אנחנו חיים בעולם מחובר. הכול נמצא בהישג יד: שליחת הודעה לחברים, התעדכנות בחדשות מהעולם, שליטה מרחוק במכשירים הביתיים או שיתוף פעולה עם חברינו לעבודה, בכל מקום שבו הם נמצאים. הופעת האינטרנט של הדברים (IoT) והאינטרנט של הדברים בהיבט התעשייתי שלו (IIoT) הכניסה את הטכנולוגיה לתוך הבתים, המכוניות והמפעלים שלנו, ורובה נסמכת במידה רבה על תקשורת אלחוטית. Wi-Fi,‏ Bluetooth^®‎ וקישוריות סלולרית 3G/4G/5G הם מונחים שאנחנו מכירים היטב. טכנולוגיות אלחוטיות אחרות, המוכרות פחות, כגון פס אולטרה רחב (UWB),‏ LoRa,‏ Sigfox ו-ISM, הן שיטות בעלות חשיבות זהה.

במאמר זה נציג פרוטוקול חדש לתקשורת אלחוטית, Digital Enhanced Cordless Telecommunications [DECT] New Radio plus [NR+], המבטיח להתמודד עם מגבלות רבות שנמצאות בשיטות תקשורת קיימות, ולמלא את החסר בכל מה שקשור לתקשורת לטווח רחוק שתהיה אמינה במיוחד ותציע זמן השהיה נמוך.

תקשורת אלחוטית מאפשרת את קיום החברה המודרנית

תקשורת אלחוטית קיימת בכל היבט סביבנו. קרוב לוודאי שאנחנו מתייחסים כמובנת מאליה לעובדה שהיא פשוט עובדת, למשל: חשמל בתקעים ומים בצינורות. התלות שלנו בתקשורת אלחוטית, ובמיוחד בתקשורת נתונים אלחוטית, התגברה במידה משמעותית במהלך שני העשורים האחרונים. בזמן שאני יושב במשרדי וכותב את המאמר הזה, ספרתי לפחות שמונה מכשירים בחיבור אלחוטי: מחשב נייד, מקלדת חיצונית, משטח עקיבה, אוזניות עם מיקרופון, סמארטפון, אוזניות אולפן, שעון חכם ומדפסת. אני לא צריך לדעת באיזה פרוטוקול אלחוטי הם משתמשים או כיצד הם פועלים; עצם העובדה שהם פועלים בצורה אמינה היא מספיקה. זה נכון גם לבית ולמכונית שלי. בדומה לכך, החנויות הקמעוניות, רשתות ההפצה והמפעלים מסתמכים על זמינות רציפה ואמינה של תקשורת נתונים אלחוטית.

הצורך בתקשורת אלחוטית הולך ומתפתח ככל שאנחנו מוצאים עוד יישומים שמפיקים תועלת מאוטומציה, במיוחד זו המבוססת על IIoT. אם נצלול לתוך הפרטים הטכניים של פרוטוקולי נתונים אלחוטיים, נגלה שרבים מהם ממוטבים כך שיתאימו למקרי שימוש ספציפיים במקום שיקיפו הכול בצורה טובה. כשבוחנים את ההתפתחות של רשתות נתונים קוויות, ניתן להבחין בהרבה תכונות מקבילות. תקני תעשייה מרכזיים כמו Ethernet התקדמו באופן משמעותי במהלך ארבעת העשורים האחרונים. פריסות אופייניות של Ethernet הקיימות כיום משתמשות בקצבי העברה של 10Gbps, פי אלף מהר יותר מהקצב בהשקה הראשונה שלו. אבל לא רק מהירות היא חשובה; השהיה, תקורה של מנות נתונים וצריכת חשמל הן כמה מהגורמים הקריטיים שקובעים את אישורי הפרוטוקול, ובסופו של דבר את הצלחתו. הדבר נכון גם לגבי תקשורת נתונים אלחוטית.

בחירת פרוטוקולים אלחוטיים ל-IoT ול-IIoT

לפני שנבחן את ההיבטים הטכניים של הפרוטוקול האלחוטי החדש DECT NR+‎, נסקור בקצרה כמה גורמים חיוניים בעת בחירת פרוטוקול.

מהירות העברה: מהירות העברת הנתונים, שבדרך כלל נמדדת ביחידות של Mbps או Gbps, היא מהותית. העברת כמויות גדולות של נתונים בפרק הזמן הקצר ביותר היא הכרחית ליישומים רבים. עם זאת, בחלק ממקרי השימוש לא נדרשות מהירויות גבוהות; לדוגמה, חיישן טמפרטורה פשוט של IoT שולח רק בתים ספורים בכל דקה. ה-Wi-Fi התקדם במידה רבה, ו-Wi-Fi 6 מבטיח מהירויות של Gigabit, שכמעט תואמות את אלה של ה-Ethernet. לשם השוואה, קצבי הורדה בחיבור סלולרי של 4G משיגים בדרך כלל קצב של 30Mbps. פריסת קישוריות 5G מתבצעת כעת, אבל בדיקות ראשונות מצביעות על כך שמהירויות של 150Mbps הן אפשריות. מועמדים במהירות נמוכה כוללים את Bluetooth ב-1Mbps,‏ LoRa במהירות של עד 27kbps ו-NB-IoT סלולרי במהירות של 127kbps.

השהיה: השהיה, הנמדדת בדרך כלל כמסלול סיבובי, מציינת את הזמן שנדרש לאות להגיע ליעדו והאישור שמתקבל במוצא. השהיה עשויה להפוך לגורם מגביל עבור תקשורת במהירות גבוהה מכיוון שההמתנה לאישור של מנת נתונים מפחיתה את התפוקה. בנוסף, היא משפיעה באופן חמור על יישומי זמן-אמת המחייבים זמן תגובה מוחלט וצפוי. זמן השהיה נמוך הוא הכרחי למערכות אוטומציה תעשייתיות, שהן יעד מפתח לפריסות של 5G. קישוריות 5G מבטיחה לשפר במידה משמעותית את ההשהיה בחיבורים סלולריים, ונהוג לציין 5 אלפיות שנייה לעומת 80 אלפיות שנייה עבור 4G. השהיה תלויה גם בתגובה של המערכת המארחת; יישומים אחרים המושפעים מההשהיה כוללים משחקים מקוונים והזרמת אודיו/וידאו.

טווח: הטווח היעיל של קישור אלחוטי משתנה במידה רבה. בבית ובמקום העבודה, רצפות וקירות מחלישים אותות אלחוטיים, באופן שמגביל את מרבית התקשורת של Wi-Fi למרחקים חד-ספרתיים במטרים. הטווח בחוץ מושפע מפני הקרקע, מצמחים ומעצים, ובתדרים גבוהים מאוד – ממשקעים. איור 1 מדגיש את המאפיינים העיקריים של פרוטוקולים אלחוטיים פופולריים המוזכרים במאמר זה.

איור 1: מאפיינים עיקריים של פרוטוקולים אלחוטיים פופולריים. (מקור: Mouser)

צריכת חשמל: צריכת חשמל היא שיקול מהותי, במיוחד עבור מערכות מוטמעות הפועלות באמצעות סוללות. כמות הזרם שהמקלט-משדר צורך כדי לאפשר ולקיים קישור אמין תשפיע במידה משמעותית על חיי הסוללה, וזהו שיקול מרכזי בעיני צרכנים רבים. לדוגמה, על אף מהירותו, חיבור Wi-Fi צורך חשמל במידה משמעותית, באופן שמדגיש את הצורך בפרוטוקולים אחרים של צריכת חשמל נמוכה ביישומים מסוימים.

טופולוגיה: טופולוגיות פופולריות כוללות כוכב (סלולרי, Wi-Fi,‏ LoRa) ורשת אריג (Bluetooth). קיימים גם קישורים אלחוטיים ייעודים ישירים מנקודה לנקודה (P2P).

ברמה טכנית עמוקה יותר, הפרוטוקול האלחוטי מגדיר גם את גודל המנה. הוא מגדיר את החלפת הנתונים ב”לחיצת יד” ברמת הקישור, את השיטות לתיקון שגיאות אם הן מיושמות, והעברה הלאה של מנת הנתונים. עבור יישומי IoT ו-IIoT, ביצועים של קישור אלחוטי חזק, עמיד ואמין הם הכרחיים.

DECT NR+‎ מבשר על תקשורת אמינה במיוחד, עם זמן השהיה נמוך עבור פריסות IIoT בקנה מידה גדול

איגוד הטלקומוניקציה הבין-לאומי (ITU), יחד עם מכון התקנים האירופי לטלקומוניקציה (ETSI), אשררו לאחרונה את תקן DECT-2020 New Radio (NR)+‎ כחלק מסט התקנים של 5G. DECT Forum, הגוף המייסד של תקן DECT לטלפונים אלחוטיים, פיתח את DECT NR+‎; עם זאת, מקורו אינו בתקן לטלפונים אלחוטיים. המפרט של DECT NR+‎ עונה על הצורך בשימושים של IoT ו-IIoT שיהיו אמינים במיוחד, בקנה מידה גדול ועם זמן השהיה נמוך, כגון ערים חכמות, מונים חכמים, Industry 4.0 והזרמת אודיו באיכות מקצועית (לדוגמה, באצטדיונים ובאולמות כנסים גדולים).

בניגוד ל-5G,‏ DECT NR+‎ אינו תקן סלולרי, והוא זוכה לאישור של ITU-R 5G כנגד תקן international mobile telecommunications‏ (IMT-2020) ל-5G על בסיס התקשורת האמינה במיוחד וזמן ההשהיה נמוך שלו (URLLC) וכן היכולות שלו בהיבט של massive Machine Type Communications‏ (mMTC). איור 2 מדגיש את הסוגים של מקרי שימוש עבור DECT NR+‎ לפי תקן IMT-2020 עבור URLLC,‏ mMTC ו-enhanced mobile broadband‏ (eMBB).

איור 2: משולש 5G IMT-2020 של מקרי שימוש. (מקור: Nordic Semiconductor)

התכונות המרכזיות של DECT NR+‎ כוללות:

• פעולה בספקטרום האלחוטי של 1.9GHz הפטור מרישיון והזמין באופן גלובלי (למעט בסין, נכון לעכשיו). דבר זה יוצר את הפוטנציאל לפתח גרסה אחת של מוצר במקום וריאנטים אזוריים, באופן שחוסך עלויות משמעותיות של ייצור ואישור. DECT NR+‎ מתקיים יחד עם מכשירי DECT אלחוטיים מדור קודם שכבר משתמשים בפס 1.9GHz.
• פונקציונליות במספר טופולוגיות, כולל כוכב, רשת אריג ו-P2P, עם יכולות רשת של ארגון עצמי ושיקום עצמי.
• זמן השהיה נמוך במיוחד, המופחת עד לאלפית שנייה אחת, שעשוי לאפשר לראשונה שימוש בתקשורת אלחוטית ביישומים רבים.
• אמינות ברמה טובה יותר מ-99.99%, המבוססת על טכניקות סלולריות מוכחות, כגון Forward Error Correction‏ (FEC) ו-Hybrid Automatic Repeat Request‏ (HARQ), שמתרחשות במקום נמוך בערימת הפרוטוקול, באופן שחוסך ניהול שידורים מחדש ברמות הגבוהות יותר.
• שיטות מומלצות לאבטחה המשתמשות ב-AES וב-CCM.
• מדרגיות עצומה, עד 4 מיליארד צמתים ו-16 מיליון רשתות.
• מודולציה מסוג Orthogonal Frequency-Division Multiplexing‏ (OFDM) עם קידוד ערוצים יעיל ומודולציה ברמה גבוהה.
• גישת רשת לא-סלולרית, המאפשרת ללקוחות ליצור רשתות פרטיות ללא צורך לגשת לתחנות בסיס או לתשתית של ספקי שירות.
• תאימות לפריסה בקנה מידה גדול עם טווח קילומטרים וקצב נתונים מרבי של 9Gbps
• ללא דרישה למינויים או לכרטיסי SIM.

איור 3 משווה בין DECT NR+‎ לבין פרוטוקולים אלחוטיים פופולריים אחרים של טווח קצר.

איור 3: טבלת השוואה של DECT NR+‎ לעומת שיטות תקשורת אלחוטית פופולריות אחרות. (מקור: Mouser).

השכבה הפיזית (PHY) של ערימת פרוטוקול NR+‎ מתירה אפנון בינארי (BPSK), אפנון באופן רביעוני (QPSK) ואפנון משרעת רביעוני (QAM) של אות ה-OFDM (איור 4). המפרט של DECT NR+‎ תומך בעד 1024QAM עבור עד 9Gbps. הפחתת קצב הנתונים כך שיהיה תואם לדרישות היישום תמטב את צריכת החשמל עבור יישומים מוטמעים בצריכת חשמל נמוכה.

איור 4: שיטות I/Q של אפנון ערוץ נתונים פיזי הזמינות עם DECT NR+‎. (מקור: Nordic Semiconductor)

מאפיין נוסף של שכבת PHY הוא טכניקת תיקון השגיאות HARQ (איור 5). ביצוע שליחה מחדש עם ה-PHY מסיר את הצורך בכך ששכבות יישום יספקו פונקציונליות זו, ומאפשר קיום של שמונה תהליכי HARQ במקביל. מאחר שפעולות שליחה מחדש לצורך שיפור האמינות מתרחשות בתוך ה-PHY, השהיית השידור היא פחות מ-417μs.

איור 5: HARQ בתוך ה-PHY משפר את האמינות, מציג השהיה מזערית וחוסך במשאבים של שכבת יישום. (מקור: Nordic Semiconductor)

Nordic nRF91: הפלטפורמה הראשונה שתומכת ב-DECT NR+‎

Nordic Semiconductor היא החברה הראשונה של מוליכים למחצה המכריזה על תמיכה בפרוטוקול DECT NR+‎. המקלט-משדר של החברה, nRF91 DECT NR+‎, המבוסס על צריכה נמוכה, התכנונים המוכנים והפלטפורמה להערכה יהיו זמינים ב-2023. תוך התבססות על System-in-Package מסוג nRF91 cellular (LTE ו-NB-IoT), חברת Nordic פועלת בשיתוף פעולה עם Wirepas, ספקית התוכנה המובילה ל-IoT, במטרה לשלב את Wirepas Mesh Connectivity Suite ב-nRF91.

DECT NR+‎ ממלא את החסר עבור תקשורת אלחוטית אמינה במיוחד, עם זמן השהיה נמוך, בקנה מידה עצום

ככל שהפריסות של IoT ו-IIoT הולכות ומתרחבות, הצורך בתקשורת אלחוטית אמינה, בעלת זמן השהיה נמוך וצריכת חשמל נמוכה נהיה הכרחי. הודות למאפייני האבטחה ברמה סלולרית ולאמינות, DECT NR+‎ נמצא בעמדה טובה לענות על הדרישות שפרוטוקולים אלחוטיים אחרים בטווח קצר אינם יכולים לענות עליהן.