Überlegungen zum Stromverbrauch für WPANs

Photovoltaikanlage für das Eigenheim selber bauen (Dezember 2018).

Anonim

So wird der Stromverbrauch von WiMedia UWB mit 802.11 und Bluetooth kombiniert

VON STEVE BRIGHTMAN
WiMedia Alliance, San Ramon, Kalifornien
//www.wimedia.org
und GADI SHOR
Wisair, Campbell, Kalifornien
//www.wisair.com

Wir leben in einer Welt zunehmender Mobilität mit der zunehmenden Verwendung von tragbaren Media Playern (PMPs), Smartphones und Digitalkameras, sowohl Standbildkameras als auch Camcorder. Jedes Gerät muss Medieninhalte hochladen und / oder herunterladen, Daten synchronisieren und / oder Inhalte für die Wiedergabe streamen.

Idealerweise sollte diese Verbindung drahtlos sein, niemand möchte ein Rattennest von Kabeln tragen, um jedes mögliche Verbindungsszenario zu ermöglichen. Solche Geräte speichern große Datenmengen in Form von Fotos, Musik und Video und erfordern daher die Fähigkeit, Inhalte von einem Gerät auf ein anderes zu übertragen, auch auf Heim-PCs oder Fernsehgeräte.

Dies erfordert die Notwendigkeit hoher Datenraten, um Streaming-Multimedia zu unterstützen oder Dateiübertragungen in der kürzest möglichen Zeit zu ermöglichen. Da es sich um mobile Geräte handelt, müssen wir gleichzeitig den Stromverbrauch so niedrig wie möglich halten, um die Batterielebensdauer zu maximieren und die Unzufriedenheit zweier Kunden zu vermeiden, die sich scheinbar widersprechen.

Wie können wir den Bedarf an Wireless-Konnektivität bei gleichzeitiger Minimierung des Stromverbrauchs angehen? Der erste Schritt besteht darin, die verfügbaren drahtlosen Technologien zu untersuchen.

WLAN-Verbindungen

Wi-Fi ist allgegenwärtig und ist ein offensichtlicher Kandidat für die Aufgabe. Reale Implementierungen sind jedoch nicht ohne Schwierigkeiten. Erstens werden Wi-Fi-Netzwerke typischerweise als Infrastrukturnetzwerke eingerichtet, nicht ad hoc. Wenn Sie beispielsweise ein Bild von einer digitalen Standbildkamera (DSC) an einen Drucker senden möchten, müssen Sie zuerst dem Netzwerk mit Ihrer DSC beitreten, und der Drucker selbst muss ebenfalls Teil desselben Netzwerks sein.

Die nächste Frage betrifft die Macht. Wi-Fi ist in der Regel so eingerichtet, dass es die gesamte Hausabdeckung bereitstellt, was bedeutet, dass es inhärent ein Radio mit höherer Leistung ist als Standards mit kürzerer Reichweite. Unter der Annahme einer 802.11g-Implementierung würde schließlich eine vernünftige durchschnittliche Übertragungsrate bei etwa 20 Mbit / s liegen, was immer noch weit unter den Datenraten liegt, die mit anderen Standards erreichbar sind.

Bluetooth

Bluetooth ist auch eine allumfassende Technologie, und aufgrund seiner Einführung in Mobiltelefone und Handys wird als eine inhärent Low-Power-Technologie anerkannt. In der Tat ist dies der Fall, aber wie wir sehen werden, ist es immer noch nicht die am wenigsten energieintensive Technologie. Ein Nachteil bei der Verwendung von Bluetooth ist derzeit der Datendurchsatz, typischerweise bei 1 Mbit / s können große Dateiübertragungen sehr lange dauern.

WiMedia UWB

Das "neue Kind auf dem Block", die UWB-Technologie von WiMedia, ist eine drahtlose Funktechnologie für die Kommunikation mit kurzer Reichweite und hoher Bandbreite bei sehr niedrigen Energien, die einen großen Teil des Funkspektrums ausnutzt. Es gilt als die effizienteste Technologie, die heute in Joules pro Bit eingesetzt wird.

Wireless USB, auch als Certified Wireless USB bekannt, basiert auf der WiMedia Common Radio Platform der WiMedia Alliance. Produkte, die diese Technologie nutzen, wurden in der zweiten Hälfte des Jahres 2007 auf den Markt gebracht. Da es die Geschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit von USB 2.0 mit dem Komfort der Wireless-Technologie verbindet, verspricht Wireless USB eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich High-Speed-Digital Medienübertragung zwischen Geräten in privaten und privaten Netzwerken.

Wenn es um mobile, batteriebetriebene Geräte geht, die eine hohe Bandbreite und einen geringen Stromverbrauch erfordern, bietet WiMedia UWB und seine Wireless USB-Implementierung mehrere Vorteile. Im Vergleich zu anderen drahtlosen Technologien bietet es einen Geschwindigkeitsvorteil, der 480 Mbit / s über Entfernungen von bis zu 3 m und 110 Mbit / s bis zu 10 m sendet, was eine kürzere Zeit für die Dateiübertragung bedeutet.

Da es sich um eine Technologie mit relativ kurzer Reichweite handelt, ist die Sendeleistung im Vergleich zu Technologien mit längerer Reichweite geringer. Darüber hinaus hat das UWB-Protokoll eine gut definierte Superframe-Struktur mit spezifischen Zeitschlitzen.

Diese Superframe-Struktur ermöglicht es dem UWB-Protokoll, mehrere Energiesparmodi zu unterstützen (abgesehen von dem offensichtlichen Standby-Modus in anderen drahtlosen Protokollen und dem Ruhezustand in Wireless USB), die während der Datenübertragung verwendet werden können. In Wireless USB sind diese Modi als Bereit, Standby und Ruhezustand gekennzeichnet und ermöglichen es dem Host und dem Gerät, während der Datenübertragung für kurze Zeit synchronisiert zu schlafen. Infolgedessen ist der durchschnittliche Stromverbrauch von UWB deutlich niedriger als der anderer drahtloser Technologien. Die Kombination dieser Faktoren macht UWB von Natur aus zu einer sehr stromsparenden Technologie.

Real-Life-Vergleich von drahtlosen Technologien

Es gibt viele mögliche Szenarien für die Verwendung mobiler Geräte. Als Beispiel betrachten wir einen tragbaren Media-Player mit 8-GB-Speicher und einem eingebauten 3, 7-V-Lithium-Ionen-Akku mit 630 mAh (= 2, 33 Wh) Kapazität.

Angenommen, das Gerät wird den ganzen Tag über für die Wiedergabe von Musik und Videos verwendet und bleibt mit 5% verbleibender Akkukapazität (115 mWh) übrig, wenn der Benutzer einen 1 GB großen Film auf ein anderes Gerät überträgt. Zum Vergleich werden wir für jede der drei zuvor beschriebenen Technologien folgende Merkmale annehmen:

WiMedia UWB. Nehmen Sie eine durchschnittliche Datenübertragungsrate von 100 MBit / s an. Beachten Sie, dass davon ausgegangen wird, dass eine PHY-Rate von 400 Mbit / s die Hälfte der Zeit aktiv ist. Nehmen Sie im aktiven Modus einen durchschnittlichen Stromverbrauch von 250 mW an. 802.11g. Nehmen Sie für eine Wi-Fi-Implementierung eine durchschnittliche Datenübertragungsrate von 20 Mbit / s und einen durchschnittlichen Energieverbrauch im aktiven Modus von 500 mW an. Bluetooth. Nehmen Sie für eine Bluetooth-Implementierung eine Datenübertragungsrate von 1 Mbit / s und einen Stromverbrauch von durchschnittlich 60 mW im aktiven Modus an.

Stromverbrauch und Batterieverbrauch

Für UWB würde das Übertragen von 1 GB Daten über die Luft 5, 4 MWh verbrauchen. Die Wi-Fi-Implementierung würde 56, 6 mWh verbrauchen und Bluetooth würde 136 mWh benötigen. Offensichtlich gibt es signifikante Unterschiede zwischen den Technologien, wie in Fig. 1 dargestellt.

Abb. 1. UWB erreicht aufgrund der Kombination von hohem Durchsatz und einer effizienten Superframe-Struktur einen deutlich geringeren Stromverbrauch

In unserem Beispiel nahmen wir an, dass wir zu Beginn der Übertragung noch 5% der Kapazität der Batterie hatten (siehe Abb. 2). Wenn wir nun den Stromverbrauch in Bezug auf die Batteriekapazität berechnen, können wir sehen, wie dies die Benutzererfahrung beeinflussen könnte.

Der UWB-Verbrauch von 5, 4 mWh entspricht nur 0, 2% der gesamten Batteriekapazität. Wi-Fi 56, 6 mWh entspricht 2, 4% der Batterie, etwa die Hälfte der verbleibenden Kapazität. Bluetooth hingegen benötigt mit 136 mWh mehr Akkukapazität (6%) als zu Beginn der Übertragung zur Verfügung stand.

Abb. 2. Da zu Beginn der Übertragung noch 5% der Batteriekapazität übrig sind, verringert UWB die Kapazität nur um weitere 0, 2%, während Wi-Fi die Hälfte der verbleibenden Kapazität (2, 4%) benötigt, und Bluetooth wäre dazu nicht in der Lage Vervollständigen Sie die Übertragung und benötigen Sie 6% der Batteriekapazität.

Transferzeit

Ein Großteil der Einsparungen beim Stromverbrauch ergibt sich aus der Fähigkeit von UWB, die Daten mit einer hohen Rate zu übertragen, anstatt dass die tatsächliche Sendeleistung geringer ist als bei den alternativen Technologien. Diese Fähigkeit, Daten schnell zu übertragen, ist auch für die allgemeine Benutzererfahrung wichtig, und diese Bedeutung wird nur weiter zunehmen, wenn die Dateigrößen weiter wachsen (mehr Megapixel in den Kamera-, Video- und Musikinhalten).

Selbst bei Verwendung unseres Media-Player-Beispiels mit seiner bescheidenen (nach heutigen Maßstäben) 1-GByte-Übertragung erzählen die Vergleiche zwischen den verschiedenen Technologien die Geschichte: UWB kann die Datei in 82 s (1.024 / 12.5) oder 1.3 min gegenüber 409 s (1.024) übertragen / 2, 5) oder 6, 8 Minuten für Wi-Fi (siehe Abb. 3). Selbst wenn genug Akkukapazität übrig wäre, um den Dateitransfer über Bluetooth abzuschließen, würde es 8192 s (1024 / 0, 125) oder satte 2, 3 Stunden dauern! Es ist kein Wunder, dass die Bluetooth SIG UWB als ein Mittel sieht, zukünftige Anforderungen für große Hochgeschwindigkeits-Dateiübertragungen zu erfüllen.

Abb. 3. Für einen 1-GB-Datentransfer bietet der größere Datendurchsatz von UWB eine erheblich kürzere Download-Zeit.

Die Ergebnisse dieses Nutzungsszenarios mit den drei verschiedenen Technologien machen deutlich, dass WiMedia UWB deutlich weniger Strom verbraucht - das bedeutet für den Nutzer eine deutlich längere Akkulaufzeit.

Diese kostengünstigen Chipsätze für die Implementierung von WiMedia-basierten Funkgeräten, die einen inhärent geringen Stromverbrauch bieten, kombiniert mit hohen Datendurchsatzfunktionen, bieten Designern eine überlegene Option, um die Anforderungen der nächsten Generation von anspruchsvollen, Multimedia-fähigen Mobilgeräten an drahtlose Verbindungen zu erfüllen. ■