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Considerazioni sul consumo energetico per WPAN

Come Ottimizzare / migliorare Wi-Fi modem router fibra infostrada (Novembre 2018).

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Ecco come il consumo energetico di WiMedia UWB si accumula rispetto a 802.11 e Bluetooth

DI STEVE BRIGHTMAN
WiMedia Alliance, San Ramon, CA.
//www.wimedia.org
e GADI SHOR
Wisair, Campbell, CA.
//www.wisair.com

Viviamo in un mondo di crescente mobilità con l'uso crescente di lettori multimediali portatili (PMP), smartphone e fotocamere digitali, sia fotocamere che videocamere. Ogni dispositivo deve caricare e / o scaricare contenuti multimediali, sincronizzare dati e / o riprodurre contenuti in streaming per la riproduzione.

Idealmente questa connettività dovrebbe essere wireless nessuno vuole portare in giro un ratto di cavi per consentire ogni possibile scenario di interconnessione. Tali dispositivi memorizzano grandi quantità di dati sotto forma di foto, musica e video e, pertanto, richiedono la possibilità di spostare il contenuto da un dispositivo a un altro, inclusi i PC di casa o i televisori.

Ciò impone l'esigenza di elevate velocità di trasmissione dati per supportare lo streaming multimediale o per consentire trasferimenti di file nel più breve tempo possibile. Allo stesso tempo, dal momento che si tratta di dispositivi mobili, richiediamo anche un consumo di energia il più basso possibile per massimizzare la durata della batteria ed evitare l'insoddisfazione dei clienti in due requisiti apparentemente contraddittori!

Quindi, come possiamo affrontare la necessità di connettività wireless riducendo al minimo il consumo energetico? Il primo passo è esaminare le tecnologie wireless disponibili.

Connessioni Wi-Fi

Il Wi-Fi è onnipresente ed è un candidato ovvio per l'attività. Tuttavia, le implementazioni del mondo reale non sono senza difficoltà. Innanzitutto, le reti Wi-Fi vengono generalmente configurate come reti di infrastruttura, non ad hoc. Ciò significa che se, ad esempio, si desidera inviare un'immagine da una fotocamera digitale (DSC) a una stampante, è necessario prima collegarsi alla rete con il DSC e anche la stampante deve far parte della stessa rete.

Il prossimo numero riguarda il potere. In genere il Wi-Fi è impostato per fornire una copertura per tutta la casa, il che significa che è intrinsecamente una radio più potente rispetto agli standard della gamma più corta. Infine, assumendo un'implementazione 802.11g, una velocità di trasferimento media ragionevole sarebbe di circa 20 Mbit / s, che comunque scende a un livello inferiore rispetto alle velocità di trasmissione dati ottenibili con altri standard.

Bluetooth

Il Bluetooth è anche una tecnologia pervasiva, e in virtù della sua adozione nei telefoni cellulari e nei telefoni è riconosciuta come una tecnologia intrinsecamente a bassa potenza. In effetti questo è il caso, ma come vedremo, non è ancora la tecnologia a minor consumo energetico disponibile. Uno svantaggio dell'uso di Bluetooth attualmente è il throughput dei dati, in genere con trasferimenti di file di grandi dimensioni a 1 Mbit / s può richiedere molto tempo.

WiMedia UWB

Il "nuovo capretto sul blocco", la tecnologia UWB di WiMedia è una tecnologia radio wireless per comunicazioni a corto raggio e alta larghezza di banda a livelli di energia molto bassi che utilizzano una gran parte dello spettro radio. È considerata la tecnologia più efficiente impiegata oggi in termini di joule per bit.

Wireless USB, noto anche come Wireless USB certificato, si basa sulla piattaforma radio comune WiMedia di WiMedia Alliance. I prodotti che utilizzano questa tecnologia hanno iniziato ad arrivare sul mercato nella seconda metà del 2007. Poiché unisce la velocità e la facilità d'uso di USB 2.0 con la convenienza della tecnologia wireless, Wireless USB è una grande promessa per una vasta gamma di applicazioni, incluso il digitale ad alta velocità trasferimento di media tra dispositivi in ​​reti personali e domestiche.

Quando si tratta di dispositivi mobili alimentati a batteria che richiedono un'elevata larghezza di banda e un basso consumo energetico, WiMedia UWB e la sua implementazione Wireless USB offrono diversi vantaggi. Rispetto ad altre tecnologie wireless, offre un vantaggio in termini di velocità inviando 480 Mbit / s su distanze fino a 3 me 110 Mbit / s fino a 10 m, il che si traduce in un tempo più breve per eseguire trasferimenti di file.

Essendo una tecnologia a corto raggio, la potenza di trasmissione è ridotta rispetto alle tecnologie a più lungo raggio. Inoltre, il protocollo UWB ha una struttura di superframe ben definita che ha intervalli di tempo specifici.

Questa struttura superframe consente al protocollo UWB di supportare più modalità a bassa potenza (a parte l'ovvia modalità standby in altri protocolli wireless e la modalità di ibernazione in Wireless USB) che può essere utilizzata durante la trasmissione dei dati. In Wireless USB, queste modalità sono etichettate come ready, standby e sleep e consentono all'host e al dispositivo di dormire in modo sincronizzato per brevi periodi durante la trasmissione dei dati. Di conseguenza, il consumo energetico medio di UWB è significativamente inferiore a quello di altre tecnologie wireless. La combinazione di questi fattori rende UWB una tecnologia a bassissima potenza per sua natura.

Confronto di vita reale di tecnologie wireless

Esistono molti scenari possibili per l'utilizzo dei dispositivi mobili. Ad esempio, considereremo un lettore multimediale portatile con memoria da 8 Gbyte e una batteria agli ioni di litio da 3.7 V incorporata con una capacità di 630 mAh (= 2, 33 Wh).

Supponiamo che l'unità venga utilizzata durante il giorno per riprodurre musica e video e che rimanga con il 5% di capacità residua della batteria (115 mWh) quando l'utente decide di trasferire un filmato da 1 Gbyte su un altro dispositivo. Per confronto assumeremo le seguenti caratteristiche per ciascuna delle tre tecnologie precedentemente descritte:

WiMedia UWB. Assumere una velocità di trasferimento dati media di 100-Mbits / s. Si noti che ciò presuppone una frequenza PHY di 400 Mbit / s attiva metà del tempo. Assumere un consumo energetico medio di 250 mW durante la modalità attiva. 802.11g. Per un'implementazione Wi-Fi, presupporre una velocità di trasferimento dati media di 20 Mbit / s e un consumo energetico medio in modalità attiva da 500 mW. Bluetooth. Per un'implementazione Bluetooth, presupporre una velocità di trasferimento dati di 1-Mbits / s e una media di 60 mW di consumo energetico in modalità attiva.

Consumo energetico e consumo della batteria

Per UWB, la trasmissione di 1 Gbyte di dati via etere consumerebbe 5, 4 mWh. L'implementazione Wi-Fi consumerebbe 56, 6 mWh e Bluetooth richiederebbe 136 mWh. Ovviamente ci sono differenze significative tra le tecnologie come illustrato in Fig. 1.

Fig. 1. UWB raggiunge un consumo energetico significativamente inferiore grazie alla combinazione di un throughput elevato e una struttura superframe efficiente

Per il nostro esempio abbiamo ipotizzato di avere il 5% della capacità della batteria rimanente all'inizio del trasferimento (vedi Fig. 2). Se calcoliamo ora il consumo energetico in termini di capacità della batteria, possiamo vedere come ciò potrebbe influire sull'esperienza dell'utente.

Il consumo di UWB di 5, 4 mWh equivale a solo lo 0, 2% della capacità totale della batteria. Il 56, 6 mWh del Wi-Fi equivale al 2, 4% della batteria, circa la metà della capacità residua. Il Bluetooth, d'altra parte, a 136 mWh richiede più capacità della batteria (6%) rispetto a quella disponibile all'inizio del trasferimento.

Fig. 2. Con il 5% della capacità residua della batteria all'inizio del trasferimento, UWB esaurisce la capacità solo di un ulteriore 0, 2% mentre il Wi-Fi richiede metà della capacità rimanente (2, 4%) e Bluetooth non sarebbe in grado di completare il trasferimento, richiedendo il 6% della capacità della batteria.

Tempo di trasferimento

Gran parte dei risparmi nel consumo di energia derivano dalla capacità di UWB di trasferire i dati ad una velocità elevata piuttosto che dal fatto che la potenza di trasmissione effettiva è inferiore rispetto alle tecnologie alternative. Questa capacità di trasferire i dati rapidamente è importante anche per l'esperienza utente complessiva, e questa importanza aumenterà ulteriormente man mano che le dimensioni dei file continueranno a crescere (più megapixel nella fotocamera, nei video e nei contenuti musicali).

Anche utilizzando il nostro esempio di lettore multimediale con il suo modesto trasferimento 1-Gbyte (secondo gli standard odierni), i confronti tra le varie tecnologie raccontano la storia: UWB può trasferire il file in 82 s (1.024 / 12.5) o 1.3 min rispetto a 409 s (1.024 /2.5) o 6.8 min per Wi-Fi (vedere Fig. 3). Anche se rimanesse abbastanza spazio per completare il trasferimento di file tramite Bluetooth, sarebbero necessari 8192 s (1024 / 0, 125) o ben 2, 3 ore! Non c'è da meravigliarsi che Bluetooth SIG stia guardando a UWB come un mezzo per soddisfare i requisiti futuri per trasferimenti di file grandi e ad alta velocità.

Fig. 3. Per un trasferimento dati da 1 Gbyte, la maggiore velocità di trasferimento dati di UWB offre tempi di download significativamente ridotti.

I risultati di questo scenario di utilizzo hanno giocato con le tre diverse tecnologie e rendono chiaro che WiMedia UWB consuma molto meno energia, con una durata della batteria significativamente maggiore per l'utente.

Questi efficienti chipset per l'implementazione di radio basate su WiMedia che offrono un consumo energetico intrinsecamente basso, combinato con elevate capacità di trasmissione dati, offrono ai progettisti un'opzione superiore per soddisfare le esigenze di connettività wireless della prossima generazione di dispositivi mobili sofisticati e multimediali. ■