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54 - ELETTRONICA OGGI 474 - NOVEMBRE/DICEMBRE 2018 La scelta del protocollo wireless e del SoC più adatti per una particolare applicazione IoT dipende da parec- chi elementi che saranno analizzati nel corso di questo articolo: i più importanti sono la distanza di trasmis- sione (range), i consumi e la velocità di trasferimento dati. Anche se quest’ultimo parametro è determinato in larga misura dal protocollo, e i SoC wireless devono essere progettati in modo tale da soddisfare i vincoli imposti dai vari standard, i produttori di questi dispo- sitivi hanno un ampio margine di manovra rispetto ai tre elementi appena sopra delineati e possono indivi- duare i giusti compromessi per realizzare componenti in grado di soddisfare nel modo più efficiente possibile le esigenze di questo mercato emergente. I protocolli wireless rientrano in tre categorie principali: protocolli personali (Personal Area Network), locali (Local Area Network) e geografici (Wide Area Network). La parola “Area” in questo contesto, si riferisce alla distanza fisi- ca tra almeno due nodi della rete, che rappresenta il numero minimo necessario per formare una rete. Nella tabella 1 è riportato un confronto tra i più diffusi proto- colli per reti PAN usati in applicazioni IoT in termini di velocità di trasferimento dati, distanza di trasmissione e consumi. La distanza di trasmissione è importante non solo perché definisce la massima distanza fisica tra due endpoint; in funzione del protocollo, essa può esse- re correlata alla potenza necessaria per coprire tale distanza. Il livello fisico, o PHY, del SoC wireless deve essere in grado di gestire una potenza sufficiente per coprire la distanza definita dallo standard e l’efficien- za del PHY determinerà parzialmente i requisiti di po- tenza complessivi del SoC. Ciò può avere significative implicazioni sulla progettazione dell’endpoint in quan- to quest’ultimo dovrà, per esempio, funzionare per parecchi anni alimentato solamente da una batteria primaria. Esiste anche una limitazione di natura fisica relativamente alla potenza dell’amplificatore presente nel SoC che dipende dal nodo di processo utilizzato. I SoC wireless sono progettati in modo da garantire il migliore link budget (bilancio di collegamento) in fun- zione della potenza disponibile: una parte sarà deter- minata dalla sensibilità del ricevitore che a sua volta sarà definita sulla base del livello di efficienza con cui è stata progettata e realizzata la sezione RF del SoC. Il “mix” tra radiofrequenza e funzionalità analogiche e digitali CMOS non è mai stata un’operazione semplice e spesso richiede l’adozione dei compromessi menzio- nati in precedenza, come la riduzione della potenza di trasmissione totale, la limitazione della sensibilità del ricevitore o la diminuzione della quantità di trasmis- sioni effettuate ogni ora/giorno/settimane. Topologia di rete in funzione del range Mentre le tecnologie wireless per reti di tipo personale (Personal Area) sono caratterizzate da un range dell’or- dine delle decine di metri, le loro topologie di rete si sono evolute al fine di ovviare alle limitazioni causate dal ridot- to raggio di azione: la maggior parte delle reti PAN ora utilizza una topologia di rete a maglia (mesh) che con- sente agli endpoint di operare come tappa intermedia (waypoint) per trasferire i messaggi da una parte all’altra della rete. In pratica ciò significa che una rete PAN non è più limitata dalla più lunga distanza che intercorre tra due endpoint o, quindi, dalla prossimità locale. Tuttavia, ciò significa anche che se un messaggio deve viaggiare su distanze dell’ordine delle decine di chilometri, è ri- chiesta la presenza di endpoint a intervalli di pochi metri gli uni dagli altri e il messaggio deve “saltare” (hop) su parecchi nodi. Di conseguenza è necessario valutare la Tabella 1 – Confronto tra i più diffusi protocolli wireless per reti PAN (Personal Area Network) Protocollo Data Rate Range approssimativo Potenza relativa Bluetooth Classic Da 1 a 3 Mbps Da 10 a 100 metri Bassa BLE (V4.2) 1 Mbps da 10 a 100 metri Da bassa a molto bassa BLE 2M (V5) 2 Mbps <50 metri Da bassa a molto bassa BLE Long Range (V5) 120 to 500 kpbs da 40 a 400 metri Da bassa a molto bassa ZigBee 868/915MHz Fino a 250 kbps Fino a 200 metri Da bassa a molto bassa ZigBee 2.4 GHz 250 kbps Da 10 a 100 metri Da bassa a molto bassa Z-Wave Fino a 100 kbps Fino a 100 metri Da bassa a molto bassa 6LowPAN 250 kbps Da 10 a 100 metri Da bassa a molto bassa WirelessHART 250 kbps Da 10 a 100 metri Da bassa a molto bassa RFID (Attivo) 100 kpbs Fino a 100 metri Molto bassa NFC Fino a 424 kbps Fino a 20 cm Molto bassa COMM WIRELESS SOCS