Tecnologie wireless a confronto

Stylish wireless router with radio waves originating from its antenna. Digital illustration

La diminuzione del prezzo dei componenti elettronici continua inarrestabile, e questo è il motivo per cui è più che mai importante per i fornitori completare l’offerta dei propri apparecchi con servizi aggiuntivi. L’integrazione con Internet delle Cose fornisce il modo più efficiente e flessibile per fare ciò. Router Wlan, stazioni base wireless o smartphone stabiliscono la connessione alla rete internet. Per l’ultimo miglio fra un gateway internet di questo tipo e il prodotto finale, tuttavia, esiste la possibilità di scegliere fra un numero ben maggiore di tecnologie wireless con diversi intervalli di frequenza. Gli sviluppatori si trovano di fronte ad una scelta difficile.


Il Bluetooth intelligente nella banda a 2,4 GHz
Il Bluetooth intelligente, noto anche come Blueetooth Low Energy è forse la tecnologia wireless al momento più attivamente discussa in relazione all’IoT. Il suo principale vantaggio è la natura onnipresente della tecnologia Bluetooth nella maggior parte degli smartphone e dei tablet, che permette a questi ultimi di fungere da gateway internet. Rispetto al Bluetooth tradizionale, i tempi di latenza più brevi rendono molto più rapido accoppiare due dispositivi dotati di interfaccia Bluetooth intelligente. La versione intelligente inoltre è caratterizzata da un tasso di consumo di potenza estremamente basso. Diversamente da Bluetooth tradizionale, i profili di applicazione richiesti non sono specificati, e i profili personalizzati hanno un ulteriore effetto positivo sul consumo energetico. Un’applicazione che supporta Bluetooth LE potrebbe girare per diversi anni con appena una singola batteria a pulsante, sebbene ciò limiti anche la quantità di dati che possono essere inviati o ricevuti. Questo rende Bluetooth intelligente inadatto per inviare grandi quantità di dati in tempo reale come musica o video. Un altro aspetto critico è la copertura di distanze di 10-20 metri, specialmente negli ambienti urbani e all’interno degli edifici. Una simile copertura è difficile da raggiungere con la banda da 2,4 GHz, perché i muri e gli altri ostacoli inibiscono fortemente le onde radio. Ciò può essere compensato usando nell’applicazione un amplificatore aggiuntivo, ma solo a fronte di un consumo energetico superiore, eliminando quindi il vantaggio principale del basso consumo di Bluetooth LE. Il Bluetooth intelligente è quindi destinato ad applicazioni che richiedono di inviare solo occasionalmente quantità di dati molto piccole (come i dati acquisiti da un sensore) su una distanza di qualche metro e che sono altrimenti in genere dormienti, come podometri, dispositivi indossabili o orologi intelligenti.

Il Bluetooth tradizionale nella banda a 2,4 GHz
L’introduzione del Bluetooth intelligente non rende per nulla obsoleto il tradizionale Bluetooth. Al contrario, il Bluetooth tradizionale soddisfa requisiti che il Bluetooth intelligente non è in grado di offrire, in particolare la capacità di trasmettere grandi quantità di dati quali musica o voce. Per questo, il Bluetooth tradizionale richiede il supporto di una varietà di protocolli standardizzati, per esempio Spp per la comunicazione dati, A2DP per le applicazioni audio, iAP per i dispositivi Apple e altro. Sebbene questo semplifichi notevolmente la realizzazione della tecnologia wireless, essa priva gli sviluppatori della flessibilità di adattare il profilo alle proprie applicazioni, eliminando il potenziale di riduzione dei consumi. D’altro canto, essa offre il vantaggio di essere in grado di coprire intervalli più ampi, anche tra i 100 e i 500 metri, il che non costituisce un problema per Bluetooth tradizionale, perché il consumo energetico aggiuntivo di un amplificatore integrato gioca un ruolo più limitato all’interno della soluzione. Esistono anche molti telefoni cellulari attualmente in uso che supportano solo la tecnologia Bluetooth tradizionale, non il Bluetooth Intelligente. L’uso di questa tecnologia consente di usare tali smartphone e tablet anche come gateway internet. Il consumo energetico del Bluetooth tradizionale è un chiaro svantaggio. Dato che questa tecnologia non passa molto spesso alla modalità inattiva, la batteria dell’applicazione in questione si scarica molto più rapidamente, in genere in appena poche ore di funzionamento prolungato. In termini di topologia, non sussistono (per ora) differenze fra le due varianti di Bluetooth: entrambe sono usate per applicazioni che comunicano con uno smartphone o un tablet attraverso una topologia punto-a punto o a stella.

Il Wi-Fi nelle bande 2,4 GHz e 5 GHz
Il Wi-Fi è una tecnologia estremamente interessante per le applicazioni nelle immediate vicinanze di router Wlan. Si tratta principalmente di applicazioni tradizionali per la casa intelligente, che possono connettersi direttamente con internet attraverso il router Wlan locale all’interno di un edificio residenziale. Il vantaggio principale di Wi-Fi è che questa tecnologia è in grado di usare non solo la banda di frequenze attorno a 2,4 GHz ma anche la banda da 5 GHz, che consente di raggiungere velocità di trasmissione dati molto elevate, fino a oltre 1 GBit/s (IEEE 802.11ac). Se si usano più antenne contemporaneamente per inviare e ricevere dati - il principio Mimo (Multiple Input, Multiple Output) - è persino possibile ottenere velocità di trasmissione ancora superiori, teoricamente fino a 6,933 MBit/s. Anche se in termini pratici è possibile raggiungere solo una frazione di questi livelli di velocità, per via del fatto che i mobili o le pareti riducono la velocità di trasmissione, che è a sua volta condivisa fra più utenti della stessa rete, il Wi-Fi assicura ancora una velocità molte volte superiore rispetto ai circa 1-3 Mbit/s offerti dal Bluetooth tradizionale. In termini di raggio operativo, le soluzioni Wi-Fi si comportano in modo simile alle soluzioni Bluetooth tradizionali (di Classe 1 con amplificatore), che trasmettono con un segnale in uscita permesso massimo di +18 - + 20 dBm, il che significa che un router normalmente coprirà del tutto un intero appartamento o una singola abitazione unifamiliare, inclusi tutti i suoi dispositivi client. Come per il Bluetooth tradizionale, lo svantaggio di questa tecnologia è l’elevato consumo di potenza, e ciò implica che non è adatta per applicazioni che necessitano di rimanere in fase di stand-by per diversi anni con una singola batteria a pulsante. Tuttavia, il Wi-Fi è ideale per le applicazioni all’interno della casa intelligente come i frigoriferi, i fornelli o i ricevitori Dolby surround.

Il SubGHz
Esiste uno svantaggio che Bluetooth intelligente, Bluetooth tradizionale e Wi-Fi condividono, nello specifico il fatto che tutte e tre le tecnologie usano proprio la stessa banda di frequenze, ovvero quella da 2,4 GHz. Quest’ultima è molto interessante perché costituisce uno standard globale e diffuso che consente di vendere i prodotti corrispondenti in tutto il mondo. Tuttavia, ciò presenta logicamente anche il problema che la banda di frequenze tende ad essere estremamente affollata e quindi suscettibile a interferenze radio. Questa banda inoltre riduce di diverse volte il raggio operativo all’interno delle attività commerciali, perché le pareti e altri ostacoli smorzano fortemente le onde elettromagnetiche nella banda da 2,4 GHz. Le soluzioni proprietarie che operano nelle bande al di sotto del Ghz (ad esempio 868 MHz, 433 MHz o 169 MHz) offrono un’alternativa allettante. A parità di segnale di trasmissione in uscita, è possibile raggiungere distanze operative molto superiori a frequenze più basse. È anche disponibile un canale da 500 mW per distanze fino a circa 16 Km. Queste soluzioni consentono inoltre di sviluppare una rete di macchine in cui i membri possono comunicare uno con l’altro. In caso di guasto a un elemento della rete, i dati possono essere inviati attraverso un altro elemento che si trova all’interno del raggio di trasmissione. Di conseguenza i dati non vengono persi, il che a sua volta migliora la stabilità dell’intero sistema. Esiste un inconveniente; per permettere il trasferimento dell’informazione da una soluzione SubGHz al cloud è necessario che un gateway situato in un punto della rete wireless si connetta alla rete internet, ad esempio attraverso Wi-Fi o uno standard di trasmissione mobile (Gsm, Umts, Lte). Ciò significa che non potete semplicemente accedere a un gateway standard come uno smartphone, un tablet o un router Wlan per connettersi a internet. Questo rende le soluzioni SubGHz particolarmente adatte per applicazioni in cui il raggio operativo e la stabilità sono più importanti, e nelle quali la spesa e lo sforzo richiesti per sviluppare un gateway specifico per il cliente sono trascurabili, ad esempio nell’illuminazione, nella misura intelligente delle utenze o nell’automazione domestica.

ZigBee e Ant nella banda 2,4 GHz
Le tecnologie ZigBee e Ant potranno essere meno conosciute e meno diffuse di Bluetooth o Wi-Fi, ma non dovrebbero essere in alcun modo ignorate. Entrambe usano la banda di frequenze attorno a 2,4 GHz e sono progettate per inviare quantità di dati molto piccole, analogamente a Bluetooth intelligente. Ant presenta consumi di potenza molto bassi, anche meno di Bluetooth intelligente. In ZigBee devono essere assegnati i ruoli di “coordinatore”, “instradatore” e “punto finale”. Mentre i punti finali consumano poca energia, i coordinatori e gli instradatori sono costantemente in ricezione e, pertanto, consumano molta più potenza. Di conseguenza, i punti finali in tecnologia Ant e ZigBee costituiscono un’opzione fattibile per applicazioni che possono essere fornite tramite una singola batteria a pulsante per un lungo periodo di tempo. Entrambe le tecnologie supportano le topologie della macchina, consentendo la creazione di reti stabili. Ant ha anche il vantaggio di essere attualmente integrata negli smartphone come standard, il che significa che non è necessario stabilire un gateway internet specifico per un cliente con Ant - per questo scopo possono essere usati smartphone e tablet. Per molte aziende, i costi per le licenze del Bluetooth Sig per l’uso di Bluetooth intelligente o del Bluetooth tradizionale sono di circa 8.000 dollari per versione di dispositivo, e ciò costituisce un ostacolo che può diventare un problema quando i prodotti devono essere fabbricati in piccole quantità. Questo è il caso in cui Ant fornisce un’alternativa eccellente. Per l’uso di ZigBee è richiesto un gateway internet dedicato. Dato che ZigBee e Ant usano la banda da 2,4 GHz, si ha una penalizzazione in termini di raggio operativo in ambienti urbani e all’interno degli edifici, proprio come Bluetooth e Wi-Fi. Questo rende ZigBee e Ant ideali per applicazioni quali la misura intelligente delle utenze, e inoltre Ant costituisce una soluzione ottimale per qualsiasi applicazione che può essere coperta da Bluetooth Smart, inclusi gli apparecchi indossabili e altri dispositivi simili. Questi criteri consentono di identificare in anticipo numerose tecnologie wireless che potrebbero soddisfare meglio i requisiti dell’applicazione in questione. Tuttavia le varie tecnologie in genere si sovrappongono, il che rende la scelta più difficile, e tale aspetto non è destinato e semplificarsi in futuro. Per esempio, il Bluetooth Sig sta lavorando febbrilmente sull’integrazione delle “reti a maglie intelligenti” all’interno di Bluetooth intelligente dal 2016 in poi. Ciò consentirà in futuro anche il supporto di topologie di rete che usano Bluetooth intelligente, rendendo ancor più questa tecnologia intelligente un grande concorrente delle tecnologie ZigBee, Ant e SubGHz nel campo dell’automazione domestica. La versione 4.2 di Bluetooth offre già un altro vantaggio, eliminando la necessità per gli utenti di usare uno smartphone come gateway internet. Con l’integrazione di Ipv6 in Bluetooth V4.2, i dispositivi finali come i sensori potranno avere il proprio indirizzo IP assegnato ad essi, il che ne consente l’accesso da qualsiasi parte del mondo.

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