I parametri chiave per la scelta della tecnologia wireless più adatta: spettro di frequenza, distanza di comunicazione e topologia di rete (prima parte)

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Il gran numero di standard e protocolli wireless esistenti può rendere difficoltosa la scelta della tecnologia più idonea da utilizzare per una specifica applicazione. In questo articolo verranno esaminati i principali criteri da prendere in considerazione e descritte le quattro opzioni attualmente più diffuse: la tecnologia Wi-Fi^®, il protocollo Bluetooth^® Low Energy, i  protocolli RF proprietari e il protocollo Green Power™ di Connectivity Standards Alliance^®.

Nella scelta della tecnologia wireless vi sono molti elementi da prendere in considerazione. Tali elementi sono spesso interdipendenti tra di loro in quanto è necessario tener conto di parecchi compromessi. Fortunatamente, poiché la maggior parte delle tecnologie sono basate su standard e progettate per particolari applicazioni ed eco-sistemi, molti di questi compromessi sono già stati ottimizzati per particolari casi d’uso e per garantire l’interoperabilità.

Viceversa, nel caso di un protocollo proprietario, il principale vantaggio è la possibilità di ottimizzare ulteriormente il protocollo wireless poiché non è richiesta l’interoperabilità con un ecosistema esterno. Il sovraccarico (overhead) del protocollo e il tempo di trasmissione possono essere minimizzati in base ai requisiti specifici dell’applicazione. Un protocollo proprietario assicura la massima flessibilità e di solito rappresenta la soluzione caratterizzata dal più basso costo e dai minori consumi.

Di seguito saranno analizzati vari elementi da prendere in considerazione e le relative interdipendenze.

Spettro di frequenza

Le tecnologie Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) e Zigbee^® (IEEE 802.15.4) utilizzano lo spettro non coperto da licenze nella banda a 2,4 GHz. Si tratta di una banda libera in tutto il mondo che, grazie anche alla proliferazione dei telefoni cellulari che integrano Wi-Fi e Bluetooth LE, si è imposta come banda standard utilizzata su scala globale.

Oltre a quella a 2,4 GHz, il Wi-Fi di nuova generazione utilizza anche la banda a 5 GHz, che viene sfruttata sia per alleviare la congestione della banda a 2,4 GHz sia per fornire un’ampiezza di banda maggiore. Negli Stati Uniti, FCC ha di recente reso disponibile un’altra banda alla frequenza di 6 GHz in modo da garantire un’ampiezza di banda ancora maggiore. Altre regioni del globo stanno seguendo la medesima strada ed è verosimile che la banda a 6 GHz si affermerà come uno standard su scala mondiale. Le caratteristiche riassunte nella tabella 1 consentono un confronto diretto tra le diverse tecnologie.

Tab. 1 – Le principali caratteristiche delle più importanti tecnologie wireless

A frequenze inferiori al GHz (Sub-GHz) esistono parecchie bande non coperte da licenze a livello regionale ma, sfortunatamente, non vi è una frequenza standard disponibile su scala globale. Le frequenze più comuni, come riportato in figura 1,  sono 433 MHz (in numerosi Paesi), 915 MHz (Negli Stati Uniti) e 868 MHz (in Europa). Di conseguenza, i fornitori di soluzioni devono avere codici SKU separati in base alle varie regioni di utilizzo. Questo è sostanzialmente il principale svantaggio dei protocolli Sub-GHz. In ogni caso, molti produttori di chip radio come onsemi^® utilizzano un progetto hardware comune che prevede leggere variazioni della BOM in funzione delle varie regioni di destinazione per cui spesso le differenze sono veramente minime.

A questo punto val la pena sottolineare che la tecnologia Zigbee supporta il funzionamento nelle bande Sub-GHz, anche se la banda più utilizzata attualmente è quella a 2,4 GHz. L’eccezione principale è rappresentata dalla Gran Bretagna, dove Zigbee operante a frequenze Sub-GHz è usato nelle applicazioni di smart metering (contatori “intelligenti” di utenze energetiche).

Fig. 1 – Spettro di frequenze su scala globale non coperto da licenze

Anche l’utilizzo dello spettro coperto da licenza è comune, anche se è normalmente riservato a installazioni critiche o su larga scala, come a esempio reti di satelliti e reti di contatori “intelligenti”. Anche i servizi di emergenza commerciali fanno uso di bande coperte da licenze. L’affidabilità e la protezione contro le interferenze sono i due principali fattori alla base della scelta di utilizzare lo spettro licenziato. Anche i telefoni cellulari utilizzano lo spettro coperto da licenze per la medesima ragione.

Distanza di comunicazione

Si tratta di un argomento complesso che dipende da numerosi parametri e proprietà fisiche che esulano dagli scopi di questo articolo. Quindi, senza entrare in troppi dettagli, la distanza di comunicazione (range) dipende essenzialmente dai seguenti parametri:

• Proprietà fisiche di trasmissione dell’ambiente (canale di comunicazione)
• Potenza di uscita del nodo di trasmissione
• Capacità del ricevitore di captare segnali estremamente piccoli in relazione al suo rumore di fondo (in altre parole la sensibilità)
• Esistenza di segnali di interferenza e capacità del ricevitore di ricevere il segnale bloccato
• Direttività dell’antenna
• La tecnologia del protocollo

Per quanto concerne Wi-Fi, Bluetooth LE e Zigbee/802.15.4, le proprietà fisiche del loro protocollo sono già ottimizzate per i casi d’uso previsti. In ogni caso, la potenza di trasmissione, i parametri ambientali e la loro influenza sul segnale wireless, i parametri dell’antenna, la sensibilità del ricevitore e la sua capacità di resistere alle interferenze sono tutti aspetti di competenza del progettista di sistema.

La distanza di comunicazione è inversamente proporzionale alla banda di frequenza. In questo caso si può applicare la seguente regola empirica: quando la frequenza raddoppia la distanza si dimezza. L’incremento della potenza di uscita può contribuire ad aumentare la distanza ma si tratta di un approccio che alla fine risulta poco pratico, in quanto esiste un limite oltre il quale una potenza in uscita maggiore non porta ad alcun risultato tangibile.

Un altro parametro che limita la distanza di comunicazione è la velocità di trasmissione dati (data rate). Nel momento in cui si tende a inviare dati a velocità via via crescenti, la ricezione di tali dati risulterà sempre più difficile. Un semplice esempio chiarirà questo concetto. Si pensi a una persona che deve dire qualcosa a qualcuno parlando velocemente. Se la persona che ascolta non riesce a comprendere, il fatto di parlare a voce più alta non migliora di certo la situazione. Questa è la premessa alla base della teoria dell’informazione nel campo delle comunicazioni.

Nel momento in cui aumentano frequenze e velocità di trasferimento dati, i protocolli devono implementare una particolare tecnologia nota sotto l’acronimo di MIMO (Multiple Input, Multiple Output). In sintesi, si tratta semplicemente di suddividere l’informazione in messaggi paralleli consentendo in tal modo il trasferimento di più informazioni nell’unità di tempo. In altre parole, tramite l’invio di flussi di dati in parallelo è possibile trasmettere più dati contemporaneamente, incrementando così la velocità di trasferimento dati senza ridurre il range.

L’ordine del MIMO rappresenta il numero dei canali paralleli. Per esempio la notazione 4×4 MIMO significa che vi sono 4 ricevitori e 4 trasmettitori. Questo compromesso tra velocità di trasferimento dati e distanza è una delle principali ragioni per la quale l’implementazione della tecnologia 5G richiede un numero molto maggiore di torri. Le velocità consentite dal 5G sono nettamente superiori rispetto a quelle del 4G ed è richiesto un gran numero di stazioni base che supportano la tecnologia MIMO per completare la rete e garantire il livello di prestazioni richiesto.

Le specifiche di un protocollo proprietario sono limitate dai vincoli normativi stabiliti dai vari Governi regionali che impongono restrizioni legali relativamente alla banda di interesse. Nell’Unione Europea, a esempio, nella banda a 868 MHz la potenza di uscita è limitata a +14 dBm. Sono numerosi i parametri del protocollo che è possibile regolare tra cui:

• Lunghezza del preambolo e delle sequenze di addestramento utilizzate per istruire il ricevitore ad agganciare il segnale in ingresso
• Carichi utili (payload) del protocollo e dei dati
• Tipo di modulazione utilizzato ype of modulation used
• Ampiezza di banda e velocità di trasferimento dati
• Codifica e correzione degli errori

Anche se questo elenco non è completo, individua alcuni dei parametri che è necessario tenere in considerazione nello sviluppo di un protocollo proprietario. Poichè su di essi è possibile eseguire regolazioni molto preciso, un protocollo di tipo proprietario rappresenta la miglior soluzione per minimizzare i consumi di potenza in quanto tutti i parametri possono essere ottimizzati.

Topologia di rete

Un’annosa questione fonte di discussioni tra i progettista è quella di ricorrere o meno a una rete a maglia (mesh). Per quanto riguarda le reti a maglia vi sono innegabili realtà che devono essere prese in considerazione prima di decidere. Al momento verranno esaminate Bluetooth LE e Zigbee, due tecnologie che supportano le reti mesh (Fig. 2)

Per definizione, Bluetooth LE è una rete di tipo punto-punto di tipo short-range (quindi da utilizzare su brevi distanze) e questa è appunto la modalità di utilizzo più comune. Negli ultimi anni, tuttavia, Bluetooth SIG ha definito un protocollo per reti mesh che si sta affermando nel settore dell’illuminazione “intelligente”. La sua diffusione è in parte ascrivibile ai vantaggi legati alla possibilità di comunicare direttamente con un telefono cellulare e la maggior parte dei gateway.

Fig. 2 – Topologia di una rete Bluetooth LE di tipo mesh

In ogni caso è utile sottolineare che si dovrebbe ricorrere alle reti mesh nei casi in cui i vantaggi derivati dal loro utilizzo siano richiesti dalla particolare applicazione considerata. In una fabbrica o in ambito industriale, una rete a maglia risulta particolarmente utile in quanto più nodi sono connessi gli uni agli altri e ciò contribuisce da un lato ad aumentare l’affidabilità e dall’altro assicura l’assenza di un unico punto di guasto (point of failure), tutte caratteristiche particolarmente apprezzate in applicazioni di questo tipo. A fronte di questi innegabili vantaggi, vi sono anche svantaggi legati al consumo di potenza poiché i nodi router (RN – Router Node) devono essere sempre alimentati. Un altro svantaggio è la latenza. Poiché i messaggi passano attraverso più nodi, talvolta indicati come nodi intermedi (hop), la latenza può aumentare. In un’applicazione che richiede dati in real-time, ciò potrebbe rappresentare un problema.

Un altro vantaggio che a prima vista potrebbe non risultare così ovvio è il fatto che una connessione a maglia permette di incrementare il range di una rete. Poichè la distanza non è più vincolata da una connessione P2P (Point-to-Point), una rete può essere ampliata e coprire distanze superiori a quelle di una connessione P2P. In questo caso, oltre al problema della latenza, c’è da considerare la maggiore complessità del software di ciascun nodo router e la necessità di utilizzare memorie di maggiori dimensioni per archiviare non solo lo stack ma anche la tabella di istradamento della rete (routing table), con conseguente incremento dei costi.

Quando possibile, una rete a stella (punto-multipunto) è solitamente l’alternativa più economica. Una rete a stella che opera a frequenze Sub-GHz è caratterizzata da un range maggiore e può spesso rappresentare una soluzione più vantaggiosa in termini di costi rispetto a una rete a maglia che utilizza un protocollo “short-range”. Lo svantaggio è rappresentato da una minore robustezza in quanto esiste un solo percorso di instradamento tra un nodo terminale e un coordinatore.

Tornando a considerare la tecnologia Wi-Fi, questa si distingue per alcune peculiarità: essa è caratterizzata da elevata velocità e una buona distanza di comunicazione, ma è tradizionalmente di una rete a stella (P2P). Il range più elevato è dovuto in parte al fatto che la potenza di trasmissione delle reti Wi-Fi si aggira intorno a +30 dBm (1 Watt). Una radio Bluetooth LE o Zigbee trasmette con potenze comprese tra 0 e +8 dBm: a volte è possibile raggiungere i +20 dBm, anche se si tratta di casi abbastanza rari eccezion fatta per i gateway.

In assenza della funzionalità mesh, il raggio d’azione delle tecnologie Bluetooth LE e Zigbee è limitato a circa 10 e 100 metri rispettivamente.

Vale anche la pena sottolineare che con l’aggiunta delle bande a 5 e a 6 GHz la distanza di comunicazione della tecnologia Wi-Fi si è ridotta. Per affrontare questo problema e continuare a garantire un’elevata qualità del servizio (QoS), la tecnologia Wi-Fi ora supporta reti mesh. Il programma di certificazione per reti mesh Wi-Fi, denominato EasyMesh™, garantisce che i nodi Wi-Fi e i controllori di differenti produttori possano interagire e coordinarsi per assicurare una copertura uniforme ed efficace.

Considerazioni conclusive

In questo articolo sono state evidenziati alcuni elementi che i progettisti devono prendono in considerazione nello sviluppo di un sistema wireless tra cui spettro di frequenza, distanza di comunicazione, topologia di rete e compromessi in termini di prestazioni. Come accade nellla maggior parte dei sistemi, tali compromessi sono spesso interdipendenti.

Nella seconda parte di questa serie di articoli saranno esaminati altri elementi, tra cui consumi di potenza, coesistenza e sicurezza, che è necessario prendere in considerazione quando si deve scegliere la tecnologia wireless più idonea per un determinato progetto.

Dan Clement, Senior Principal Solutions Marketing Engineer (onsemi)

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