Breve guida agli aspetti chiave della tecnologia wireless a corto raggio

Se avete deciso che la connettività wireless è il metodo migliore per collegare il vostro prodotto al resto del mondo, avete fatto bene. La convenienza, la mobilità e la flessibilità che ne derivano renderanno il prodotto molto più attraente per il vostro mercato di riferimento. Bene. Ora che ci siamo detti "Bravo!", è il momento di passare al lavoro di progettazione.

Anzitutto occorre decidere quale forma di connettività wireless si adatta meglio al prodotto. Supponiamo di voler collegare un dispositivo a un altro prodotto abilitato al wireless e/o a Internet e renderlo parte di Internet delle cose (IoT). Daremo anche per scontato che abbiate deciso di scegliere una tecnologia standard (piuttosto che una delle tante soluzioni proprietarie a corto raggio) per approfittare dell'interoperabilità con i dispositivi di altri produttori. Supponiamo infine che vogliate connettervi senza fili in un raggio di meno di 100 metri.

Questo restringe molto il campo. Ma anche entro questi vincoli, la scelta della tecnologia wireless a corto raggio può essere sconcertante. Per trovare una soluzione occorre definire metodicamente a quali usi sarà destinato il collegamento wireless.

Tutte le tecnologie wireless a corto raggio sono un compromesso tra raggio, potenza, consumo energetico e immunità alle interferenze. Generalmente, a maggior raggio e/o potenza corrisponde un maggiore consumo energetico. Una buona immunità alle interferenze - requisito importante per le tecnologie radio che operano in settori affollati dello spettro delle radiofrequenze (RF), come la banda dei 2,4 GHz - può anche aiutare a risparmiare energia eliminando la necessità di reinviare costantemente i pacchetti radio che non arrivano al ricevitore. Altri fattori importanti da prendere in considerazione sono la rete a maglie e l'interoperabilità del protocollo Internet (IP).

Le principali tecnologie wireless a corto raggio

Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee e Thread (che come Zigbee viene eseguito su radio conformi IEEE 802.15.4) sono le tecnologie più gettonate per il collegamento wireless a corto raggio. Ma la lista completa di soluzioni per questa tipologia di collegamento è molto più ampia. Altre tecnologie, come la banda ultralarga (UWB), Near Field Communication (NFC), Wireless M-Bus, Z-Wave e Wi-SUN, hanno una loro valenza per molte applicazioni di nicchia. Per adesso, comunque, vediamo le opzioni più tradizionali.

Se il throughput e l'interoperabilità IP sono tra le priorità delle specifiche, allora il Wi-Fi è l'opzione principale. La soluzione più popolare al momento è Wi-Fi 5 (ex IEEE 802.11ac), che offre un throughput massimo teorico di 3,5 Gbps e un raggio massimo in interni di 100 m. La tecnologia si basa su canali multipli, che aumentano il throughput e superano i problemi di multipath fading (interferenza/distorsione dovuta al fatto che il ricevitore vede diverse riflessioni di un singolo segnale trasmesso). Lo stack Wi-Fi include anche IPv6, quindi non è richiesto un router o un gateway aggiuntivo per inviare dati al cloud.

Figura 1: Lo stack Wi-Fi incorpora IPv6 per connettersi senza problemi con Internet. (Immagine per gentile concessione di Netgear)

Il potenziale di throughput del Wi-Fi richiede l'accesso a una notevole potenza del ricetrasmettitore, il che non rende questa tecnologia idonea se il budget energetico è limitato. Inoltre, il Wi-Fi non è ottimizzato per supportare decine di dispositivi in rete. Tenuto conto di quanto detto, Wi-Fi 6 (ex IEEE 802.11ax) - che è stato recentemente adottato con alcuni chip ora disponibili - risolve in parte questi inconvenienti migliorando l'efficienza spettrale della tecnologia.

Se il basso consumo energetico è il parametro più importante del progetto, allora Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee e Thread meritano un esame più attento. Ci sono molte somiglianze tra queste tecnologie a causa del DNA condiviso ereditato dalla specifica IEEE 802.15.4 di cui abbiamo parlato sopra. IEEE 802.15.4 descrive i livelli fisici (PHY) e di controllo dell'accesso ai media (MAC) per le reti personali wireless a bassa velocità (LR-WPAN). Le tecnologie operano generalmente su 2,4 GHz, anche se ci sono alcune varianti sub-GHz di Zigbee.

Bluetooth LE è una versione a basso consumo energetico del Bluetooth "classico", la tecnologia wireless orientata al consumatore che ha trovato subito una nicchia di applicazione nel collegamento tra smartphone e auricolari senza fili. Bluetooth LE è diventato parte del protocollo Bluetooth con il rilascio della versione 4.0. Utilizza circa un decimo della potenza di Bluetooth, pur offrendo un throughput di dati grezzi massimo di 2 Mbps e un raggio di 50 m.

La tecnologia è adatta ad applicazioni IoT come i sensori delle case intelligenti dove le trasmissioni di dati sono modeste e poco frequenti. Dispone di 40 canali e di un sofisticato algoritmo di selezione dei canali (CSA) per mitigare le interferenze. L'interoperabilità di Bluetooth LE con i chip Bluetooth ospitati dalla maggior parte degli smartphone è anche un grande vantaggio per le applicazioni orientate al consumatore come i dispositivi indossabili (Figura 2). I principali aspetti negativi di questa tecnologia sono la necessità di un gateway costoso ed energivoro per connettersi al cloud e le capacità di rete a maglie ingombranti con conseguente aumento della latenza rispetto alle alternative.

Figura 2: Bluetooth LE è interoperabile con gli smartphone, il che lo rende una scelta privilegiata per dispositivi indossabili. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor/DO Technologies)

Anche Zigbee è una buona scelta per applicazioni a bassa potenza e a basso throughput nell'automazione industriale, commerciale e domestica. Il suo throughput di 250 kbps è inferiore a quello di Bluetooth LE, mentre il suo raggio e il consumo energetico sono simili. Zigbee non è interoperabile con gli smartphone, né offre capacità IP native. Opera su 16 canali e, come Bluetooth LE, impiega un algoritmo di channel-hopping per evitare le interferenze. Un vantaggio chiave di Zigbee deriva dal fatto che è stato progettato da zero per la rete a maglie, rendendolo una buona scelta per applicazioni come l'illuminazione intelligente e altre che richiedono bassa latenza.

Thread, introdotto per la prima volta nel 2014, è arrivato da poco nel settore del wireless a corto raggio. Come Zigbee, opera utilizzando PHY e MAC IEEE 802.15.4 ed è stato progettato per supportare grandi reti a maglie fino a 250 dispositivi. Il throughput è lo stesso di Zigbee a 250 kbps, il consumo energetico è simile e il raggio massimo è di circa 30 m. Dove Thread differisce da Zigbee è nel suo uso di 6LoWPAN (una combinazione di IPv6 e WPAN a bassa potenza) che rendono la connettività con altri dispositivi e il cloud semplice, anche se attraverso un dispositivo periferico della rete chiamato router di confine.

Cooperazione piuttosto che competizione

C'è la consapevolezza nel mondo wireless a corto raggio che nessuna singola tecnologia avrà il sopravvento a causa degli inevitabili compromessi a cui ognuna di esse deve sottostare per soddisfare le specifiche applicazioni target. Questa realtà ha portato a un livello insolitamente alto di cooperazione tra gruppi industriali per garantire l'interoperabilità tra molti stack di protocolli wireless a corto raggio.

Un esempio di questo spirito di collaborazione è Matter, un'iniziativa guidata dalla Connectivity Standards Alliance (CSA - ex Zigbee Alliance), che include Apple, Amazon e Google tra le 180 aziende partecipanti. Matter mette in primo piano sicurezza e interoperabilità. Introduce un livello di rete che unisce Zigbee, Bluetooth e Wi-Fi in modo che i dispositivi possano interagire, indipendentemente dalla marca o dalla funzione. I prodotti commerciali con il timbro di approvazione Matter sono previsti entro la fine del 2021. Sarà una svolta cruciale nel wireless a corto raggio.

Un'ulteriore opzione per il progettista che desidera mantenere la massima flessibilità nella scelta del protocollo durante la progettazione di una singola variante è quella di scegliere un chip wireless multiprotocollo a corto raggio. Molti fornitori offrono queste soluzioni a chip singolo o a modulo che supportano Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee, Thread o una loro combinazione. I microprocessori incorporati nei chip si occupano della commutazione di protocollo a seconda delle esigenze.

Conclusione

I progetti che contemplano la connettività wireless a corto raggio rendono un prodotto più interessante per l'utente finale. Dato che la gamma di tecnologie a disposizione dello sviluppatore è ampia, identificare la scelta migliore non è facile. Tutte le tecnologie wireless a corto raggio sono un compromesso tra raggio, potenza, consumo energetico e immunità alle interferenze. Il segreto per fare la migliore scelta è valutare attentamente gli usi a cui sarà destinato il prodotto finale e l'importanza dell'esperienza dell'utente finale. E solo a quel punto scegliere la tecnologia wireless con i punti di forza corrispondenti.