Dlaczego Raspberry Pi 0 nie obsługuje standardu 5 GHz WiFi?
Poniżej znajduje się fragment ciekawej dyskusji inżynierskiej na temat fizyki radiowej i decyzji projektowych Raspberry Pi Foundation.
Pytanie: …miałeś rację, 5G na tej malince nie działa. Ciekawe, bo to niskie częstotliwości wymagają dłuższych anten, prawda? A mamy tutaj do czynienia z malutkim urządzeniem. Czy decyzja projektowa była tutaj podyktowana oszczędnością zasobów? Jak sądzisz?
Trafiasz w samo sedno! To świetne i bardzo inżynierskie spostrzeżenie fizyczne.
Masz absolutną rację co do podstaw fizyki radiowej: im niższa częstotliwość (czyli dłuższa fala), tym dłuższa fizycznie antena jest potrzebna do optymalnego rezonansu. Dla 2.4 GHz długość fali to około 12.5 cm, więc idealna "prosta" antena powinna mieć wymiar ułamka takich wielkości (np. ćwierć fali, czyli ok. 3.1 cm). Dla 5 GHz długość fali jest o połowę mniejsza (ok. 6 cm), z czego wynika, że stworzenie anteny pod 5 GHz na tak małej i ciasnej laminowanej płytce jak Raspberry Pi Zero było by wręcz prostsze i zajmowało mniej miejsca ("warczy" o ułamek rzędu np. 1.5 cm) z punktu widzenia projektowego!
Dlaczego więc Fundacja Raspberry Pi postawiła wyłącznie na ten "trudniejszy gabarytowo", przestarzały i zatłoczony w eterze wariant 2.4 GHz?
Była to czysta decyzja budżetowo-technologiczna (BOM - Bill of Materials):
Koszt układu SoC (Silicon): W pierwszym Raspberry Pi Zero W wykorzystano sprawdzony i – co najważniejsze – bardzo tani do kupienia w hurtowych ilościach układ radiowy Cypress CYW43438. Ten konkretny krzemowy czip fizycznie po prostu nie posiada na swoim pokładzie obsługi odbierania i wzmacniania pasma 5 GHz. Żeby mieć 5 GHz, RP Foundation musiałaby użyć "dwuzakresowego" chipu (np. z serii Broadcoma), który byłby odczuwalnie droższy w zakupie i wymagał licencji dual-band. Biorąc pod uwagę, że ideą RPi Zero W było bycie "komputerem za ułamek ceny normalnego RPi", zaoszczędzili w ten sposób kilka dolarów na każdej sztuce.
Pobór prądu: Fale wyższej częstotliwości słabiej radzą sobie z przenikaniem przez ściany i obiekty, w związku z czym transmiter w SoC zmuszony jest zazwyczaj przepychać przez antenę znacznie większą moc (Waty), aby utrzymać taki sam zasięg rzędu kilku metrów jaki na 2.4 GHz utrzymujemy mniejszym napięciem. Malinka Zero została zrobiona do operowania "na oparach prądu" (np. z powerbanków czy z portu USB). Wyłączając wsparcie 5 GHz, inżynierowie brutalnie ucięli apetyt układu na prąd.
Projekt Anteny "Cavity Resonance": O ile fizyczna długość to jedno, to w RPi Zero wdrożono absolutnie fantastyczny, szwedzki patent na antenę wnękową zintegrowaną w laminat (autorstwa ProAnt). Polegało to na wycięciu na wylot rogu samego zielonego laminatu (PCB), obudowaniu szczeliny masą, oraz puszczeniu cewki dopasowującej wewnątrz uwięzionej "wnęki powietrznej", zmuszając całą bryłę małego komputera i przylegającej płytki do wibrowania sygnałem 2.4 GHz na rezonansie. Zaprojektowanie i strojenie tego cuda tylko z myślą o paśmie 5GHz nie dostarczyłoby Malinie korzyści – bo zazwyczaj układy IoT nie pobierają 200 Mbps (5 GHz) ani nie streamują Netflixa w 4K. Zwykle "wypluwają" JSONy (2.4 GHz z limitami 30-50 Mbps wystarcza by wysłać logi do chmury w mgnieniu oka).