Confronto tra tecnologie wireless a bassa potenza (Parte 1)

Nota del redattore: La Parte 1 di questa serie in tre parti illustrerà le principali opzioni wireless a bassa potenza a disposizione dei progettisti. La Parte 2 si occuperà dei concetti progettuali di base di ciascuna tecnologia come disponibilità dei chip, stack di protocollo, software applicativo, strumenti di progettazione, requisiti dell'antenna e consumo energetico/durata della batteria. La Parte 3 prenderà in esame gli sviluppi attuali e futuri studiati per affrontare le sfide di IoT per ogni tecnologia. Includerà anche un'introduzione ad alcune delle interfacce e dei protocolli più recenti, come ad esempio Wi-Fi HaLow e Thread.

I recenti sviluppi si sono concentrati in larga misura sulla connettività per l'Internet delle cose (IoT), in cui i sensori raccolgono e comunicano segnali e dati. Gli esempi di prodotti finali sono molteplici, dagli smartphone ai dispositivi indossabili per la salute e il fitness (Figura 1) alla domotica, fino ai contatori intelligenti e al controllo industriale. Tutti hanno vincoli di progettazione che includono un consumo energetico estremamente basso, costi contenuti e dimensioni fisiche ridotte.

In questo articolo verranno discusse e messe a confronto le principali opzioni wireless a bassa potenza. Verranno inoltre presi in esame i principi fondamentali di ogni tecnologia e le caratteristiche operative chiave, come banda di frequenza, supporto della topologia di rete, throughput, portata e coesistenza. Verranno citate anche alcune soluzioni a titolo di esempio.

Figura 1: Quello dei dispositivi indossabili è un settore di mercato fondamentale per le tecnologie wireless a bassa potenza. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Compromessi per il basso consumo

Gli ingegneri ora hanno molte scelte quando si tratta di tecnologie wireless a bassa potenza, tra cui quelle basate su RF come Bluetooth Low Energy, ANT, ZigBee, RF4CE, NFC, Nike+ e Wi-Fi, oltre alle opzioni a infrarossi sostenute dalla Infrared Data Association (IrDA).

Ma questo ampio ventaglio rende più difficile la selezione. Ogni tecnologia scende a compromessi tra consumo energetico, larghezza di banda e portata. Alcune sono basate su standard aperti mentre altre rimangono proprietarie. A complicare ulteriormente le cose, per soddisfare le esigenze di IoT continuano a emergere nuove interfacce e protocolli wireless. Una di queste è Bluetooth Low Energy.

Introduzione a Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy è nata come progetto chiamato Wibree nel centro ricerche di Nokia. Nel 2007, la tecnologia è stata adottata dal Bluetooth Special Interest Group (SIG) che, quando nel 2010 ne ha lanciato la versione 4.0 (v4.0), l'ha presentata come una versione di Bluetooth a consumo energetico ultrabasso.

La tecnologia ha esteso l'ecosistema Bluetooth ad applicazioni con autonomia della batteria ridotta, come i dispositivi indossabili. Grazie a una corrente media dell'ordine dei microampere nelle applicazioni target, affianca la tecnologia Bluetooth classica applicata a smartphone, cuffie audio e desktop wireless.

La tecnologia opera nella banda ISM (Industrial, Scientific, and Medical) a 2,4 GHz ed è idonea per la trasmissione di dati da sensori wireless compatti o altre periferiche, dove è possibile utilizzare una comunicazione totalmente asincrona. Tali dispositivi inviano occasionalmente bassi volumi di dati (vale a dire pochi byte). Il loro ciclo di lavoro tende a estendersi da poche volte al secondo a una volta al minuto o più.

A partire da Bluetooth v4.0, la Bluetooth Core Specification definisce due tipi di chip: un chip Bluetooth Low Energy e un chip Bluetooth con uno stack modificato e lo strato fisico (PHY) con velocità di base (BR, Basic Rate) / velocità dati potenziata (EDR, Enhanced Data Rate) delle versioni precedenti combinato con uno PHY Low Energy (LE) ("BR/EDR + LE") in modo da risultare interoperabile con i chip di tutte le versioni e le varianti dello standard. I chip Bluetooth Low Energy sono interoperabili fra loro e con i chip Bluetooth conformi agli standard Bluetooth v4.0 o successivi.

In molte applicazioni di consumo, un chip Bluetooth Low Energy opera congiuntamente a un chip Bluetooth, ma grazie ai miglioramenti dello standard introdotti nelle versioni 4.1, 4.2 e 5, i chip Bluetooth Low Energy vengono impiegati in misura crescente come dispositivi autonomi.

La recente introduzione della specifica Bluetooth 5 ha aumentato la velocità dei dati grezzi di Bluetooth Low Energy da 1 a 2 Mbit/s e migliorato il raggio di copertura anche di 4 volte rispetto alla versione precedente. Tenere presente che non è possibile raggiungere contemporaneamente throughput e raggio massimi. È qui che troviamo un classico esempio di compromesso. Bluetooth SIG di recente ha adottato anche Bluetooth Mesh 1.0, che consente di configurare la tecnologia in una topologia di rete a maglie. L'argomento verrà trattato più dettagliatamente nella Parte 3 di questa serie.

Per una panoramica completa di Bluetooth Low Energy, vedere "SoC e strumenti Bluetooth Low Energy compatibili con Bluetooth® 4.1, 4.2 e 5 pronti ad affrontare le sfide IoT (Parte 1)".

Cos'è ANT?

ANT è paragonabile a Bluetooth Low Energy, essendo un protocollo wireless a bassissimo consumo che opera nella banda ISM dei 2,4 GHz. Come Bluetooth Low Energy, è progettato per sensori alimentati da batterie a bottone della durata di mesi o anni. Il protocollo è stato rilasciato nel 2004 da Dynastream Innovations, una società canadese che ora fa parte di Garmin. Dynastream Innovations non produce chip, ma i progettisti possono ottenere il firmware su transceiver a 2,4 GHz da società come Nordic Semiconductor, con SoC nRF51422 e Texas Instruments (TI). Offre però anche una gamma completa di moduli RF pienamente testati e verificati che eseguono il protocollo ANT. Tali moduli richiedono pochi sforzi di integrazione nel progetto e hanno già superato la certificazione normativa.

Sebbene ANT sia un protocollo RF proprietario, l'interoperabilità è incoraggiata attraverso la rete gestita tramite ANT+. ANT+ facilita l'interoperabilità tra i dispositivi dei membri di ANT+ Alliance e la raccolta, il trasferimento automatico e il controllo dei dati dei sensori. L'interoperabilità è assicurata dai profili dei dispositivi: qualsiasi dispositivo ANT+ che implementa uno specifico profilo è interoperabile con qualsiasi altro dispositivo ANT+ che ha lo stesso profilo. I nuovi prodotti devono superare un test di certificazione ANT+ per l'interoperabilità. La certificazione è gestita dalla ANT+ Alliance.

ANT e ANT+ in origine erano destinati al segmento sport e fitness, ma recentemente il prodotto è stato utilizzato per applicazioni nei settori della domotica e dell'automazione industriale. Il protocollo viene sottoposto a sviluppo continuo e l'annuncio più recente riguarda il rilascio di ANT BLAZE, una tecnologia di rete per aziende mirata ad applicazioni IoT con un numero elevato di nodi. (Vedere la Parte 3.)

E ZigBee?

ZigBee è una specifica wireless a bassa potenza energetica che utilizza un PHY e un MAC (Media Access Control) basato su IEEE 802.15.4. Oltre a ciò, esegue un protocollo controllato dalla ZigBee Alliance. La tecnologia è stata progettata per la connettività di rete a maglie (cosa che le ha dato un vantaggio su alcune tecnologie concorrenti) nei settori dell'automazione industriale e della domotica.

ZigBee opera nella banda ISM a 2,4 GHz, come pure a 784 MHz in Cina, 868 MHz in Europa e 915 MHz negli Stati Uniti e in Australia. La velocità dei dati varia da 20 kbit/s (banda 868 MHz) a 250 kbit/s (banda 2,4 GHz). ZigBee utilizza 16 canali a 2 MHz separati da 5 MHz quindi, a causa delle allocazioni non utilizzate, lo spettro non viene sfruttato in modo perfettamente efficiente.

ZigBee PRO, rilasciata nel 2007, fornisce funzionalità aggiuntive necessarie per implementazioni robuste, inclusa una sicurezza avanzata. La ZigBee Alliance ha appena annunciato la disponibilità di ZigBee PRO 2017, una rete a maglie in grado di operare simultaneamente nelle bande di frequenza ISM a 2,4 GHz e 800-900 MHz. (Per approfondimenti, vedere la Parte 3 di questa serie.)

RF4CE soddisfa tutte le esigenze?

Radio Frequency for Consumer Electronics (RF4CE) è basata su ZigBee, ma con un protocollo personalizzato per i requisiti di controllo remoto RF. RF4CE è stata standardizzata nel 2009 da quattro società di elettronica consumer: Sony, Philips, Panasonic e Samsung. La tecnologia è supportata da diversi fornitori di chip inclusi Microchip, Silicon Labs e Texas Instruments. RF4CE è stata pensata come sistema di controllo remoto dei dispositivi, ad esempio per set-top box televisivi. Utilizza la RF per superare l'interoperabilità, la linea visuale libera e gli inconvenienti delle funzionalità limitate del controllo remoto a infrarossi (IR).

Di recente RF4CE ha subito una forte concorrenza sia da parte di Bluetooth Low Energy che di ZigBee per le applicazioni di controllo remoto.

E Wi-Fi come se la cava?

Wi-Fi, basato su IEEE 802.11, è una tecnologia wireless molto efficiente; tuttavia, è ottimizzata per trasferimenti di dati di grandi dimensioni con un throughput ad alta velocità, non per un basso consumo energetico. Quindi non è adatta per il funzionamento a bassa potenza (batterie a bottone). Negli ultimi anni sono stati apportati miglioramenti per ridurre il consumo energetico, compresi emendamenti come lo Standard IEEE 802.11v (che specifica la configurazione dei dispositivi client connessi a reti wireless).

IEEE 802.11ah (Wi-Fi "HaLow"), pubblicato nel 2017, opera nella banda ISM a 90 MHz e beneficia di un minore consumo energetico e di un raggio d'azione esteso rispetto alle versioni Wi-Fi attive nelle bande a 2,4 e 5 GHz. (Vedere la Parte 3.)

Nike+ è un'opzione?

Nike+ è una tecnologia wireless proprietaria sviluppata dal produttore di abbigliamento sportivo Nike e mirata al mercato del fitness. È progettata principalmente per collegare una "pedaliera" Nike che integra un chip radio a 2,4 GHz con dispositivi mobili Apple che analizzano e presentano i dati raccolti. Anche se è ancora diffusa tra un gruppo di appassionati di fitness, l'hardware è in declino perché la nuova generazione di smartphone incorpora la stessa tecnologia. Nike ha abbandonato il suo prodotto di fascia fitness wireless per concentrarsi sulle app software per smartphone.

La tecnologia wireless proprietaria su cui era basato il sistema Nike+ è ancora in uso per prodotti come mouse e tastiere wireless. Se l'interoperabilità non è un requisito, una tecnologia simile, come nRF24LE1 di Nordic Semiconductor, offre prestazioni paragonabili ad esempio a tecnologie come Bluetooth Low Energy senza l'obbligo di rispettare gli standard.

IrDA non risolve già i problemi di comunicazioni a corto raggio?

La Infrared Data Association (IrDA) comprende circa 50 società e ha rilasciato diversi protocolli di comunicazione IR con il nome IrDA. IrDA non è una tecnologia basata su RF, utilizza piuttosto impulsi modulati di luce IR per trasferire informazioni. I vantaggi chiave della tecnologia sono la sicurezza integrata in quanto non opera in radiofrequenza, un tasso di errore bit (BER) molto basso (miglioramento dell'efficienza), nessun requisito per la certificazione di conformità normativa e basso costo. La tecnologia è disponibile anche in una versione ad alta velocità, che raggiunge velocità di trasferimento di 1 Gb/s.

Lo svantaggio della tecnologia IR è il raggio limitato (specialmente per la versione ad alta velocità), il suo requisito di "linea visuale libera" e la mancanza di comunicazioni bidirezionali nelle implementazioni standard. IrDA non è inoltre particolarmente efficiente in termini di potenza (potenza consumata per bit) rispetto alle tecnologie radio. Per applicazioni di controllo remoto di base in cui il costo rappresenta un parametro chiave di progettazione, IrDA mantiene la quota di mercato, ma quando sono richieste funzionalità di controllo avanzate, come quelle necessarie per le smart TV, i progettisti specificano più spesso Bluetooth Low Energy e RF4CE.

Dove si colloca NFC?

Near Field Communication (NFC) opera nella banda ISM a 13,56 MHz. A questa bassa frequenza, le antenne loop di trasmissione e di ricezione funzionano fondamentalmente come gli avvolgimenti primari e secondari di un trasformatore. Il trasferimento dei dati avviene tramite il campo magnetico piuttosto che il campo elettrico di accompagnamento perché quest'ultimo è meno dominante sulle brevi distanze. NFC trasferisce i dati a velocità fino a 424 kbit/s. Come suggerisce il nome, è progettato per comunicazioni a raggio molto corto che operano entro una distanza massima di 10 cm. Questa limitazione impedisce la concorrenza diretta con Bluetooth Low Energy, ZigBee, Wi-Fi e tecnologie simili. Produttori come NXP USA offrono chip come il transceiver NFC CLRC66303.

Un vantaggio importante dei dispositivi "NFC passivi" (come ad esempio le carte di pagamento) è che non devono essere alimentati, attivandosi solo quando si trovano entro il raggio ravvicinato di un dispositivo NFC alimentato. NFC ha trovato ampia accettazione per le tecnologie di pagamento senza contatto e come metodo di accoppiamento per altre tecnologie wireless come dispositivi Bluetooth Low Energy senza il pericolo di attacchi informatici MITM (Man-in-the-Middle) alla sicurezza. È probabile che NFC conquisterà una buona quota di mercato come tecnologia per applicazioni di nicchia, a complemento delle altre tecnologie wireless discusse qui.

Topologie di rete

Le tecnologie wireless a bassa potenza supportano fino a cinque topologie di rete principali:

Broadcast: un messaggio viene inviato da un trasmettitore a qualsiasi ricevitore entro il raggio d'azione. Il canale è unidirezionale e senza la conferma di ricezione del messaggio.

Peer-to-peer: due transceiver sono collegati su un canale bidirezionale per cui la ricezione dei messaggi può essere confermata e i dati possono essere trasferiti in entrambe le direzioni.

Stella: un transceiver centrale comunica attraverso canali bidirezionali con diversi transceiver periferici. I transceiver periferici non possono comunicare direttamente tra loro.

Scansione: un dispositivo di scansione centrale rimane in modalità di ricezione, in attesa di ricevere un segnale da qualsiasi dispositivo di trasmissione entro il raggio d'azione. La comunicazione è unidirezionale.

A maglie: un messaggio può essere inoltrato da un punto in una rete a qualsiasi altro saltando attraverso canali bidirezionali che connettono più nodi (in genere utilizzando i servizi dei nodi con funzionalità aggiuntive come hub e relè).

Le Figure 2a, b, c, d ed e illustrano le topologie di rete e la Tabella 1 riepiloga quali topologie sono supportate da ciascuna delle tecnologie wireless discusse sopra.

Figura 2: Le tecnologie wireless a bassa potenza si sono evolute per supportare topologie di rete sempre più complesse. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

B (Bluetooth Low Energy), A (ANT), A+ (ANT+), Zi (ZigBee), RF (RF4CE),
Wi (Wi-Fi), Ni (Nike+), Ir (IrDA), NF (NFC)

1. Per i nodi che ascoltano i segnali di trasmissione deve essere attivata la modalità di ricezione continua.
2. Tutto il traffico di rete si interrompe e il consumo energetico è elevato.

Tabella 1: Supporto della topologia di rete con tecnologia wireless a bassa potenza. (Tabella per gentile concessione di DigiKey)

Prestazioni della tecnologia wireless a bassa potenza

Raggio d'azione

Comunemente si ritiene che il raggio d'azione di una tecnologia wireless sia proporzionale alla potenza del trasmettitore combinata con la sensibilità RF di un ricevitore misurata in decibel (il "bilancio di collegamento"). Una trasmissione più potente e una maggiore sensibilità aumentano il raggio grazie al miglioramento efficace del rapporto segnale/rumore (SNR). L'SNR dipende dalla capacità di un ricevitore di estrarre e decodificare correttamente un segnale dal rumore ambientale. A un valore SNR soglia, il BER supera la specifica radio e la comunicazione fallisce. Un ricevitore Bluetooth Low Energy, ad esempio, è progettato per tollerare un BER massimo di solo lo 0,1% circa.

La potenza massima nella banda ISM a 2,4 GHz senza licenza è limitata dagli enti di regolamentazione. Generalmente, le regole sono complesse, ma in sostanza stabiliscono che la potenza di picco di trasmissione, misurata all'ingresso dell'antenna di un sistema di salto di frequenza con frequenze di salto inferiori a 75 ma di almeno 15, deve essere limitata a un picco di +21 dBm, con una riduzione della potenza se il guadagno dell'antenna isotropica è superiore a 6 dBi. Ciò consente una potenza irradiata isotropica equivalente (EIRP) massima di +27 dBm.

Oltre a questo regolamento, le tecnologie wireless a bassa potenza includono restrizioni specifiche sulla potenza di trasmissione per massimizzare la durata della batteria. Gran parte dell'energia viene conservata limitando il tempo in cui la radio si trova in uno stato di trasmissione o ricezione ad alta potenza, ma i produttori di chip RF risparmiano energia anche limitando la potenza massima di trasmissione Bluetooth Low Energy a +4 dBm in genere, e occasionalmente a +8 dBm, ben al di sotto del limite di +21 dBm stabilito dai regolamenti.

Tuttavia, potenza di trasmissione e sensibilità non sono gli unici fattori che limitano il raggio d'azione dei dispositivi wireless. Contano anche l'ambiente operativo (ad esempio, la presenza di soffitti e pareti), la frequenza della portante RF, il layout di progettazione, la meccanica e gli schemi di codifica. In genere, il raggio indicato è quello per un ambiente "ideale", ma i dispositivi vengono spesso utilizzati in scenari tutt'altro che ideali. Ad esempio, i segnali a 2,4 GHz sono fortemente attenuati dal corpo umano, quindi un indossabile da polso potrebbe avere difficoltà a trasmettere a uno smartphone tenuto in una tasca posteriore, anche se si trovano a un solo un metro di distanza.

Questo elenco mostra i raggi tipici che possono essere previsti da tecnologie a bassissimo consumo in un ambiente senza ostacoli e senza interferenze da altre sorgenti RF o ottiche:

• NFC: 10 cm
• High-speed IrDA: 10 cm
• Nike+: 10 m
• ANT(+): 30 m
• Wi-Fi a 5 GHz: 50 m
• ZigBee/RF4CE: 100 m
• Bluetooth Low Energy: 100 m
• Wi-Fi a 2,4 GHz: 150 m
• Bluetooth Low Energy con Bluetooth 5 ha esteso il raggio: da 200 a 400 m (a seconda dello schema di codifica di rilevazione e correzione degli errori a valle (FEC))

Throughput

Le trasmissioni tramite tecnologie wireless a bassa potenza comprendono due parti: i bit che implementano il protocollo (ad esempio, ID pacchetto e lunghezza, canale e checksum, noti collettivamente come "overhead") e le informazioni che vengono comunicate (dette "payload"). Il rapporto payload/overhead + payload determina l'efficienza del protocollo (Figura 3).

Figura 3: I pacchetti usati nella tecnologia wireless a bassa potenza (Bluetooth Low Energy/Bluetooth 4.1 illustrati qui) comprendono overhead e payload. L'efficienza del protocollo è determinata dalla quantità di dati utili (payload) trasportati in ciascun pacchetto. (Immagine per gentile concessione di Bluetooth SIG)

La velocità dei dati "grezzi" (overhead + payload) dipende dal numero di bit trasferiti al secondo ed è spesso il valore riportato nel materiale di marketing. La velocità dati del payload sarà sempre inferiore. (La Parte 2 di questa serie di documenti esaminerà più approfonditamente l'efficienza di ciascun protocollo e il conseguente impatto sulla durata della batteria).

Le tecnologie wireless a bassa potenza in genere richiedono il trasferimento periodico di piccole quantità di informazioni dei sensori tra i nodi dei sensori e un dispositivo centrale, riducendo al minimo il consumo energetico, pertanto le larghezze di banda sono in linea di massima modeste.

Il seguente elenco confronta i dati grezzi e il throughput del payload per le tecnologie discusse in questo articolo. (Tenere presente che questi sono massimi teorici e che il throughput effettivo dipende dalla configurazione e dalle condizioni operative):

• Nike+: 2 Mbit/s, 272 bit/s (il throughput è limitato per progetto a un pacchetto/s)
• ANT+: 20 kbit/s (in modalità burst – vedere sotto), 10 kbit/s
• NFC: 424 kbit/s, 106 kbit/s
• ZigBee: 250 kbit/s (a 2,4 GHz), 200 kbit/s
• RF4CE (come per ZigBee)
• Bluetooth Low Energy: 1 Mbit/s, 305 kbit/s
• Hi-speed IrDA: dati grezzi 1 Gbit/s, payload 500 kbit/s
• Bluetooth Low Energy con Bluetooth 5 alto throughput: 2 Mbit/s, 1,4 Mbit/s
• Wi-Fi: 11 Mbit/s (modalità 802.11b minima potenza), 6 Mbit/s

Latenza

La latenza di un sistema wireless può essere definita come il tempo tra la trasmissione e la ricezione di un segnale. Anche se in genere si tratta di pochi millisecondi, per le applicazioni wireless è un dato importante. Ad esempio, una bassa latenza non è così importante per un'applicazione che esegue automaticamente il polling di un sensore per dati forse una volta al secondo, ma potrebbe diventare decisiva per un'applicazione consumer come un telecomando in cui un utente si aspetta un ritardo impercettibile tra la pressione di un pulsante e l'azione successiva.

Il seguente elenco confronta le latenze per le tecnologie discusse in questo articolo. (Tenere presente anche in questo caso che i valori dipendono dalla configurazione e dalle condizioni operative.)

• ANT: trascurabile
• Wi-Fi: 1,5 millisecondi (ms)
• Bluetooth Low Energy: 2,5 ms
• ZigBee: 20 ms
• IrDA: 25 ms
• NFC: polling in genere ogni secondo (ma può essere specificato dal produttore del prodotto)
• Nike+: 1 secondo

Tenere presente che le basse latenze indicate per ANT e Wi-Fi richiedono che il dispositivo ricevente sia continuamente in ascolto, con conseguente consumo rapido della batteria. Per le applicazioni con sensori a basso consumo, il consumo della batteria può essere migliorato aumentando il periodo di messaggistica ANT, al costo di una maggiore latenza.

Robustezza e coesistenza

Il trasferimento affidabile di pacchetti ha un'influenza diretta sulla durata della batteria e sull'esperienza dell'utente. In genere, se un pacchetto di dati non è recapitabile a causa di ambienti di trasmissione subottimali, interferenze accidentali da radio vicine o disturbi intenzionali della frequenza, un trasmettitore continuerà a provare finché il pacchetto non viene consegnato correttamente. Questo avviene a scapito della durata della batteria. Inoltre, se un sistema wireless è limitato a un singolo canale di trasmissione, la sua affidabilità si deteriorerà inevitabilmente in ambienti congestionati.

La capacità di una radio di operare in presenza di altre radio è descritta come coesistenza. Ciò è particolarmente interessante quando le radio funzionano nello stesso dispositivo, ad esempio Bluetooth Low Energy e Wi-Fi in uno smartphone, a breve distanza. Un approccio standard per raggiungere la coesistenza tra Bluetooth e Wi-Fi è quello di utilizzare uno schema di segnalazione fuori banda, costituito da una connessione cablata tra ciascun CI, coordinando quando ogni sistema è libero di trasmettere o ricevere. In questo articolo, la coesistenza passiva fa riferimento a un sistema di elusione delle interferenze e la coesistenza attiva si riferisce alla segnalazione da chip a chip.

Un metodo collaudato per agevolare la convivenza passiva è il channel hopping. Bluetooth Low Energy utilizza il metodo della divisione di spettro a salto di frequenza (FHSS), saltando in un pattern pseudo-casuale tra i suoi 37 canali di dati, per evitare le interferenze. Il cosiddetto salto di frequenza adattivo (AFH) di Bluetooth Low Energy consente a ciascun nodo di mappare canali spesso congestionati, che vengono quindi evitati nelle transazioni future. L'ultima versione della specifica (Bluetooth 5) ha introdotto un nuovo algoritmo di sequenziamento dei canali (CSA #2) per migliorare la pseudo casualità del sequenziamento del canale hop successivo, con conseguente incremento dell'immunità alle interferenze.

ANT supporta l'uso di più frequenze operative RF, ognuna delle quali ha una larghezza di 1 MHz. Una volta selezionata, tutte le comunicazioni vengono condotte su un'unica frequenza e il channel hopping si verifica solo in presenza di un deterioramento significativo sulla frequenza selezionata.

Per mitigare la congestione, ANT usa uno schema isocrono adattivo TDMA (accesso multiplo a divisione di tempo) per suddividere ogni banda di frequenza di 1 MHz in slot temporali di circa 7 ms. I dispositivi accoppiati sul canale comunicano durante questi slot temporali, che si ripetono in base al periodo di messaggistica ANT (ad esempio, ogni 250 ms o 4 Hz). Nella pratica, decine o persino centinaia di nodi possono essere ospitati in una singola banda di frequenza da 1 MHz senza che vi siano interferenze Quando l'integrità dei dati è fondamentale, ANT può utilizzare una tecnica di messaggistica "burst". Si tratta di una tecnica di trasmissione multi-messaggio che utilizza l'intera larghezza di banda disponibile e viene eseguita fino al completamento della trasmissione di tutti i dati.

Alcuni dei canali RF ANT disponibili sono assegnati e regolati dalla ANT+ Alliance per mantenere l'integrità della rete e l'interoperabilità, ad esempio 2,450 e 2,457 GHz. Alliance consiglia di evitare questi canali durante il normale funzionamento.

Contrariamente alla tecnica FHSS di Bluetooth Low Energy e allo schema TDMA di ANT, ZigBee (e RF4CE) usano un metodo di divisione di spettro in sequenza diretta (DSSS). Nel DSSS, il segnale viene mescolato con un codice pseudo-casuale sul trasmettitore che viene quindi estratto dal ricevitore. La tecnica migliora efficacemente il rapporto segnale/rumore diffondendo il segnale trasmesso attraverso una banda larga (Figura 4). ZigBee PRO implementa un'altra tecnica nota come agilità di frequenza, in base alla quale un nodo di rete esegue la scansione per lo spettro libero e consiglia il coordinatore in modo che il canale possa essere utilizzato attraverso la rete. Tuttavia, nella pratica questa funzionalità viene implementata raramente.

Figura 4: ZigBee tenta di attenuare le interferenze da altre radio a 2,4 GHz diffondendo il segnale trasmesso attraverso lo spettro allocato. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Wi-Fi utilizza undici canali a 20 MHz negli Stati Uniti, tredici nella maggior parte del resto del mondo, o quattordici in Giappone. Di conseguenza, entro i confini della larghezza di 83 MHz dell'assegnazione dello spettro a 2,45 GHz, c'è spazio sufficiente solo per tre canali Wi-Fi non sovrapposti (1, 6 e 11). Questi sono pertanto usati come canali predefiniti. Non è incorporato nessun channel hopping automatico, ma gli utenti possono passare manualmente a un canale alternativo se durante il funzionamento l'interferenza si rivela un problema.

All'interno del canale selezionato, il meccanismo di elusione delle interferenze di Wi-Fi è complesso ma essenzialmente combina DSSS con il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM). OFDM è una forma di trasmissione che utilizza molte portanti a distanza ravvicinata con modulazione a bassa frequenza. Dato che i segnali vengono trasmessi ortogonalmente, la possibilità di interferenze reciproche da distanza ravvicinata è fortemente ridotta.

Il Wi-Fi a 5 GHz opera su un'allocazione ampia di 725 MHz, consentendo l'assegnazione di molti altri canali non sovrapposti. Il risultato è una possibilità significativamente ridotta di problemi di interferenza, rispetto al Wi-Fi a 2,4 GHz.

Il Wi-Fi impiega anche una tecnologia di coesistenza attiva e un meccanismo per ridurre la velocità dei dati quando vengono rilevate interferenze da altre radio.

Questo è il motivo dell'enorme diffusione del Wi-Fi. Altre tecnologie a 2,4 GHz includono tecniche per evitare lo scontro con i canali Wi-Fi predefiniti (1, 6 e 11). I tre canali advertising di Bluetooth Low Energy, ad esempio, sono posizionati negli spazi tra i canali Wi-Fi predefiniti (Figura 5).

Figura 5: I canali advertising di Bluetooth Low Energy sono posizionati lontano dai canali Wi-Fi predefiniti. Tenere presente che ci sono altri sette canali liberi da potenziali interferenze Wi-Fi. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Nike+ usa uno schema agile proprietario di frequenza, cambiando canali quando l'interferenza diventa eccessiva. Questo è richiesto raramente, grazie alla velocità minima di trasferimento dati e al ciclo di lavoro della tecnologia.

IrDA non implementa nessuna forma di tecnologia di coesistenza. Tuttavia, essendo una tecnologia basata sulla luce, accade che sia influenzata da una luce di fondo molto luminosa con una componente IR significativa. Il funzionamento a corto raggio e la linea visuale libera rendono improbabile che anche i dispositivi IR in funzione simultaneamente interferiscano fra loro.

NFC implementa una forma di coesistenza in cui il lettore seleziona il tag NFC di una scheda specifica da un portafoglio contenente diverse schede NFC. A causa della breve distanza di trasmissione, l'interferenza tra altri dispositivi NFC e/o altre radio è rara. Tuttavia, è bene notare che la banda di 13,56 MHz ha armoniche nella banda di modulazione della frequenza (FM) che sono particolarmente forti a 81,3 e 94,9 MHz. Queste armoniche possono potenzialmente causare rumori di clic in un ricevitore FM situato nello stesso posto. Gli effetti dell'interferenza FM possono essere ridotti implementando tecniche anti-collisione come lo "skewing" o la pulizia.

Conclusione

Esistono molte tecnologie wireless a bassa potenza. Sebbene ciascuna sia progettata per funzionare a batteria e per un trasferimento dei dati relativamente modesto, hanno capacità di raggio, velocità, affidabilità e coesistenza differenti. Queste varianti delle prestazioni sono idonee per diverse applicazioni, anche se in larga misura si sovrappongono.

Introduzione alle Parti 2 e 3: Le prestazioni sono solo un aspetto del processo di selezione, per cui la Parte 2 si occuperà più nei dettagli dei fondamentali della progettazione di ciascuna tecnologia come disponibilità dei chip, stack di protocollo, software applicativo, strumenti di progettazione, requisiti dell'antenna e consumo energetico.

La Parte 3 prenderà in esame gli sviluppi attuali e futuri studiati per affrontare le sfide di IoT per ogni tecnologia e introdurrà alcune delle interfacce e dei protocolli più recenti, come Wi-Fi HaLow e Thread.