בחשבון כאשר בוחרים בין ממשק Bluetooth סטנדרטי לבין פרוטוקול RF קנייני. המאמר מציג תחילה מודול Bluetooth 5 ולאחריו פתרון סיליקון שעליו ניתן ליישם פרוטוקול קנייני, עם הנחיות מתאימות עבור כל אחד מהשניים כיצד ליישם ולהפעיל במהירות.

בעד ונגד RF קנייני

הטיעונים בעד שכבה פיזית PHY ופרוטוקול קנייניים הם חזקים אם התכן דורש אופטימיזציה בכיוון של אבטחה, הספק נמוך, חתימת-שטח קטנה וביצועים.

האבטחה היא קריטית עבור יישומים רבים, החל מפותחי דלתות חנייה ועד להתקני IoT. בהתקני רדיו קנייניים מתמודדים עם האבטחה במספר דרכים. כהתחלה, תכנים קנייניים מבטיחים "אבטחה-באמצעות-אלמוניות", בכך שקשה יותר לפצח ממשק שאינו מוכר היטב. יש גם את הנטייה של ממשקים קנייניים להיות מסוג נקודה-לנקודה, או לפעול במערכות סגורות שאינן מתחברות לרשתות רחבות יותר, ולכן להישאר מוסתרים. לבסוף, מתכננים של ממשקים קנייניים חופשיים לפתח אלגוריתמי הצפנה מתקדמים שלהם עצמם או לשנות ממשקים מבוססים, מבלי שהם יהיו בעלי תפעוליות-בינית (Interoperability) עם אלגוריתמי אבטחה של יצרנים אחרים. עצם היותם שונים, מטבע הדבר, מהווה יתרון אבטחתי.

תכני רדיו קנייניים יכולים להוות יתרון כאשר מדובר באבטחת חיבור חסין בפני הפרעות מרשתות Wi-Fi, תנורי מיקרוגל, טלפונים אלחוטיים ורשתות אלחוטיות אחרות בהספק נמוך. מבלי להיות קשורים לתקן מסוים, למתכננים יש את הגמישות לעשות שימוש טוב יותר בספקטרום באמצעות טכניקות כגון Direct-Sequence Spread Spectrum‏ (DSSS) ו- Frequency Hopping Spread Spectrum‏ (FHSS). בנוסף, הם יכולים לאמץ את שיטת הקידוד המועדפת עליהם על בסיס תקציב הקישור הצפוי שלהם כדי לקבל תפוקה גבוהה יותר או צריכת הספק נמוכה יותר.

גמישות זו חלה גם על מבנה מנות (Packets) הנתונים. ללא התקורה של המנות הדרושה כדי להבטיח תפעוליות-בינית (Interoperability) עם התקנים אלחוטיים מבוססי תקנים, ניתן לשפר את מבנה המנות בהתאם לצורכי היישום.

מנקודת מבט של תכנון החומרה, דרישות ביצועים מובנות היטב וההבטחה כי דרישות אלו לא ישתנו בשלב מאוחר יותר מאפשרות למתכננים של ממשקי RF קנייניים להיות ממוטבים עבור המקום, ההספק והביצועים. הם יכולים לעשות זאת על ידי הכללת רק הפונקציות הנדרשות כדי לענות על צורכי היישום.

בעוד שלתכן RF קנייני יש יתרונות רבים, ישנם מספר גורמים שיש להביא בחשבון. הראשון הוא העלות: כדי להצדיק את עלות ההנדסה החד-פעמית (NRE) של תכנון מעגלים-משולבים (IC) מותאמים-במיוחד עבור RF והתוכנה הקשורה, במיוחד עבור התקני עלות נמוכה, כשהכמות הצפויה צריכה להיות > 100,000 יחידות.

קשור באופן הדוק לעלות הוא גם זמן התכנון, במיוחד בהתחשב בהפתעות הצפויות בתכנון RF והמחסור המתועד-היטב במומחיות RF, כמו גם הזמן הדרוש לפיתוח הקושחה והתוכנה עבור תכן מוצלח.

אימוץ נרחב של Bluetooth, המותאם תמידית

בקיצוניות האחרת נמצא Bluetooth. תוכנן במקור כטכנולוגיה פשוטה להחלפת כבל מנקודה-לנקודה עבור התקני ממשק אנוש (HID) והתקנים אחרים שסבכו את המשתמשים, הוא הפך במהרה לפתרון אודיו אלחוטי וחיבוריות התקן-להתקן. עם היתרון של השליטה ההדוקה של קבוצת Special Interest Group‏ (SIG) של Bluetooth, טכנולוגיית Bluetooth מובנת היטב והמתכננים יכולים להיות בטוחים שההתקנים שלהם יתחברו ויפעלו יחד עם התקנים מאופשרי Bluetooth אחרים, ללא תלות במקור החומרה.

אימוץ נרחב והתקנים עם יכולת פעולה הדדית הניבו הרבה מאוד חומרה ותוכנה, שהביאו עמם עלויות נמוכות יותר וזמן יציאה לשוק קצר יותר עבור תכנים הדורשים ממשק אלחוט. בנוסף, טכנולוגיית Bluetooth התפתחה במשך השנים.

היא פעלה תמיד בתדר ‎2.4 GHz תעשייתי, מדעי ורפואי (ISM), החל מאפנון GFSK של שבעים ותשע נשאי MHz‏ 1 שלו, הנותנים תפוקה של Mbit/s‏ 1. זה נקרא Bluetooth בקצב הבסיסי (Basic Rate‏, BR). שיטת הקידוד האדפטיבי FHSS שלה מאפשרת לה להישאר חסונה בפני מפריעים, אפילו כאשר ה- IoT מביא יותר התקנים מחוברים אלחוטית. כדי להשיג קצבי נתונים גבוהים יותר, טכנולוגיית Bluetooth 2.0‏ + קצב נתונים משופר (Enhanced Data Rate‏, EDR) משתמשת באפנון π/4-DQPSK‏ (Differential Quadrature Phase Shift Keying) ו- 8DPSK להשגת קצבים של Mbit/s‏ 2 ו- Mbit/s‏ 3, בהתאמה.

בעוד שטכנולוגיית Bluetooth נשלטת היטב על ידי ה- SIG, המתכננים צריכים ללמוד מקרוב את השינויים שהוכנסו עם הצגתו של מפרט Bluetooth 4.0 Core בשנת 2010. המפרט הציג את טכנולוגיית Bluetooth Low-Energy‏ (BLE), אשר שווקה קודם לכן כ- Bluetooth Smart. טכנולוגיית BLE אינה תואמת לאחור עם Bluetooth Classic, ולכן המתכננים חייבים להיות זהירים כאן.

המטרה העיקרית של BLE היא הספק נמוך. הוא משיג זאת על ידי מעבר מהגישה מוכוונת-החיבור של Bluetooth Classic שבו ההתקנים מחוברים תמיד, לגישה לא-מחוברת שלפיה הם מתחברים רק כאשר הם צריכים ולזמן קצר. היישומים הם התקנים לבישים כגון שעונים וחיישנים חכמים עבור IoT.

קבוצת Bluetooth SIG המשיכה לשפר את המפרט כדי לענות על הצרכים השונים של החברים בקבוצה ושל היישומים שלהם. למידע נוסף על האופן שבו היא התפתחה, ראו "רכיבי SoC וכלים Bluetooth Low-Energy תואמי 5‏, Bluetooth 4.1, 4.2 עומדים באתגרי IoT (חלק 1)."

הגרסה האחרונה, Bluetooth 5, מכפילה את קצב נתוני BLE ל- Mb/s‏ 2 מ- Mb/s‏ 1, ומגדילה את טווח החיבור של kbit/s‏ 128 פי 4 עד 50 מטר באמצעות תיקון שגיאות קדימה (FEC) חזק יותר. קצב הנתונים הגבוה יותר מאפשר ליותר מנות (Packets) להיות משודרות בתוך חלון זמן נתון, כך שצריכת ההספק מופחתת וההתקן יכול להישאר באופן הספק נמוך או באופן לא-פעיל לתקופות ממושכות.

הטווח הארוך יותר מעניק למתכננים גמישות רבה יותר להתפשר על קצב הנתונים לטובת המרחק עבור כל התקן Bluetooth, כולל משואות (Beacons). משואות הן התקני BLE מוזני סוללות המשדרים את המזהה שלהם להתקנים ניידים קרובים, כך שהתקנים אלו יכולים לבצע פעולות מסוימות כאשר הם קרובים למשואה. פופולריות בקרב מפרסמים, הן גם מאפשרות מעקב פנים וחוץ מדויק.

עם זאת, קבוצת ה- SIG יישמה עוד שינוי מעניין שמתכנני ממשק RF קנייניים יכולים לעשות: היא הורידה את יחס התקורה-למטען, הדורש פחות שידורים לשליחת כמות נתונה של נתונים "אמיתיים", כדי להפחית עוד יותר את צריכת ההספק.

מה שהתחיל כטכנולוגיה פשוטה להחלפת כבל התפתח למשהו הרבה יותר שימושי. כתוצאה מכך, מתכננים כיום נוטים לחפש פתרון Bluetooth מהיר וקל במקום לשאת את העלות והוצאות של תכנון ממשק RF שלהם עצמם.

מתחילים לעבוד עם Bluetooth

נטייה זו לבחור בממשק Bluetooth הופכת להכרח כאשר חלונות זמן היציאה לשוק הם צרים ותקציבי התכנון מתכווצים. למרבה המזל, עבור תכנים רבים יש מספיק מקום כדי להתאים מודול Bluetooth מן-המדף, אשר יאפשר לצוות התכנון להתמקד ביישום הסופי ובבידול שלהם.

מודול אחד כזה הוא מודול BMD-330 Bluetooth 5 מבית Rigado (איור 1). בעוד שישנם מודולים רבים עבור Bluetooth, מודול זה מעניין ושימושי במיוחד מאחר ויש לו אנטנה משולבת על הלוח. התאמה ומיקום האנטנה היא אחת האמנויות היותר יפות של תכנון RF, ולכן הסרת מטלה זו מהמתכנן חוסכת זמן ומסייעת להבטיח צימוד אות אופטימלי.

איור 1: מודול BMD-330 Bluetooth 5 מגיע עם אנטנה ומעגלים תואמים הכלולים כדי לפשט וליישם במהירות. (מקור התמונה: Rigado)

המודול הוא פתרון שלם עם הרשאות רגולטוריות, ממיר DC-DC משלו על-הלוח, בקרת הספקת-כוח חכמה וממדים של ‎9.8 x 14.0 x 1.9 מ"מ. בעוד שהאנטנה כלולה, הוא אינו מצריך משטח הארקה מתאים כדי להקרין ביעילות. כמו כן, יש להרחיק מנחושת ומתכת אחרת את האזור המשתרע מחלק האנטנה של המודול, והמודול צריך להיות ממוקם בקצה לוח ה- PCB, כאשר האנטנה פונה כלפי חוץ.

כאשר מרכיבים את המודול במארז, יש לוודא שאין מתכת ליד האנטנה, אחרת היא תשפיע על הביצועים. מאחר והוא מתוכנן ומכוונן לפעולה באוויר חופשי, מילוי, אפוקסי, יציקה-מעל או ציפוי קונפורמלי יכולים להשפיע על הביצועים, וידרשו מדידות נוספות לאחר היישום כדי להבטיח שתקציב הקישור הוא בתוך המפרט.

מודול זה מבוסס על מערכת-על-שבב (SoC‏) nRF52810 מבית Nordic Semiconductor (איור 2). הוא משתמש במעבד Arm® Cortex®-M4 עם שעון של ‎64 MHz, יש לו זיכרון Flash של Kbytes‏ 192 וזיכרון RAM של Kbytes‏ 24.

איור 2: מודול BMD-330 נבנה סביב ה- nRF52810 SoC מבית Nordic Semiconductor, הכולל מעבד Arm® Cortex®-M4 ורדיו 2.4‎ GHz. (מקור התמונה: Rigado)

מאחר וזה לא הרבה זיכרון Flash, לכן חברת Rigado לא סיפקה קושחה מהמפעל על המודול. מכיוון שאין בו Bootloader, כל קושחה צריכה להיות נטענת באמצעות ממשק ניפוי-שגיאות חוטי טורי (SWD). עם זאת, ברגע שזה נעשה, חברת Nordic מספקת מגוון רחב של חבילות פרוטוקולים בשם SoftDevices. אלו הם קבצים בינאריים מקושרים-מראש ולאחר קדם-קומפילציה הניתנים להורדה מאתר האינטרנט של חברת Nordic. ה- BMD-330 עם nRF52810 SoC תומך ב- SoftDevice‏ S132‏ (BLE מרכזי והקפי) וב- SoftDevice‏ S112‏ (BLE הקפי).

המפרט העיקרי עבור מודול BMD-330 כולל הספק שידור של dBm‏ 4+ ורגישות מקלט של 96‎ dBm- (אופן BLE). הוא פועל מהספקה של 3 וולט וצורך 7.0 מיליאמפר (mA) ב- dBm‏ 4+ ו- mA‏ 4.6 ב- dBm‏ 0 באופן שידור. באופן קליטה הוא צורך mA‏ 4.6 ב- Mbit/s‏ 1 ו- mA‏ 5.8 ב- Mbit/s‏ 2. שני מפרטי השידור והקליטה מניחים שממיר ה- DC-DC מאופשר: הזרם גדל כאשר הוא מושבת.

נקודת האופטימום של RF קנייני לעומת Bluetooth

בין תכן רדיו קנייני מותאם-במיוחד במלואו לבין Bluetooth סטנדרטי, יש אפשרות נוספת: מקמ"ש רדיו מן-המדף שסביבו יכולים המתכננים לפתח פרוטוקולים וקוד משלהם, או לאמץ גרסות מן-המדף כגון Ant ,Thread או ZigBee. עם העלות היורדת של סיליקון זמין ומגוון רחב של תמיכת תוכנה, זו עשויה להיות "נקודת האופטימום" עבור מתכננים המחפשים בידול, חופש פעולה מסוים עבור אופטימיזציה ואת האפשרות לשפר את האבטחה, הכול תוך שמירת העלויות במינימום וללא שינוי בלוחות הזמנים של התכנון.

אפשרות טובה עבור מתכננים המעוניינים בנתיב זה הוא רכיב SoC ממשפחת הפרוטוקולים הקנייניים Flex Gecko‏ EFR32FG14 מבית Silicon Labs (איור 3).

איור 3: ה- EFR32FG14 Flex Gecko מבית Silicon Labs מספק פלטפורמת חומרה מוצקה שסביבה תוכנה קניינית שניתן להוסיף או לפתח. (מקור התמונה: Silicon Labs)

בדומה ל- BMD-330, גם ה- EFR32FG14 משתמש בליבת Arm® Cortex®-M4, אך פועל במהירות מקסימלית של MHz‏ 40 במקום MHz‏ 64, מאחר והשבב ממוקד מאוד ביישומי IoT בהספק נמוך. יש לו זיכרון Flash של עד Kbytes‏ 256 וזיכרון RAM של Kbytes‏ 32. שימו לב כי השבב תומך בפעולה הן ב- ‎2.4 GHz והן ב- תת-GHz‏ (MHz‏ 915) , ומצורפים מדריכים להתאמת הרשת לאנטנה. השבב כולל גם תמיכה בגיוון אנטנות (Antenna Diversity) , כדי למתן את ההשפעות של דעיכה סלקטיבית-בתדר.

מספר מאפייני I/O ואבטחה גמישים מובנים גם כן, כולל: מערכת רפלקס היקפית של 12 ערוצים המאפשרת אינטראקציה אוטונומית של רכיבים היקפיים של מיקרו-בקר; עד 32 נקודות-חיבור GPIO; ומאיץ קידוד אוטונומי בחומרה וכן מחולל מספרים אקראיים אמיתיים. מגברי ההספק עבור פעולת GHz‏ 2.4 ותת-GHz משולבים גם כן על השבב.

כדי לסייע בתהליך הפיתוח, קיים לוח SLWRB4250A מבית Silicon Labs עבור קו מוצרי EFR32FG (איור 4). הוא כולל את ה- SoC, פסי-פינים, גבישים, מעגלי תיאום אנטנה כמו גם תוכנה.

איור 4: לוח הרדיו SLWRB4250A Flex Gecko מספק את החומרה הדרושה כדי להתנסות בממשק אלחוט קנייני בהספק נמוך. (מקור התמונה: Silicon Labs)

סיכום

ישנן סיבות רבות לבחור בנתיב של תכן RF קנייני מלא או ברדיו Bluetooth סטנדרטי. לכל נתיב יש את מקומו כשמדובר בעמידה בדרישות התכנון והיישום במונחים של עלות, זמן, ביצועים, גודל, אבטחה וגורמים רבים אחרים. עם זאת, עבור מתכננים הרוצים רבים מהיתרונות של עלות וחיסכון בזמן של סיליקון מן-המדף, כמו גם את הגמישות להוסיף רמה מסוימת של בידול קנייני, היצרנים מספקים כעת גם פלטפורמות חומרה מוצקות עליהן ניתן לבנות.