Διαμόρφωση ηλεκτρικού πεδίου: έρευνα του 2023 για μια εναλλακτική στο Bluetooth

Το Bluetooth χρησιμοποιείται εδώ και δεκαετίες σε τηλέφωνα, αυτοκίνητα και ηχεία. Το άρθρο αυτό εξετάζει μια ερευνητική προσέγγιση του 2023: μια νέα τεχνολογία από το Πανεπιστήμιο του Sussex, η οποία χρησιμοποιεί διαμόρφωση ηλεκτρικού πεδίου για επικοινωνία μικρών αποστάσεων με πιθανή εξοικονόμηση ενέργειας και μικρότερα κυκλώματα.

Κατανόηση του Bluetooth

Πριν εξετάσουμε τη διαμόρφωση ηλεκτρικού πεδίου, ας δούμε πώς λειτουργεί το Bluetooth.

Τι είναι το Bluetooth;

Το Bluetooth είναι τεχνολογία ασύρματης ανταλλαγής δεδομένων σε μικρές αποστάσεις. Το όνομά του προέρχεται από τον Harald Bluetooth, βασιλιά του 10ου αιώνα που ένωσε τη Δανία και τη Νορβηγία, και συμβολίζει την ενοποίηση διαφορετικών συσκευών.

Η Ericsson (ERIC ), σουηδική εταιρεία τηλεπικοινωνιών, ξεκίνησε την ανάπτυξή του το 1994 ως εναλλακτική στα καλώδια RS-232. Η πρώτη προδιαγραφή Bluetooth κυκλοφόρησε το 1999.

Οι πρώτες εκδόσεις είχαν προβλήματα διαλειτουργικότητας. Ωστόσο, το Bluetooth χρησιμοποιούνταν ευρέως πριν από το 2010. Η έκδοση 4.0 εκείνης της χρονιάς πρόσθεσε το Bluetooth Low Energy, διευρύνοντας ιδιαίτερα τις εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης.

Η τεχνολογία χρησιμοποιείται για μεταφορά αρχείων, ήχο και επικοινωνία συσκευών του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT). Η σύζευξη και η συνδεσιμότητα μπορεί να παρουσιάζουν δυσκολίες, ενώ η κατανάλωση εξαρτάται από την έκδοση, την εφαρμογή και τον τρόπο λειτουργίας.

Το Wi-Fi Direct και το NFC εξυπηρετούν διαφορετικές ανάγκες ταχύτητας, εμβέλειας και κατανάλωσης. Η διαμόρφωση ηλεκτρικού πεδίου προσθέτει μια ερευνητική επιλογή για πολύ κοντινές συσκευές· δεν έχει αποδειχθεί ότι αντικαθιστά το Bluetooth σε όλες τις εφαρμογές.

Πώς λειτουργεί; Ηλεκτρομαγνητική Διαμόρφωση

Η διαμόρφωση κωδικοποιεί πληροφορίες μεταβάλλοντας ένα σήμα. Το Bluetooth χρησιμοποιεί ραδιοκύματα στη ζώνη ISM των 2,4 GHz.

Γενικά, τρεις βασικές μορφές διαμόρφωσης είναι οι ακόλουθες. Δεν χρησιμοποιούνται όλες ως ανεξάρτητες μέθοδοι στο Bluetooth:

1. Διαμόρφωση πλάτους (AM): Μεταβάλλεται το πλάτος του κύματος.
2. Διαμόρφωση συχνότητας (FM): Μεταβάλλεται η συχνότητα του κύματος.
3. Διαμόρφωση φάσης (PM): Μεταβάλλεται η φάση του κύματος.

Στο Bluetooth ειδικότερα:

• Γκαουσιανή μετατόπιση συχνότητας (GFSK): Οι μεταβολές της συχνότητας κωδικοποιούν ψηφιακά δεδομένα. Χρησιμοποιείται στο Bluetooth Basic Rate και στο Bluetooth Low Energy.
• Ενισχυμένος ρυθμός δεδομένων (EDR): Εισήχθη με το Bluetooth 2.0. Οι κεφαλίδες χρησιμοποιούν GFSK και το ωφέλιμο φορτίο διαμόρφωση φάσης π/4-DQPSK ή 8DPSK για μεγαλύτερο ρυθμό μετάδοσης.
• Εναλλαγή συχνοτήτων: Ο πομπός και ο δέκτης αλλάζουν συντονισμένα κανάλια. Αυτό βοηθά στην αντιμετώπιση παρεμβολών και διαλείψεων του σήματος. Η ασφάλεια απαιτεί χωριστούς μηχανισμούς ελέγχου ταυτότητας και κρυπτογράφησης.

Το Bluetooth μεταφέρει συνεπώς δεδομένα μέσω διαμόρφωσης συχνότητας ή φάσης, ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας. Η εναλλαγή καναλιών βελτιώνει την ανθεκτικότητα στις παρεμβολές.

Κατανόηση της Διαμόρφωσης Ηλεκτρικού Πεδίου

Με αυτή τη βάση μπορούμε να εξετάσουμε την προσέγγιση του ηλεκτρικού πεδίου και τις πιθανές εφαρμογές της.

Τι είναι η Διαμόρφωση Ηλεκτρικού Πεδίου;

Η διαμόρφωση ηλεκτρικού πεδίου διερευνά έναν διαφορετικό τρόπο ασύρματης επικοινωνίας σε πολύ μικρές αποστάσεις.

Οι ερευνητές του Sussex, μεταξύ τους οι καθηγητές Robert Prance και Daniel Roggen, παρουσίασαν την προσέγγιση ως πιθανή λύση χαμηλής κατανάλωσης για κοντινές συσκευές. Χρησιμοποιεί σύζευξη ηλεκτρικού πεδίου αντί της συνήθους ακτινοβολούμενης ραδιοζεύξης. Πρόκειται και πάλι για ηλεκτρομαγνητική φυσική, όχι για φαινόμενο έξω από τον ηλεκτρομαγνητισμό.

Με την ελεγχόμενη μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου μπορούν να μεταφέρονται δεδομένα ανάμεσα σε κοντινά κυκλώματα. Το αρχικό άρθρο απέδιδε στο πρωτότυπο μετάδοση μονοφωνικού ήχου 8 bit με συχνότητα δειγματοληψίας 16 kHz, δηλαδή 128 kbps. Ανέφερε ρυθμό σφάλματος bit (BER) κάτω από 10^−6.7 στα 50 cm και κάτω από 10⁻⁴ στα 75 cm. Αυτά είναι αναφερόμενα αποτελέσματα της συγκεκριμένης διάταξης, όχι εγγυημένη απόδοση κάθε συσκευής.

Η μικρή εμβέλεια ταιριάζει σε φορετές συσκευές και προσωπικά ηλεκτρονικά που βρίσκονται κοντά μεταξύ τους. Η ομάδα προτείνει ότι η μειωμένη κατανάλωση της ζεύξης θα μπορούσε να παρατείνει τη διάρκεια της μπαταρίας.

Η ομάδα προτείνει επίσης νέους τρόπους αλληλεπίδρασης:

Στην ανακοίνωση του Sussex αναφέρονται ως πιθανές εφαρμογές η ανταλλαγή στοιχείων με χειραψία και το ξεκλείδωμα πόρτας με άγγιγμα.

Οι ιδέες αυτές συνδέουν την επικοινωνία δεδομένων με καθημερινές κινήσεις. Απαιτείται όμως κατάλληλη υλοποίηση στις συσκευές.

Πιθανά πλεονεκτήματα

Ο Daniel Roggen, καθηγητής Μηχανικής και Σχεδιασμού στο Sussex, παρουσίασε τις δυνατότητες αυτές ως εξής:

Η επικοινωνία κοντινών συσκευών μέσω ηλεκτρικού πεδίου θα μπορούσε να μειώσει τις ενεργειακές ανάγκες και να επιτρέψει νέες αλληλεπιδράσεις με οικιακές συσκευές.

Το κόστος και το μέγεθος των κυκλωμάτων επηρεάζουν τη δυνατότητα ευρείας διάδοσης. Ο Roggen εκτίμησε ότι:

Με μαζική παραγωγή, η λύση θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα με κόστος λίγων πενών ανά συσκευή.

Τα δυνητικά οφέλη αφορούν κυρίως συνδέσεις πολύ μικρής απόστασης. Το κόστος, η κατανάλωση και η ευχρηστία χρειάζονται αξιολόγηση ανά εφαρμογή. Τον Νοέμβριο του 2023 το πανεπιστήμιο αναζητούσε βιομηχανικούς εταίρους για περαιτέρω σμίκρυνση της τεχνολογίας.

Η δυνατότητα ενσωμάτωσης σε μικρό κύκλωμα καθιστά την προσέγγιση ενδιαφέρουσα για φορετά και έξυπνα οικιακά προϊόντα. Δεν τεκμηριώνει καθολική υπεροχή έναντι του Bluetooth ή εμπορική ετοιμότητα.

Πρακτικές Εφαρμογές

Πιθανές εφαρμογές της διαμόρφωσης ηλεκτρικού πεδίου περιλαμβάνουν:

• Φορητή Τεχνολογία: Συσκευές παρακολούθησης άσκησης και έξυπνα ρολόγια θα μπορούσαν να επικοινωνούν με κοντινά τηλέφωνα καταναλώνοντας λιγότερη ενέργεια.
• Έξυπνη Αλληλεπίδραση Σπιτιού: Θα μπορούσε να επιτρέπει χειρισμό φωτισμού ή θερμοστατών με άγγιγμα.
• Κοινωνική και Επαγγελματική Δικτύωση: Η ανταλλαγή στοιχείων επικοινωνίας ή προφίλ θα μπορούσε να γίνεται με χειραψία.
• Εφαρμογές Ασφάλειας: Το άγγιγμα της χειρολαβής θα μπορούσε να ενεργοποιεί την είσοδο χωρίς φυσικό κλειδί. Η ασφαλής πρόσβαση εξακολουθεί να απαιτεί έλεγχο ταυτότητας.

Πρόκειται για προτεινόμενες χρήσεις που συνδυάζουν φυσικές κινήσεις και επικοινωνία δεδομένων.

Παίκτες της Βιομηχανίας

Δεν τεκμηριώνεται εδώ ότι οι παρακάτω εταιρείες υιοθετούν τη συγκεκριμένη τεχνολογία του Sussex. Αποτελούν παραδείγματα εταιρειών που δραστηριοποιούνται στην ασύρματη συνδεσιμότητα.

*Οι πίνακες διατηρούν τα ιστορικά στοιχεία που ανέφερε το άρθρο του 2023, όχι σημερινές αποτιμήσεις. Η κεφαλαιοποίηση και τα EPS εκφράζονται σε δολάρια ΗΠΑ. Τα στοιχεία ανά μετοχή της Broadcom προηγούνται της διάσπασης 10 προς 1 του Ιουλίου 2024. Το προβλεπόμενο P/E της Intel και τα ιστορικά EPS αφορούν διαφορετικές περιόδους.*

1.  NXP Semiconductors

Η NXP Semiconductors (VNX.DE ) (NXPI ), ένας ολλανδικός κατασκευαστής ημιαγωγών, ξεχωρίζει για το εκτενές χαρτοφυλάκιό της σε ασύρματες τεχνολογίες. Προσφέρει προϊόντα όπως Bluetooth Low Energy, Wi‑Fi, NFC και Ultra‑Wideband για διάφορες εφαρμογές στον αυτοκινητοβιομηχανικό, IoT και τομέα έξυπνων σπιτιών. Οι τεχνολογίες της διευκολύνουν την ακριβή τοποθέτηση, τον ασύρματο έλεγχο και πρότυπα συνδεσιμότητας όπως το πρωτόκολλο Matter. Η εξαγορά από την NXP των ασύρματων περιουσιακών στοιχείων της Marvell το 2019 επέκτεινε περαιτέρω τις ασύρματες δυνατότητές της. Οι λύσεις της χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς, όπως βιομηχανικό IoT, ιατρικό και καταναλωτικά ηλεκτρονικά.

2.  Broadcom Inc.

AVGO Διάγραμμα τιμής

Η Broadcom Inc. (AVGO ) είναι πολυεθνική εταιρεία ημιαγωγών και λογισμικού υποδομής. Εξυπηρετεί αγορές ενσύρματης και ασύρματης επικοινωνίας, αποθήκευσης δεδομένων και βιομηχανικών εφαρμογών. Το χαρτοφυλάκιό της περιλαμβάνει ψηφιακά και μικτού σήματος κυκλώματα CMOS, αναλογικά προϊόντα III-V, προσαρμογείς αποθήκευσης και ελεγκτές. Οι δύο βασικοί τομείς της είναι οι λύσεις ημιαγωγών και το λογισμικό υποδομής. Παρέχει επίσης εξαρτήματα ασύρματης επικοινωνίας.

3.  Intel Corporation

INTC Διάγραμμα τιμής

Η Intel (INTC ) Corporation, αμερικανική εταιρεία που ιδρύθηκε το 1968, συνέβαλε στην ανάπτυξη των μνημών SRAM και DRAM. Παρουσίασε τον πρώτο εμπορικά διαθέσιμο μικροεπεξεργαστή, τον 4004, το 1971. Η ανάπτυξη των προσωπικών υπολογιστών τη δεκαετία του 1980 ενίσχυσε την εστίασή της στους μικροεπεξεργαστές. Στην ιστορική επισκόπηση του 2023, οι δραστηριότητές της περιλάμβαναν επεξεργαστές, chipset, ελεγκτές δικτύου και γραφικά. Ο ανταγωνισμός, μεταξύ άλλων από την AMD, επηρέασε το μερίδιό της και ώθησε αλλαγές στη στρατηγική της εντός του κλάδου των ημιαγωγών.

Αξιόλογες Αναφορές

Οι ακόλουθες εισηγμένες εταιρείες δραστηριοποιούνται επίσης σε συναφείς τεχνολογικούς τομείς:

Τελικές Σκέψεις

Η διαμόρφωση ηλεκτρικού πεδίου αποτελεί ενδιαφέρουσα ερευνητική προσέγγιση για επικοινωνία πολύ μικρών αποστάσεων. Η ομάδα του Sussex προτείνει μικρότερη κατανάλωση και νέους τρόπους αλληλεπίδρασης, ενώ το Bluetooth εξακολουθεί να εξυπηρετεί ευρύ φάσμα συσκευών και εφαρμογών.

Η περαιτέρω ανάπτυξη και ενσωμάτωση σε προϊόντα θα δείξει πού αυτή η προσέγγιση μπορεί να προσφέρει πρακτικά οφέλη. Η ανακοίνωση του 2023 παρουσιάζει μια δυνατότητα ανάπτυξης, όχι ήδη ολοκληρωμένη αντικατάσταση του Bluetooth.