Tipi di protocolli wireless

I segnali wireless sono una delle opzioni di comunicazione più utilizzate, dalle vostre stazioni TV e radio locali preferite al vostro telefono cellulare. Alcune delle tecnologie wireless più cruciali, quelle che gestiscono il vostro internet domestico e il numero crescente di dispositivi intelligenti nell'Internet of Things (IoT), sono regolati da una gamma di protocolli wireless. A seconda del loro utilizzo, la loro portata può essere di diversi chilometri o di pochi centimetri.

Opzioni internet a vasta area

Se non vivete in un'area servita da provider internet convenzionali, le vostre opzioni tradizionalmente sono state limitate a dial-up o satellite, nessuno dei quali è particolarmente bravo con i contenuti internet moderni e ricchi. La tecnologia wireless può colmare questo divario in diversi modi, fornendo servizio dove altrimenti non sarebbe disponibile.

Servizio domestico tramite LTE

Nelle aree dove internet via cavo e fibra non sono economici, la stessa tecnologia LTE che fornisce copertura internet sul vostro cellulare può essere sfruttata per fornire internet wireless anche agli utenti domestici. Può essere fornita sulla rete cellulare esistente dai principali carrier o da provider di servizi indipendenti che scelgono di installare le proprie torri. Le velocità variano tra i provider, con l'attuale tecnologia di 4ª generazione, 4G, che offre velocità fino a 100 Mbps, mentre la futura tecnologia 5G potrebbe teoricamente raggiungere 10 Gbps.

Internet line-of-sight

I servizi internet line-of-sight usano essenzialmente una versione ad alta potenza del Wi-Fi convenzionale, che trasferisce il segnale da punto a punto usando antenne altamente direzionali. Poiché invia i segnali a un punto strettamente focalizzato, questo tipo di servizio è meno probabile che interferisca con altri dispositivi e può usare un segnale a potenza più alta che altrimenti sarebbe illegale secondo le regolamentazioni FCC. Le velocità sono tipicamente fino a 25 Mbps, che è accettabile per la maggior parte degli usi se non ideale.

Internet per dispositivi su vaste aree

Con l'ascesa dell'Internet of Things e la sua orda di dispositivi intelligenti e semi-intelligenti, c'è anche bisogno di tecnologia wireless che possa funzionare con un enorme numero di quei dispositivi a bassa potenza su grandi aree urbane e suburbane. La tecnologia LTE può funzionare per quelli, anche se il suo consumo energetico è relativamente alto. Una tecnologia competitiva è il protocollo Long-Range Wide Area Network o LoRaWAN con una portata di un paio di chilometri in contesti urbani e fino a tre volte tanto in aree suburbane meno dense.

IEEE e il protocollo Wi-Fi

Come molte cose elettriche, la tecnologia wireless che usate in casa si basa su specifiche di progettazione stabilite dall'Institute of Electrical and Electronic Engineers, o IEEE. In questo caso, la specifica effettiva si chiama 802.11, ed è stata aggiornata nel corso degli anni per riflettere – e incoraggiare – miglioramenti nella tecnologia. Questi cambiamenti sono descritti aggiungendo lettere, come g, n o ac dopo il numero. Per comodità, quelle variazioni nella specifica sono indicate come wireless g, wireless n, wireless ac e così via.

Una rapida guida alle reti wireless

Il vostro Wi-Fi domestico è propriamente noto come wireless local area network o WLAN, ma la maggior parte della gente lo chiama semplicemente Wi-Fi e basta. Una rete Wi-Fi ruota attorno a un dispositivo di rete centrale, chiamato access point, che fornisce comunicazioni bidirezionali con ogni dispositivo collegato alla rete. Ogni dispositivo, a sua volta, ha bisogno di una scheda di interfaccia di rete wireless, o NIC, per comunicare con l'access point. I protocolli wireless che usano variano ampiamente in portata e prestazioni e migliorano con ogni generazione.

Banda 2.4 GHz vs 5 GHz

La maggior parte delle comunicazioni Wi-Fi avviene in due bande distinte di frequenze radio, la banda 2.4 GHz e la banda 5 GHz. Queste bande sono minimamente regolamentate e sono usate per una varietà di dispositivi consumer dai baby monitor ai telefoni cordless. Sono brave in cose diverse. Le frequenze nella banda 5 GHz possono trasportare più dati più velocemente, ma quelle nella banda 2.4 GHz hanno una portata maggiore e sono migliori ad attraversare i muri. Storicamente il 2.4 GHz è stato usato in più dispositivi, ma questo significa che le frequenze 2.4 GHz sono più affollate e soggette a interferenze.

Primi Wi-Fi con Wireless A e B

Le prime versioni della specifica Wi-Fi 802.11 a raggiungere il mercato furono wireless a e b, standardizzate alla fine degli anni '90 e diventate prodotti reali all'inizio degli anni 2000. Ognuna usava una banda diversa. Wireless b usava la banda 2.4 GHz, ed era capace di fare networking a velocità fino a 11 megabit al secondo e portata fino a 45 metri. Wireless a usava la banda 5 GHz e aveva un throughput fino a 54 Mbps, ma la sua portata era solo 7-22 metri. La migliore portata e costo relativamente basso di Wireless b lo resero il più popolare dei due.

Wi-Fi mainstream con Wireless G

Il primo protocollo Wi-Fi ad avere ampio successo nel mercato consumer fu 802.11g o wireless g. Usava la stessa banda 2.4 GHz di wireless b, quindi era compatibile con l'hardware più vecchio che usava quello standard, ma a 54 Mbps offriva ora prestazioni comparabili alle reti wireless a. Era abbastanza buono per la maggior parte degli utenti domestici, e wireless g fu estremamente popolare durante il primo decennio degli anni 2000.

Prestazioni migliorate con Wireless N

Man mano che il Wi-Fi diventava più utile e popolare, gli utenti avevano bisogno di prestazioni migliori per gestire lo streaming video e altre applicazioni esigenti. La specifica 802.11n, arrivata nel 2009, affrontò questo con alcuni importanti aggiustamenti tecnici, ruotando principalmente intorno alle antenne Multiple-Input Multiple-Output o MIMO, che permettevano velocità fino a 300 Mbps. Offriva anche il channel bonding, l'opzione di usare canali separati per traffico upstream e downstream, che aumentava il throughput potenziale – almeno in teoria – a 600 Mbps. Usava sia frequenze 2.4 che 5 GHz, quindi era retrocompatibile con dispositivi che usavano wireless a, b e g.

Wireless AC alza l'asticella

La specifica wireless ac, dal 2014, raffinò ulteriormente quella tecnologia attraverso l'uso della tecnologia multi-user MIMO o MU-MIMO. Questo fornisce velocità base fino a 433 Mbps per canale, e con il channel bonding, è teoricamente possibile avere velocità di rete wireless ben nel range dei gigabit, o migliaia di Mbps. Wireless ac opera esclusivamente nella banda 5 GHz, ma molti produttori includono circuiti wireless n per mantenere i loro router compatibili con wireless b, g e n.

Protocolli wireless per scopi speciali

Ci sono un paio di protocolli 802.11 che non sono usati per reti Wi-Fi generiche, ma per comunicazioni specifiche dispositivo-dispositivo. Wireless ad, per esempio, usa la banda 60 GHz ed è molto veloce – potenzialmente fino a 6.7 Gbps – ma entro una portata di soli 3-3,5 metri. È meglio usato in situazioni che richiedono alto throughput tra dispositivi vicini. Wireless ah, anche noto come Wi-Fi HaLow, usa la banda 900 MHz inferiore per fornire portata estesa con throughput limitato a un massimo di 347 Mbps. È destinato a fornire segnali a lungo raggio per dispositivi a bassa potenza come elettrodomestici intelligenti e altre applicazioni IoT.

Wireless AX è dietro l'angolo

La domanda per prestazioni di rete Wi-Fi migliorate non andrà via presto – anzi, il contrario – quindi c'è una nuova specifica IEEE che arriva sul mercato. Si chiama wireless ax, e usa alcuni trucchi digitali per aumentare il throughput. Raddoppia la larghezza di ogni canale wireless disponibile e permette ai segnali di usare solo le porzioni di ogni canale di cui hanno bisogno, rendendo l'intero sistema più efficiente. Offre fino a quattro volte la portata e sei volte le prestazioni di wireless ac, almeno in teoria, e – importante per l'IoT – supporta molti più dispositivi contemporaneamente.

Un cambiamento nel branding Wi-Fi

Anche se le specifiche usate per il Wi-Fi sono definite dagli ingegneri IEEE, il termine "Wi-Fi" stesso e il logo Wi-Fi sono di proprietà di un consorzio di produttori noto come Wi-Fi Alliance. Gli ingegneri possono essere perfettamente felici di identificare gli standard con lettere e numeri, ma i produttori e i loro dipartimenti marketing amano mantenere le cose semplici e memorabili. Ecco perché la Wi-Fi Alliance ha annunciato un nuovo branding, rinominando wireless n come Wireless 4, ac come Wireless 5, e ax come Wireless 6. Quel tipo di sistema di numerazione è usato per tutto, dai cellulari ai franchise cinematografici, quindi dovrebbe essere più facile per i consumatori ricordare.

Protocolli wireless orientati ai dispositivi

Non tutti i protocolli wireless sono destinati a coprire grandi aree o fornire capacità di comunicazione estese. Alcuni dei più utili sono standard a corto raggio destinati ad aiutare dispositivi a bassa potenza a interagire tra loro. Questi potrebbero influenzare come interagite con un computer, telefono o altri dispositivi, o come i dispositivi parlano tra loro direttamente.

Comunicazioni a radiofrequenza diretta

Alcune delle forme più semplici di tecnologia wireless, inclusi mouse e tastiera wireless standard, non usano un protocollo wireless formale. Trasmettano direttamente su una frequenza radio preimpostata. Dispositivi più vecchi usano la frequenza 27 MHz, usata anche per giocattoli radiocomandati. Ha una portata scarsa ma è perfettamente fine per dispositivi che condividono una scrivania. Versioni più recenti usano la banda 2.4 GHz e possono essere usate più lontano, il che è ottimo se siete seduti ben lontano da un monitor gigante.

Bluetooth è più versatile

I dispositivi RF hanno bisogno del loro ricevitore per funzionare, ma Bluetooth no, ed è per questo che la tecnologia Bluetooth è più versatile. Bluetooth si basa su un'altra specifica wireless IEEE, 802.15.1, descritta come per personal area networks. Le reti ad area personale sono destinate a sostituire fili e cavi dentro e intorno a una singola persona o spazio di lavoro. Bluetooth è una tecnologia usata in questo tipo di rete perché si connette in modo affidabile, usa relativamente poca potenza, e può supportare fino a otto dispositivi simultaneamente.

Come funziona Bluetooth

Bluetooth connette i dispositivi su una fetta della banda 2.4 GHz. Quando i dispositivi sono connessi per la prima volta o accoppiati tramite Bluetooth, creano un codice di sicurezza univoco come una sorta di stretta di mano segreta tra loro. Dopo l'accoppiamento, si riconnettono automaticamente in futuro e non richiedono configurazione aggiuntiva. Il throughput dati Bluetooth è relativamente basso, quindi è usato principalmente per dispositivi di input e output come mouse e tastiere, altoparlanti, microfoni e cuffie.

Bluetooth Low Energy

Il basso consumo energetico è sempre stata parte della specifica Bluetooth perché i dispositivi senza fili sono a batteria per necessità, ma anche il Bluetooth standard usa troppa batteria per alcune applicazioni. Una versione rivista, Bluetooth Low Energy o BLE, si rivolge a quel segmento di mercato tagliando larghezza di banda e portata per ridurre il consumo energetico. È frequentemente usato in fitness band e smartwatch, per esempio, e ha potenziale per l'uso con dispositivi IoT.

Comunicazioni Near-Field

Near-Field Communications, o NFC, è il più corto raggio di tutti i protocolli wireless. Opera su una distanza di pochi centimetri, usando chip a bassissima potenza. Lo conoscete come la tecnologia usata nelle app tap-to-pay per il vostro telefono, inclusi Apple Pay, Google Pay e Samsung Pay. È anche ampiamente usato in badge di sicurezza e applicazioni simili.

Protocolli wireless per l'IoT

Altri protocolli wireless stanno emergendo per soddisfare le esigenze di singoli dispositivi intelligenti e dell'Internet of Things collettivamente. Questi non sono orientati al consumatore come tali, anche se i prodotti che abilitano certamente lo sono. Alcuni dei più prominenti includono:

• Thread: Questo protocollo wireless è entrato nel portafoglio di Google quando ha comprato il leader dell'automazione domestica Nest. Basato sullo standard wireless IEEE 802.15.4, è usato nei rilevatori di fumo e dispositivi di automazione di Nest. Altri vendor possono optare per Thread se vogliono essere compatibili con i prodotti nell'ecosistema Nest.
• Zigbee e Zigbee Pro: Zigbee e Zigbee Pro operano sulle bande 2.4 GHz e 900 MHz e possono potenzialmente supportare migliaia di dispositivi alla volta in un dato sito. A differenza di Thread, Zigbee è sostenuto da un consorzio di centinaia di produttori.
• ZWave e ZWave Plus: Un altro protocollo importante per l'uso IoT è ZWave, simile a Zigbee ma progettato per essere più semplice e meno costoso da implementare. Opera sulle bande 800 e 900 MHz, che offrono buona portata e meno interferenze della banda 2.4 GHz. È stato creato dall'azienda danese Zensys ma ora ha ampio supporto dai produttori.
• MQTT: Message Queue Telemetry Transport è progettato per dispositivi a bassa potenza e basso throughput come sensori relativamente "stupidi", che non hanno bisogno del tipo di throughput dati richiesto per dispositivi IoT "intelligenti" interattivi.