ERK'2022, Portorož, 104-107 104 O značilnostih brezžičnih protokolov za pretakanje senzorskih podatkov: pod 3 GHz Timotej Gruden, Peter Miklavčič, Matevž Hribernik, Sašo Tomažič Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška 25, Ljubljana E-pošta: timotej.gruden@fe.uni-lj.si On the sensor-data-streaming wireless- protocol features: sub-3GHz Abstract. In this brief technology overview, we address various wireless protocols for streaming data from sen- sory peripherals to other devices. In particular we focus on technologies that can be used in biomechanical feed- back applications. We consider well-known protocols from the IEEE 802.11 and 802.15 families, as well as possible future alternatives that serve the purpose of streaming data in real time and offer the possibility of concurrent feedback. For future protocols we consider different modulation schemes and present forward- correction codes suitable for real-time performance. 1 Uvod V današnjem svetu sodobnih brezžičnih komunikacij se velikokrat dozdeva, da so vsi načini komunikacij že raziskani, ter za komunikacijo med napravami ni po- trebno raziskovati novih modulacijskih postopkov in protokolov. To verjetno za veliko aplikacij in namenov tudi velja, vendar se pojavljajo nišna področja, kjer ob- stoječe rešitve ne ponujajo potrebnih zmogljivosti. Bi- omehanska povratna vezava (BMPV) je področje, kjer s pomočjo sodobnih tehnologij uporabniku pomagamo pri izboljševanju ali učenju telesne aktivnosti oz. gibanja [1], [2]. V vsaki BMPV nastopajo senzorji, procesorska enota, aktuatorji in uporabnik. Senzorji zajemajo upo- rabnikovo gibanje, podatki iz senzorjev se v procesni enoti pretvorijo v uporabno informacijo, ta pa se preko aktuatorjev predstavi uporabniku. Uporabnik s spre- membo gibanja glede na informacije iz aktuatorja za- ključi to povratno vezavo. Povratno informacijo lahko uporabniku predstavimo v različnih trenutkih [1]: po končanem gibanju (naknadno posredovanje, ang. termi- nal feedback), ob vsaki ponovitvi ponavljajoče aktivno- sti (ciklično posredovanje, ang. cyclic feedback) ali ves čas fizične aktivnosti (sočasno posredovanje, ang. con- current feedback), ki je za izvedbo najzahtevnejše. Pri sočasnem in cikličnem posredovanju mora sistem delo- vati v realnem času. Delovanje v realnem času moramo razumeti predvsem z vidika uporabnika sistema. Njego- va zahteva je, da pri delovanju sistema ne zaznava mo- tečega zamika med storjenim gibom in sprejeto povrat- no informacijo. Temu moramo prilagoditi delovanje sistema. Zagotavljanje zanesljive komunikacije z mini- malnimi zakasnitvami je bila glavna motivacija pri pi- sanju tega preglednega prispevka. Pri našem delu z biomehansko povratno vezavo v realnem času (ang. real-time biomechanical feedback - RTBMF) trenutno uporabljamo brezžične protokole družin IEEE 802.11 in 802.15 [2]. Ti večinoma zado- ščajo, vendar pa se občasno pojavljajo problemi, kot so prevelike zakasnitve, prekomerno trepetanje in izguba paketov. Za rešitev problema komunikacije med nosljivimi napravami in procesno enoto smo se odločili raziskati različne možnosti brezžičnih protokolov in modulacij- skih ter kodirnih postopkov za pretok senzorskih podat- kov z majhnimi izgubami in zakasnitvami. Pri uporabi 9-DOF (ang. Degrees of Freedom) senzorjev s 16-bitno ločljivostjo in visoko vzorčevalno frekvenco 1 kHz sku- paj z režijo potrebujemo bitni pretok vsaj 250 kb/s. V tem krajšem pregledu predstavljamo naše izsledke glede obstoječih tehnologij in možnosti razvoja novih pretoč- nih protokolov za sisteme z BMPV. 2 Pregled Frekvenčni pas je ena osnovnih lastnost vsakega brez- žičnega protokola in je temu primerno zasnovan. Izbira določenega frekvenčnega pasu pa prinaša različne fizi- kalne omejitve (lastnosti razširjanja valov, pasovna širi- na) kakor tudi tehnične omejitve pri izvedbi visokofre- kvenčnih vezij. Pri zasnovi odprtega protokola se je smiselno omejiti na nelicenčne frekvenčne pasove, za katere so tudi visokofrekvenčne elektronske komponen- te dostopnejše. Prav tako je smiselno v čim večji meri uporabiti obstoječe protokole, ki se v praksi dobro ob- nesejo. V tabeli 1 so našteti standardi, ki ustrezajo na- šim kriterijem in njihove glavne lastnosti. Glede na zastavljene kriterije so v Evropi primerni pasovi: 433 MHz (B = 1,74 MHz), 868 MHz (B = 7 MHz), 2,4 GHz (B = 85–100 MHz). V pasu 433 MHz, LPD433, je v Evropi dodatno omejena uporaba podpa- sov glede na namen uporabe in delovno obremenitev periode (ang. duty cycle) posameznega oddajnika. V tem pasu so primarni uporabniki govorne postaje, kot je to na primer podpas PMR446 za osebne mobilne postaje (ang. walkie-talkie). Zaradi dokaj enostavne izvedbe elektronike ter ugodnih lastnosti razširjanja valov pa je 433 MHz pas praktično povsod po svetu namenjen da- ljinskem upravljanju – na primer za radijsko-vodene modele, daljinsko odklepanje vozil, upravljanje strojev in naprav. Tem sistemom je skupna relativno ozkopa- sovna ali pa vsaj zelo kratkočasna oziroma redka komu- nikacija. Za dolgotrajnejši stalen prenos pa ta pas ni primeren, tako da zanj tudi ni primernih standardnih širokopasovnih protokolov za paketno podatkovno ko- munikacijo. Podobno je urejen pas na 868 MHz, SRD860, ki omejuje delovno periodo glede na tip naprave. V tem pasu že obstajajo možnosti za implementacijo širokopa- sovnega radijskega prenosa podatkov. 105 Tabela 1. Izbrani brezžični protokoli in primerjava njihovih glavnih lastnosti. Standard Pas 868 MHz Pas 2,4 GHz Pasovna širina B [MHz] Bitna hitrost R [Mb/s] Spektralna učinkovitost R/B [b/s/Hz] Modulacija (pod)nosilca Odpravljanje napak (ECC) IEEE 802.15.4 + zigbee [3] ✓ 2 0,25 0,13 O-QPSK DSSS 1/8 IEEE 802.15.4-2006 [4] ✓ ✓ 2 0,25 0,13 O-QPSK DSSS 1/8 Bluetooth 2.0+EDR [5] ✓ 1 3,0 3,00 8-DPSK Hamming 1/3, 2/3 Bluetooth 5.0 [6] LE ✓ 2 2,0 1,00 GFSK Hamming 1/3, 2/3 IEEE 802.11ah (Wi-Fi HaLow) [7] ✓ 2 7,8 3,90 256-QAM LDPC 3/4 IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) [8] ✓ 20 65 3,25 64-QAM LDPC 5/6 IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) [9] ✓ 20 135 6,75 1024-QAM LDPC 5/6 Tabela 2. Pregled najpogostejših trenutno uveljavljenih digitalnih modulacijskih postopkov Tip modulacije Način Značilnosti Primeri uporabe Skokoviti prehodi Zvezni prehodi + lažja izvedba + spektralna učinkovitost amplitudna n-ASK n-CAM + najenostavnejši za implementacijo + cenovno ugodna oddajnik in sprejemnik - potrebna večja oddajna moč - slabši doseg - slaba odpornost na motnje * hišna avtomati- zacija (npr. garaž- na vrata) * RV modeli (kr- miljenje) kotna fazna n-PSK n-DPSK n-CPM + dobra odpornost na amplitudne motnje + enostavna izvedba - potrebna sinhronizacija nosilca - absolutna faza ni določena: potrebno diferencialno kodiranje (DPSK) * Bluetooth 2.0+ * DVB-S * RFID * 802.11b frekvenčna s n-FSK / + ni potrebna sinhronizacije nosilca + robustnost na račun pasovne širine + dobro delovanje v slabih razmerah - navadno potrebna večja pasovna širina * Za-Re (POCSAG) * LTE (pov. ↑) skokovito fazo frekvenčna z n-DCPM MSK GMSK + ni potrebna sinhronizacije nosilca + robustnost na račun pasovne širine + MSK doseže tudi min. fazni zasuk - pri dobrih razmerah na kanalu se ostale tehnike izkažejo za učinkovitejše * GSM * Bluetooth LE zvezno fazo kombinirana n-APSK n-QAM + doseganje najvišjih hitrosti pretoka + spektralno najučinkovitejši postopek + s QAM so izvedljivi vsi ostali postopki - slabša odpornost na šum * 802.11n, ax * DVB-T, DVB-C * LTE (pov. ↓) * Kratice izhajajo iz angleškega jezika: ASK – Amplitude Shift Keying, CAM – Continuous Amplitude Modulation, PSK – Phase Shift Keying, DPSK – Differential Phase Shift Keying, CPM – Continuous Phase Modulation, FSK – Frequency Shift Keying, DCPM – Differential Continuous Phase Modulation, MSK – Minimum Shift Keying, GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying, APSK – Amplitude-Phase Shift Keying, QAM – Quadrature Amplitude Modulation Tabela 3. Pregled trenutnega stanja kod za odpravljanje napak (ECC) Konvolucijske ECC Blokovne ECC Najpogosteje v rabi Viterbi algoritem [10] Iznašel A. Viterbi (1967); dekodiranje na osnovi največje verjetnosti; uporaba: GSM, 802.11a, g LDPC (low-density parity codes) - kode z nizko gostoto paritetne matrike [11] Iznašel Gallager (1960); sprva računsko prezahtevne, možnost implementacije po 1993, se asimptotično približujejo Shannonovi meji kapacitete kanala; uporaba: 10GBASE-T, DVB-S2, DVB-T2, 802.11n, ac, ax Sodobne kode Turbo kode [12] Iznašel C. Berrou (1991); približek dekodiranja na osnovi največje verjetnosti, se asimptotično približujejo Shannonovi meji kapacitete kanala; uporaba: UMTS, LTE Polarne kode [13] Iznašel E. Arikan (2009); dokazano dosežejo Shannonovo mejo za binaren simetričen kanal, trenutno zelo malo implementacij, teoretično možna razširitev v konvolucijski način [14]; uporaba: 5G 106 2.1 Obstoječi brezžični protokoli Standard IEEE 802.15.4-2003, ki je med drugim tudi osnova popularnega protokola zigbee [3], v pasu 433 MHz še ne določa dovolj hitrega radijskega vmesnika, ki bi zadoščal postavljenim kriterijem. Razširitev standarda IEEE 802.15.4-2006 [4] nače- loma že omogoča bitno hitrost 250 kb/s, vendar tega kriterija s praktičnimi izkoristki ne more doseči. Edini standard, ki naj bi to trenutno zmogel z uporabo modu- lacij višjega reda v pasu 868 MHz, je IEEE 802.11ah s komercialnim nazivom Wi-Fi HaLow [7]. Poleg protokolov, temelječih na IEEE 802.15.4 in družine IEEE 802.11, je v pasu 2,4 GHz razširjena tudi družina Bluetooth. Ta se v osnovi deli na klasično in nizkoenergijsko izvedbo. Glavni frekvenčni pas za Wi- Fi naprave je 2400–2485 MHz, zaradi vsesplošne zasi- čenosti in potrebe po večji pasovni širini pa te naprave vedno bolj uporabljajo ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical) pasove med 5 in 6 GHz. Pri teh frekvencah je razširjanje valov še bolj oteženo, prav tako se začnejo kazati trenutne omejitve cenene masovne izdelave elek- tronike. Zaradi naštetega pasovi nad 3 GHz niso najbolj ustrezni. 2.2 Algoritmi za nove brezžični protokole Pri načrtovanju novega učinkovitega brezžičnega proto- kola za pretakanje senzorskih podatkov moramo preve- riti različne možnosti uporabe modulacijskih postopkov in zagotavljanja zanesljivega prenosa. Nabor vseh modulacijskih postopkov ter njihovih izpeljank je preobširen za obdelavo v tem prispevku, zato v tabeli 2 predstavljamo le nekaj osnovnih in pogo- sto uporabljenih postopkov, ki so ključni za naš namen uporabe. Predstavljene so tudi glavne značilnosti in praktični primeri. Ena glavnih slabosti brezžičnega prenosa je manjša odpornost na motnje. Pogosto se zgodi, da vsi oddani simboli ne pridejo do sprejemnika v enaki obliki, kot so bili poslani. Razlogov za napake pri sprejemu je več, kot so to na primer šum na kanalu, impulzne motnje in odbiti signali. Ta problem lahko rešujemo z uporabo dveh načinov zagotavljanja zanesljivega prenosa: po- novno pošiljanje in sprotno odpravljanje napak. 2.2.1 Ponovno pošiljanje Protokoli, ki vključujejo ponovno pošiljanje (ang. automatic repeat-request – ARQ), npr. RFC 3366, te- meljijo na potrditvah in časovnikih. Za vsako poslano sporočilo ali na vsakih nekaj poslanih bitov oddajnik želi potrditev sprejema, v primeru izteka časovnika pred prejemom potrditve, pa je paket samodejno ponovno poslan. Za biomehansko povratno vezavo v realnem času ponovno pošiljanje ne pride v poštev. V primeru izgube podatkov ali odkrite napake ponovno pošiljanje ni smi- selno, saj bi povratna informacija do uporabnika prišla prepozno, ko je na primer že izvedel napačen gib, na katerega ga je želel aplikacija opozoriti in ga s tem pre- prečiti. 2.2.2 Sprotno odpravljanje napak Nasprotje ponovnemu pošiljanju je tehnika kanalskega kodiranja s kodami za odpravljanje napak v sprejemniku (ang. error-correcting codes - ECC). Pri dekodiranju na osnovi največje verjetnosti ločimo med trdim in meh- kim odločanjem. Pri trdem odločanju je dekodirnik na izhodu digitalnega kanala, torej za odločitvenim vezjem, pri mehkem odločanju pa je dekodirnik neposredno na izhodu diskretnega kanala, kjer so sprejeti simboli zvez- ni po amplitudi, kar lahko predstavlja dodatno informa- cijo. Sprotno odpravljanje napak (ECC) je v uporabi predvsem v primerih, ko ponovno pošiljanje ni sprejem- ljivo ali izvedljivo (npr. v primeru strogo enosmerne komunikacije, daljših razdalj, …). Prvi primer sprotnega odpravljanja napak predstavlja Hammingova (7,4) koda, ki jo je v Bellovem laboratori- ju leta 1950 iznašel Richard Hamming [15]. Glede na način izvedbe kode delimo na konvolucijske in blokov- ne, trenutne možnosti obojih so predstavljene v tabeli 3. Omeniti je potrebno še, da je prednost turbo kod v tem, da že v svoji zasnovi vključujejo mešalnik bitov (ang. interleaver) in so posledično bolj odporne na mot- nje v izbruhih (npr. algoritem Viterbi potrebuje ločen mešalnik). LDPC se s trenutnimi implementacijami pri visokih kodnih razmerjih (npr. 5/6, 7/8) izkažejo bolje od turbo kod. Pri nizkih kodnih razmerjih (npr. 1/2, 1/5, 1/8) pa so turbo kode še vedno najboljša izbira. 3 Razprava Frekvenčni pas in pasovna širina sta ob tehnično dose- gljivi modulaciji in kodiranju zgolj osnoven indikator, koliko kapacitete ponuja določen pas. Vsi pasovi so regionalno in lokalno podvrženi dodatnim zakonskim omejitvam, ki jih je treba pri načrtovanju upoštevati. Pasova 433 MHz in 868 MHz kljub uporabnim lastno- stim ponujata relativno malo pasovne širine in posledič- no tudi dosegljive bitne hitrosti. Zelo obetaven standard je IEEE 802.11ah, vendar se prve naprave šele pojavljajo na trgu in še ni dovolj opreme, da bi bil standard dobro preizkušen v praksi. Ta standard je izvedba popularnega Wi-Fi za IoT (internet stvari, ang. Internet of Things - IoT) naprave, kjer sta pomembna domet in poraba energije končnih naprav. Obljublja zapolnitev vrzeli med skupino ozkopasovnih protokolov z bitnim pretokom do 250 kb/s in širokopa- sovnih do nekaj Mb/s. Ponujajo pa radijska omrežja po standardih IEEE 802.11 že na 2,4 GHz pasu, vsaj teoretično, več kot do- volj bitne hitrosti glede na postavljene kriterije in so zato zelo primeren kandidat, v praksi pa se pojavijo uvodoma opisani problemi. Bluetooth ponuja alternati- vo, kjer je zaradi želje po dometu bolj primerna klasična izvedba, z bitno hitrostjo do 3 Mb/s pa prav tako kot IEEE 802.11ah obljublja zapolnitev vrzeli. Žal pa je programska izvedba pri uporabi Bluetooth vmesnikov tipično bistveno zahtevnejša kot pri standardnih proto- kolih, na primer na Ethernetu osnovanem Wi-Fi. Zaple- ten aplikacijski nivo pomeni tudi večjo verjetnost pro- gramskih in drugih napak najrazličnejših, večinoma 107 cenenih izvedb vmesnika. Zaradi obojega Bluetooth tipično ni prva izbira, kot npr. v našem primeru. Pri izbiri modulacijskih postopkov se zdi odločitev dokaj preprosta. Ker je naše glavno vodilo odpornost na šum in druge motnje na kanalu, je smiselno izbirati eno izmed frekvenčnih modulacij. Med njimi je spektralno najučinkovitejša GMSK, torej MSK (minimalni fre- kvenčni skoki) s faznim potekom, oblikovanim z Gaus- sovim sitom. Če se v dotičnih primerih izkaže, da so razmere na kanalu dovolj dobre (določene vrste športa), je smiselno razmisliti tudi o uporabi večnivojskih modu- lacijskih postopkov, kot na primer n-CAM, n-DCPM ali n-QAM za večji podatkovni pretok. Napake zaradi šuma in drugih motenj na kanalu je pri BMPV v realnem času smiselno popravljati z meto- dami za sprotno odpravljanje napak, ali pa jih zgolj za- znavati, saj ponovno pošiljanje tu ni smiselno. Aplikaci- je z BMPV delujejo v pretočnem načinu s sprotnim pre- nosom podatkov, torej se zdi smiselno izbirati med pre- točnimi kodami. Ker ciljamo na nizka kodna razmerja (1/2, 1/5, tudi 1/10), ki nudijo večjo odpornost napake, se v trenutni dobi kot najprimernejše izkažejo turbo kode. V kolikor se izkaže potreba po hitrejših imple- mentacijah, je kasneje smiselno razmisliti o konvolucij- skem načinu polarnih kod. Pri zasnovi namenskega protokola ostajata odprta še dva problema. Prvi je vezan na izgubo kanala za daljše časovno obdobje (nekaj sekund), npr. med plavanjem pod vodo. V primeru okvare podatkov ali izgube pove- zave predvidevamo, da bosta uporabljena mehanizem zaznavanja napak (ang. error detection) ter dodatna signalizacija končnemu uporabniku v primeru nedelo- vanja sistema. Drugi se nanaša na možnosti naknadne obdelave (ang. post-processing). Smiselno je, da bi pro- tokol nadgradili tako, da bi poleg predstavljenega pre- točnega pošiljanja podatkov omogočal tudi zanesljiv prenos vseh podatkov, četudi z zakasnitvijo. Tu predvi- devamo, da bi bila smiselna uporaba hibridnega načina (ang. hybrid automatic repeat request – HARQ) [16] ali povsem ločenega kanala za zanesljiv prenos v ne- realnem času. Glede na predstavljene izsledke sklepamo, da ni primernih protokolov za prenos senzorskih podatkov v aplikacijah z biomehansko povratno vezavo v realnem času, zato se zdi smiseln razvoj novega namenskega brezžičnega protokola v pasu 868 MHz ali 2,4 GHz . Zahvala Raziskavo je delno financirala ARRS v okviru razisko- valnega programa ICT4QoL – Informacijsko komunika- cijske tehnologije za kakovostno življenje (P2-0246). Literatura [1] A. Kos in A. Umek, Biomechanical Biofeedback Systems and Applications. Springer, 2018. [2] M. Hribernik, A. Umek, S. Tomažič, in A. Kos, „Re- view of Real-Time Biomechanical Feedback Systems in Sport and Rehabilitation“, Sensors, let. 22, št. 8, Art. št. 8, jan. 2022, doi: 10.3390/s22083006. [3] zigbee alliance, „ZigBee Specification“, str. 599, 2017. [4] „Wireless Medium Access Control (MAC) and Physi- cal Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs), IEEE Std 802.15.4- 2006“, 7. september 2006 Pridobljeno: 10. avgust 2022. [Na spletu]. Dostopno na: https://standards.ieee.org/ieee/802.15.4/3582/ [5] Bluetooth Special Interest Group, „Core Specification 2.0+EDR – Bluetooth® Technology“, 4. november 2004 Pridobljeno: 10. avgust 2022. [Na spletu]. Do- stopno na: https://www.bluetooth.com/specifications/specs/cs- core-specification-2-0edr/ [6] Bluetooth Special Interest Group, „Core Specification 5.0 – Bluetooth® Technology“, 6. december 2016 Pri- dobljeno: 10. avgust 2022. [Na spletu]. Dostopno na: https://www.bluetooth.com/specifications/specs/core- specification-5/ [7] „Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 2: Sub 1 GHz License Exempt Operation, IEEE Std 802.11ah-2016“, 5. maj 2017 Pridobljeno: 10. avgust 2022. [Na spletu]. Dostopno na: https://standards.ieee.org/ieee/802.11ah/4960/ [8] „Wireless LAN Medium Access Control (MAC)and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 5: Enhancements for Higher Throughput“, IEEE Std 802.11n-2009, str. 1–565, okt. 2009, doi: 10.1109/IEEESTD.2009.5307322. [9] „Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 1: Enhancements for High-Efficiency WLAN“, IEEE Std 802.11ax-2021, str. 1–767, maj 2021, doi: 10.1109/IEEESTD.2021.9442429. [10] A. Viterbi, „Error bounds for convolutional codes and an asymptotically optimum decoding algorithm“, IEEE Transactions on Information Theory, let. 13, št. 2, str. 260–269, apr. 1967, doi: 10.1109/TIT.1967.1054010. [11] R. Gallager, „Low-density parity-check codes“, IRE Transactions on Information Theory, let. 8, št. 1, str. 21–28, jan. 1962, doi: 10.1109/TIT.1962.1057683. [12] C. Berrou, A. Glavieux, in P. Thitimajshima, „Near Shannon limit error-correcting coding and decoding“, 1993, str. 1064–1070. [13] E. Arikan, „Channel Polarization: A Method for Con- structing Capacity-Achieving Codes for Symmetric Bi- nary-Input Memoryless Channels“, IEEE Transactions on Information Theory, let. 55, št. 7, str. 3051–3073, jul. 2009, doi: 10.1109/TIT.2009.2021379. [14] M. Moradi, A. Mozammel, K. Qin, in E. Arikan, „Per- formance and Complexity of Sequential Decoding of PAC Codes“, dec. 2020, Pridobljeno: 9. avgust 2022. [Na spletu]. Dostopno na: http://128.84.4.18/abs/2012.04990 [15] R. W. Hamming, „Error Detecting and Error Correcting Codes“, Bell System Technical Journal, let. 29, št. 2, str. 147–160, 1950, doi: 10.1002/j.1538- 7305.1950.tb00463.x. [16] E. Soljanin, R. Liu, in P. Spasojevic, „Hybrid ARQ with Random Transmission Assignments“, 2003. doi: 10.1090/dimacs/066/19.