Criteri di scelta per realizzare dispositivi Wlan

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Un’analisi ragionata dei vantaggi e degli svantaggi legati all’uso di un modulo o di un chipset per l’implementazione di funzioni di interconnessione wireless.

Per qualche anno tutti i progettisti impegnati nello sviluppo di dispositivi embedded caratterizzati da volumi di produzione non particolarmente elevati destinati ai mercati industriale e medicale hanno utilizzato moduli Wlan (Wireless Local Area Network) per implementare in maniera rapida ed economica funzionalità di interconnessione wireless. Oggi la situazione sta cambiando in maniera abbastanza radicale: poiché gli Oem sono soggetti a pressioni sempre crescenti sul fronte dei prezzi del prodotto finale, i team di progettazione devono valutare con attenzione se può risultare conveniente, dal punto di visto economico, lo sviluppo di un sottosistema mediante chipset commerciali. Sono oramai numerosi gli Oem che stanno considerando la possibilità di sfruttare la maggiore velocità di trasferimento dati e il range più esteso previsti dalla bozza dello standard Ieee 802.11n. Questo standard, infatti, ha implicazioni non trascurabili, dal punto di vista economico, sulla decisione degli Oem quando si trovano a dover affrontare l’eterno dilemma del “make or buy”.

802.11n: maggiore velocità e range esteso
Fin dal 2003 Ieee 802.11g è stato lo standard Wlan di riferimento per applicazioni di tipo domestico e professionale: operante nella banda Ism a 2,4 GHz che non richiede alcuna licenza, esso è in grado di supportare velocità di trasferimento dati fino a 54 Mbit/s. Negli ultimi tempi l’attenzione del mercato si è però concentrata su Ieee 82.11n, che rappresenta un’evoluzione sicuramente significativa degli standard per reti Wlan. Capace di assicurare velocità di trasferimento dati decisamente superiori e un range quasi doppio di quello previsto da Ieee 802.11g, la versione Ieee 802.11n è nelle fasi iniziali del proprio ciclo di vita, anche se parecchie aziende hanno reso noto la disponibilità di prodotti che vantano la compatibilità con la bozza del nuovo standard (ufficialmente approvato nel mese di settembre).
Le prestazioni e il range più elevati che contraddistinguono lo standard
Ieee 802.11n sono frutto della combinazione di diversi fattori, come ad esempio l’architettura Mimo (Multiple-Input/Multiple-Output) e l’utilizzo di tecniche di collegamento di canali (channel bonding – che permette l’utilizzo contemporaneo di due canali) a livello fisico (PHY) e di aggregazione dei frame (frame aggregation) a livello Mac (Media Access Controller) per unire più canali adiacenti. L’architettura Mimo prevede l’uso di un certo numero di antenne: ciò non solo consente la ricezione e la trasmissioni simultanee, ma anche di aumentare il range del segnale. L’aggregazione dei frame consente di integrare un numero maggiore di dati in una data struttura del frame, riducendo in tal modo il sovraccarico (overhead) e aumentando la velocità di trasferito dati effettiva. L’architettura Mimo permette di incrementare sensibilmente la velocità di trasmissione dati complessiva grazie all’utilizzo di più flussi di dati RF che vengono istradati su cammini fisici differenti fra trasmettitore e ricevitore. In un sistema Mimo 2 x 2 un algoritmo ripartisce i dati in due flussi: ciascuno flusso viene trasmesso da un’antenna di trasmissione distinta e ricevuto da un’antenna di ricezione pure distinta. Quando l’algoritmo ricombina i due flussi, effettua un’elaborazione dei segnali per eliminare i diversi effetti delle interferenze cui i due flussi sono stati sottoposti sui differenti percorsi attraverso l’aria. In linea teorica un funzionamento di questo tipo può portare a un raddoppio della velocità di trasferimento dati rispetto a quella ottenibile con un sistema ad antenna singola: comunque non bisogna dimenticare che in pratica l’incremento della velocità di trasferimento dati è spesso compromesso dalle interferenze e dagli ostacoli di natura fisica presenti nell’ambiente. La tecnologia Mimo può in alternativa essere usata per contrastare il fenomeno del fading (affievolimento) e le conseguenze legati alla presenza di segnali deboli quando si opera in ambienti ostili alle trasmissioni radio. In questo caso un sistema Mimo trasmetterà gli stessi dati su più flussi. Dopo la trasmissione i flussi di dati vengono ricombinati e i segnali elaborati in modo da filtrare l’effetto delle interferenze su ciascuno di essi. Il risultato è quello di aumentare l’integrità del segnale a scapito della velocità di trasmissione. Vale inoltre la pena sottolineare il fatto che lo standard Ieee 802.11N è di tipo dual-band, ovvero può operare nelle bande a 2,4 e 5 GHz. Sebbene un sistema operante a 5 GHz può garantire le più elevate velocità di trasferimento dati, lo standard è stato configurato in modo da supportare i numerosissimi prodotti Ieee 802.11b/g “legacy” esistente che sfruttano appunto la banda a 2,4 GHz.

Le ragioni di una scelta
I più importanti produttori di chipset per applicazioni Wlan hanno già iniziato a dedicarsi ad attività di sviluppo e produzione di silicio per il nuovo standard Ieee 802.11n. La loro strategia è infatti quella di supportare direttamente i produttori di apparati prodotti in grandi volumi quali personal computer e laptop, router wireless, punti di accesso, stampanti, telecamere digitali, telefoni mobili e Pda. Poiché risulta estremamente difficile per la maggior parte dei progettisti completare con esito positivo un progetto RF – basti considerare il lunghissimo tempo richiesto per risolvere le problematiche di adattamento e di stesura del layout – di solito è richiesto un supporto specialistico non indifferente da parte del fornitore del chipset, anche nel caso in cui si faccia ricorso a un progetto di riferimento come nucleo centrale del nuovo progetto. Una considerazione di questo tipo è valida a maggior ragione per i progetti che prevedono l’adozione dello standard Ieee 802.11n, a causate dell’incremento della complessità dovuta sia al supporto di due bande (2,4 e 5 GHz) sia all’utilizzo dell’architettura Mimo. In realtà tutti coloro che sono impegnati nello sviluppo di un prodotto per il quale non sono previsti volumi particolarmente elevati – in altre parole i progettisti che non lavorano per aziende produttrici di handset, computer o punti di accesso – non potranno aspettarsi di ricevere il tipo di supporto richiesto da parte di qualsiasi produttore di chipset 802.11n. Una soluzione più soddisfacente per gli sviluppatori di sistemi embedded consiste nell’individuare un modulo “chiavi in mano” che consenta di completare un progetto senza ricorrere all’esperienza degli specialisti nel settore della radiofrequenza. Aziende come connectBlue, Digi, Multi-Tech, Silex, Zilog e Microchip, tutte distribuite in franchise da Future Electronics, sono in grado di fornire moduli che vengono solitamente realizzati sfruttando un chipset prodotto da una delle più importanti società del settore.

Criteri per la scelta di un modulo
Al fine di scegliere il modulo più adatto per un particolare progetto embedded gli sviluppatori devono esaminare parecchi fattori, oltre ad assicurare ovviamente la conformità con gli standard Wlan appropriati. Le caratteristiche di sicurezza, ad esempio, rivestono un ruolo molto importante poiché il fenomeno dell’intercettazione è uno dei maggiori problemi per i progettisti di dispositivi che utilizzano connessioni wireless. È in atto uno perpetuo conflitto tra gli sviluppatori di engine di cifratura e code breaker (ovvero coloro che tentano di intromettersi per carpire informazioni senza avere alcuna autorizzazione) il cui obiettivo è rendere i loro software disponibili in tempi brevi su Internet. Il più recente standard di protezione, molto più sicuro di Wep (Wired Equivalent Privacy) e Wpa (Wireless Protected Access) è Wpa2. Quest’ultimo introduce il nuovo protocollo di cifratura Ccmp (Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) basato sullo standard AES-128 (Advanced Encryption Standard): si tratta senza dubbio delle più sicure tecniche di cifratura attualmente disponibili. I progettisti di meccanismi di sicurezza spesso adottano il protocollo Tkip (Temporal Key Integrity Protocol). Tkip e Aes sono gli algoritmi fondamentali su cui sono basati gli standard Wep, Wpa e Wpa2. Wpa2 è implementato in un’ampia gamma di moduli wireless destinati agli sviluppatori embedded, tra cui i moduli Ieee 802.11n di connectBlue OWL221a e OWL222a, il modulo Wlan ZG2100MC di Microchip e numerosi moduli radio di Silex.
L’interfaccia tra il modulo wireless e il sistema host è un altro elemento di fondamentale importanza per i progettisti. Di regola, maggiore è la velocità di trasferimento dati, più veloce dovrà essere l’interfaccia. Ad esempio, per supportare le più elevate velocità di trasferimento dati di un sistema
Ieee 802.11n, i produttori di chipset di solito mettono a disposizione un’interfaccia Pci Express. Si tratta però di una tecnologia complessa e in generale nelle applicazioni embedded, dove non sono previsti volumi elevati, si preferisce ricorrere a interacce Spi o Sdio, in quanto permettono di semplificare lo sviluppo del software per il processore host. I produttori di moduli sono attenti alle richieste legate alla disponibilità di interfacce di semplice uso. Per esempio il modulo Ieee 802.11 b/g cB-OWSPA311g di connectBlue è dotato di un’interfaccia Uart. Allo stesso modo Digi rende disponibile un certo numero di moduli con interfaccia Uart come pure il modulo DC-WWV-1G con interfacce Usb. I recenti moduli OWL221a e OWL222a di connectBlue che supportano gli standard Ieee 802.11a/b/g/n sono disponibili con interfacce Spi o Sdio. La società è stata anche una delle prime ad adottare il concetto di fattore di forma e di interfacce elettriche comuni tra moduli Bluetooth, Wlan e ZigBee. Anche il modulo ZG2100MC di Microchip mette a disposizione un’interfaccia Spi, in modo da permettere chiamate alle Api (Application Programming Interface) attraverso l’host. In grado di supportare solamente lo standard Ieee 802.11b a più bassa velocità, è ideale per realizzare semplici applicazioni quali trasferimento dei dati oppure stazioni di monitoraggio. L’approccio adottato da Zilog con il proprio modulo Wlan Z80F91F01SBCG è quello di fornire una piattaforma completa per sistemi wireless: grazie all’utilizzo del chipset Wlan Realtek RTL8711S e del proprio processore Z80, il modulo può ospitare applicazioni che girano su un sistema operativo real-time privo di royalty, oltre a rendere disponibili funzionalità wireless. Esso è corredato da un Web server e da uno stack Tcp/IP che supporta i protocolli di sicurezza Wep e Wpa. Dotato anch’esso del transceiver Realtek RTL8711, il modulo UGWAS82GSM33 di Unigen è un’altra proposta commercialmente disponibile da valutare con attenzione. La facilità di integrazione del modulo nel progetto di un sistema dipende dal livello di supporto del sistema operativo fornito dal processore centrale. Il vantaggio dei sistemi operativi come Linux e Windows Embedded, che discendono da quelli utilizzati nel mondo dei Pcdesktop, deriva dal fatto che sono in grado di fornire soluzioni software per i driver Wlan che vengono installati nel kernel principale, come stack Tcp/IP e wrapper Ndis (Network Driver Interface Specification). Lo standard Ndis mette a disposizione una Api standard che comunica con il software del driver di basso livello per il chipset o il modulo prescelto.

I costi di omologazione
Nel momento in cui si prende in considerazione la soluzione ottimale per l’implementazione di funzionalità Wlan in un progetto embedded, i costi e la complessità legati al processo di omologazione della parte wireless hanno un’influenza importante sulla decisione finale. L’adozione di componenti e di sofware già omologati ha un impatto sulla mole di lavoro che deve effettuare la società che si occupa del collaudo, ma anche il numero di antenne influenza notevolmente il costo di omologazione di un dispositivo Ieee 802.11n. Un complesso sistema in configurazione 4x4:4 (ovvero che prevede quattro flussi di dati trasmessi attraverso quattro antenne di trasmissione verso quattro antenne di ricezione) può risultare molto costoso da collaudare e gli sviluppatori possono aspettarsi un costo di omologazione dell’ordine di 150.000 euro per un prodotto basato su un chipset conforme a Ieee 802.11n. Gli sviluppatori devono anche considerare il fatto che solo un numero estremamente ridotto di test house al di fuori della regione asiatica è in grado di certificare sistemi operanti a 5 GHz. Oltre a ciò non tutte le società di test hanno le qualificazioni necessarie per l’omologazioni di tutte le componenti di un sistema Wlan. L’uso di un modulo Wlan contribuisce a ridurre drasticamente i costi. Aziende come ad esempio connectBlue mettono a disposizione servizi di supporto per il processo di omologazione e sono in grado sia di gestire completamente le fasi di controllo e omologazione del progetto sia di fornire una qualificata consulenza ai clienti che vogliono effettuare questi due processi in maniera indipendente. In ogni caso i moduli commercialmente disponibili dispongono già delle omologazioni Fcc, IC e CE.

Alla ricerca del compromesso ideale
Sia che si tratti di scegliere il modulo più appropriato, oppure di realizzare un progetto basato su un chipset, è necessario ricercare il compromesso ottimale tra costo, time-to-market e il soddisfacimento delle richieste degli Oem in termini di difficoltà e complessità di progetto. Da una parte, il mercato dei chipset dovrebbe quadruplicare nel corso dei prossimi quattro anni e il prezzo dei chipset per applicazioni Ieee 802.11n è destinato a calare velocemente. Dall’altra, i bassi costi dei componenti sono bilanciati da quelli più elevato delle attività di progettazione e di omologazione legate allo sviluppo di prodotti basati su chipset Ieee 802.11n. Questi costi ovviamente variano in funzione dell’applicazione. Ipotizzando una spesa di circa 100.000 euro per la consulenza in fase di progetto, 150.000 euro per i servizi di collaudo e altri 100.000 euro per le apparecchiature di produzione, il costo complessivo per la realizzazione di un prodotto basato su chipset si aggira introno ai 350.000 euro. Per quando riguarda i materiali richiesti, il costo può essere stimato in 10 euro per un chipset contro i 25 euro per un modulo di caratteristiche confrontabili: in questo caso, nel caso di volumi di produzione di circa 25.000 unità, un progetto basato su un modulo inizierà a rivelarsi troppo costoso. Le considerazioni fatte non devono essere prese alla stregua di una regola rigida: per alcuni Oem è più importante poter disporre immediatamente di un modulo funzionante, anche a fronte di un costo più elevato, piuttosto che sviluppare internamente un sottosistema Wlan, con tutte le incertezze legate ai costi e ai tempi di sviluppo e alle prestazioni ottenibili. I moduli Wlan proposti da aziende quali connectBlue, Digi, Microchip, Multi-Tech, Silex e Zilog garantiscono prestazioni affidabili e i moduli che supportano le precedenti versioni b e g dello standard Ieee 802.11 hanno dato ampiamente prova della loro affidabilità. Laddove sono previsti bassi volumi, per gli Oem che sviluppano applicazioni destinate ai mercati industriale e medicale, la disponibilità di moduli Wlan continua a garantire un’alternativa veloce e sicura per l’implementazione di interconnessioni wireless.

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