Technologické pozadie
Bezdrôtová komunikácia je založená na prenose elektromagnetických vĺn. Elektromagnetické vlny vznikajú vždy, keď sa zrýchlia elektrické náboje, t. j. vždy, keď sa zmení elektrické pole. To znamená, že tok striedavého prúdu cez drôt bude generovať elektromagnetické vlny, ktoré zodpovedajú týmto zmenám. Frekvencia takto vytvorených vĺn sa rovná frekvencii striedavého prúdu. Generované vlny sú odvádzané preč z toku prúdu, t. j. drôt funguje ako vysielacia anténa. Inverzný fyzikálny efekt funguje podľa očakávania: ak elektromagnetická vlna zasiahne drôt, indukuje v drôte striedavý prúd rovnakej frekvencie. Takto fungujú prijímacie antény rádií alebo televízorov. Anténa je najúčinnejšia, ak jej rozmery zodpovedajú 1/4 vlnovej dĺžky vysielaných alebo prijímaných vĺn. Elektromagnetické vlny sa šíria rýchlosťou svetla 3,0 pri 108 m/s, t. j. pri frekvencii 1 GHz by vlna mala dĺžku (3 * 108 m/s)/ 109 1/s = 0,3 m = 30 cm => optimálna dĺžka antény by bola 7,5 cm.
Tento základný fyzikálny jav sa pôvodne používal pre analógové dáta, ako je zvuk alebo obrázky, ale môže sa použiť aj na prenos digitálneho dátového toku. Na tento účel sa pôvodné dáta užitočného zaťaženia musia skonvertovať na sériový signál („základné pásmo“) predtým, ako sa použijú na moduláciu nosnej frekvencie RF. Rôzne technológie bezdrôtových sietí používajú rôzne modulačné techniky na integrovanie oboch zdrojov priebehu. Napríklad jednoduchá frekvenčná modulácia (FM) môže kódovať dáta v nosnej vlne zmenou jej frekvencie. Ilustračný obrázok 1 znázorňuje princíp fungovania elektronického zariadenia, ktoré vykonáva konverziu digitálnych údajov na signál bezdrôtového prenosu, a to práve na báze FM.
Po modulácii nosného signálu, výsledok je zosilnený a privedený do antény. Typické nosné frekvencie 1 – 5 GHz, používané pre štandardy bezdrôtovej dátovej komunikácie, sa pohybujú v priamej línii, takže vysielač aj prijímač musia byť presne zarovnané v priamej viditeľnosti. Vlny ľahko prejdú prázdnym priestorom alebo cez izolačné materiály, ale nedokážu prejsť cez vodivé materiály. Betón, s kovovou výstužou alebo bez nej, je jedným z najhorších stavebných materiálov v prípade potreby prechodu bezdrôtového signálu. Namiesto prechodu sa signál odráža. Signál však nestratí energiu, ak nosná vlna prechádza cez preglejku alebo sadrokartón. Všeobecné fyzikálne pravidlo hovorí, že pohybujúce sa rádiové vlny na nižších frekvenciách sú menej citlivé na prekážky a odolávajú aj zlým poveternostným podmienkam, ale sila nízkofrekvenčných vĺn prudko klesá, keď prekonávajú veľkú vzdialenosť. Vysokofrekvenčné rádiové vlny majú väčší výkon.
Licencované a nelicencované frekvenčné spektrum
Ako sa dalo očakávať, používanie rádiových frekvencií je regulované vnútroštátnymi orgánmi. Väčšina krajín má vládne agentúry zodpovedné za prideľovanie a kontrolu využívania rádiového spektra. V Európe máme spoločnú regulačnú agentúru pre komerčné prideľovanie spektra, ktorá je riadená Európskym inštitútom pre telekomunikačné normy (ETSI). Cieľom je zaručiť spravodlivú dostupnosť rádiových frekvencií a efektívne, primerané a relatívne nerušené využívanie týchto nosných frekvencií. Súvisiace rozhodnutia o pridelení akéhokoľvek daného bloku spektra sú vo všeobecnosti riadené politickým mandátom regulovať spektrum „vo verejnom záujme“. Každá udelená licencia definuje konkrétny účel, na ktorý možno frekvenciu použiť, a podmienky, ktoré je potrebné splniť. Niektoré povinnosti sa vzťahujú aj na držiteľov licencií, napr. v súvislosti so zavedením siete a dostupnosťou služieb, napr. vo vidieckych oblastiach.
Typicky sa pri prideľovaní spektra využíva aukčný proces na predaj práv na vysielanie signálov cez špecifické pásma elektromagnetického spektra a na prideľovanie týchto vzácnych zdrojov. Koncept je založený na technologickej neutralite a umožňuje, aby sa každý frekvenčný slot mohol používať iným technickým spôsobom, ale zvyčajne ich používajú iba operátori mobilných sietí (MNO) na budovanie bunkovej infraštruktúry pre hlasové a dátové komunikačné služby, ako sú LTE a/alebo NB-IoT. Na predaj sú frekvenčné bloky v konkrétnych pásmach, ktoré sa používajú v konkrétnej krajine, napr. v pásmach B1 (2100 MHz) alebo B3 (1800 MHz), alebo B20 (800 MHz). V rámci týchto pásiem sú frekvenčné bloky poskytované na výhradné použitie uchádzačom s najvyššou ponukou.
Napríklad v roku 2016 v aukcii licencií pre Nemecko bol frekvenčný blok, napr. blok „1800E“, špecifikovaný ako pár kanálov so šírkou pásma 2 x 5 MHz (5 MHz pri uplinkovej, 5 MHz pri downlinkovej komunikácii) a nakoniec bol predaný za približne 250 miliónov eur. V tom čase bol celkový výsledok aukcie spektra okolo 5 miliárd eur – za 11 frekvenčných blokov s akumulovanou šírkou pásma kanála 270 MHz (zdroj), čo zodpovedá obchodným očakávaniam mobilných operátorov pre túto krajinu (hlavne pre hlasovú komunikáciu). Zúčastňuje sa len niekoľko veľkých hráčov, spoločností, ktoré si môžu dovoliť vybudovať vlastnú celoregionálnu infraštruktúru mobilných sietí. Konkurencia je obmedzená, čo je nevýhodou pevného prideľovania spektra, pretože to môže spomaliť implementáciu nových funkcií, ktoré každoročne zavádza iniciatíva 3GPP prostredníctvom globálnych štandardov pre mobilné bezdrôtové siete.
Takže okrem tohto spôsobu prideľovania frekvenčného spektra existujú aj nelicencované pásma, ktoré je možné využívať voľne – bez licencie, ale podľa špecifického súboru pravidiel. Pravidlá môžu zodpovedať špecifickému prístupovému protokolu, aby sa zabezpečila spravodlivosť, obmedzenia na úrovni výkonu atď. Účelom týchto nelicencovaných pásiem je podporiť inováciu a nízkonákladovú implementáciu.
Populárnymi predstaviteľmi tejto kategórie sú nasledujúce štandardy bezdrôtovej komunikácie:
- Bluetooth sa používa hlavne na výmenu súborov medzi prenosnými zariadeniami, ktoré sa nachádzajú vo vzájomnej blízkosti, zvyčajne v práci alebo doma („PAN – personal area network“), napr. na prepojenie počítača alebo smartfónu s tlačiarňou alebo reproduktorom. Typické spojenia sú point-to-point, ale zariadenie môže komunikovať maximálne so siedmimi zariadeniami v pikonete. Max. povolený výstupný výkon zariadení triedy 1 je 100 mW, čo umožňuje dosah prenosu 100+ metrov. Implementované zabezpečenie je založené na vlastných algoritmoch a vyvoláva vážne obavy zo strany NIST a výskumných ústavov.
- ZigBee sa zameriava na nízkonákladové spotrebné a priemyselné zariadenia, ktoré vyžadujú krátky (do 100 m) bezdrôtový prenos dát s nízkou rýchlosťou 250 kbps. Zariadenia vo väčšej vzdialenosti sa dosahujú prenosom údajov cez sieť medziľahlých zariadení. ZigBee podporuje komplexné zabezpečenie pomocou 128-bitového symetrického šifrovania dát a podporuje tiež autentifikáciu správ (MAC).
- Wi-Fi sa bežne používa na lokálne siete (LAN) zariadení a prístup na internet. Prístupový bod Wi-Fi má často dosah okolo 20 metrov vo vnútri alebo až 150 metrov vonku. Vysielaný výkon v Európskej únii je obmedzený na 20 dBm (100 mW). Šifrovanie Wi-Fi WPA2 sa považuje za bezpečné za predpokladu, že sa použije silná prístupová fráza. Wi-Fi má vyššiu spotrebu energie v porovnaní s inými štandardmi LAN, ako je ZigBee alebo bluetooth, čo je problém pre zariadenia napájané z batérie.
- LoRaWAN je nízkoenergetická bezdrôtová sieť s nízkou bitovou rýchlosťou, zameraná na aplikácie internetu vecí s prenosovou rýchlosťou v rozsahu od 0,3 kbit/s do 50 kbit/s na kanál. Technológia LoRa poskytuje veľmi dlhé dátové spojenia, až 15 km vo vidieckych oblastiach. Zabezpečenie je založené na integrovanom šifrovaní AES-128 a jedinečnom ID zariadenia.
Okrem riešení pozemnej konektivity sú ponúkané aj satelitné komunikačné služby pre aplikácie internetu vecí, napríklad pre aplikácie na monitorovanie alebo sledovanie majetku vo vzdialených oblastiach, ktoré nepokrýva žiadna iná bezdrôtová sieť. Na tento účel slúžia desiatky alebo stovky satelitov na nízkej obežnej dráhe Zeme (LEO), ktoré pracujú ruka v ruke, aby zabezpečili široké pokrytie siete a udržiavali nepretržité downlinkové spojenie s používateľským zariadením.
Kritériá výberu
Okrem dosahu siete je prenosová rýchlosť (rata rate) ďalším veľkým rozdielom a dôležitým parametrom pri porovnávaní bezdrôtových technológií. Obrázok 2 znázorňuje tieto parametre pre uvedené normy v maticovom prehľade. Max. rozsah siete vedie k spoločnej kategorizácii bezdrôtových technológií na lokálne siete (LAN), ako je Wi-Fi, ZigBee, bluetooth, alebo na siete WAN ako LTE a nízkoenergetické siete WAN (LPWAN), ako je LoRa, NB-IoT a LTE-M.
Nezávisle od technických charakteristík je základným rozdielom použitý obchodný model sieťových služieb, t. j. ako je sieť riadená a ako sú poskytované služby. Používanie licencovaných pásiem ponúkajú externí odborníci ako spoplatnenú službu. Zvyčajne sú to operátori mobilných sietí (MNO), ktorí zároveň vlastnia sieťovú infraštruktúru. Prístup je založený na zmluvnom „pláne predplatného“, ktorý špecifikuje príslušný poplatok za prístup, za správu, za objem dát atď. Ako protihodnotu používateľ získa stabilnú a spoľahlivú sieť vrátane cloudových služieb pre štatistiky používania, správu zariadení atď. Pri používaní nelicencovaných pásiem poplatky za používanie nevznikajú, pretože si ich spravuje používateľ siete sám. Používateľ si musí zakúpiť vybavenie a zabezpečiť si tiež udržiavanie sieťovej infraštruktúry. Na prvý pohľad sa používanie mobilných sietí javí ako drahšie, ale pri detailnejšom porovnaní možno zistiť, že výpočet celkových nákladov na vlastníctvo nelicencovanej siete musí zahŕňať aj jednorazovú investíciu do hardvéru a softvéru, ako aj opakujúce sa náklady na prevádzku a správu siete (vrátane cloudu).
Okrem toho, hlavným problémom bezdrôtových sietí v nelicencovaných pásmach je to, že mnohé prevádzkové zariadenia používajúce rovnaký kanál v tesnej blízkosti sa môžu navzájom rušiť, čo môže spôsobiť, že pásmo bude nepoužiteľné. Hoci sa predpokladá, že predpisy a technické prostriedky (napr. preskakovanie frekvencie) toto riziko zmierňujú, licencované pásmo ponúka vyššiu úroveň spoľahlivosti.
Vzhľadom na zvyšujúce sa požiadavky na súkromie a bezpečnosť dát pre elektronické zariadenia by sa mala dôkladne zvážiť správna autenticita a dôvernosť prenosu údajov. Týka sa to najmä IoT aplikácií s internetovým pripojením. Na použitie so zariadeniami celulárnej siete poskytujú operátori mobilných sietí SIM karty, ktoré sú určené hlavne na kontrolu predplatného, ale slúžia aj ako silné zabezpečenie typu end-to-end (nezmeniteľná identita zariadenia). Typické LAN aplikácie sú menej zraniteľné, pretože sa používajú v obsluhovaných prostrediach. Ale v prípade bezpečnostných obáv je pre aplikácie s krátkym dosahom ZigBee pravdepodobne najlepšou voľbou, bluetoothu by ste sa mali vyhnúť a vybavenie Wi-Fi vyžaduje správne nastavenie.
Spotreba energie je vážnym problémom pre koncové zariadenia napájané z batérie, o ktorých sa predpokladá, že zostanú v prevádzke dlhý čas. Štandardné LTE spotrebuje oveľa viac energie ako Wi-Fi, ale oba druhy zariadení vyžadujú počas prevádzky časté dobíjanie batérie. Všeobecným pravidlom pre všetky bezdrôtové zariadenia je, že RF časť rozpočtu energie dominuje, aj keď je obmedzená na 100 mW na prenos dát. Toto je problém pre zariadenia, ktoré musia byť online a neustále dostupné. Dlhú životnosť batérie by mohla zabezpečiť zriedkavá schéma prenosu dát „pulled“ a/alebo naplánovaná „push“, ak to cieľová aplikácia umožňuje. NB-IoT bol navrhnutý pre tento druh prevádzkového režimu.
Na základe uvedených kritérií poskytuje tabuľka prehľad porovnania technológií bezdrôtových sietí.
Ak sa potrebujete poradiť, produktoví špecialisti v SOS electronic vám radi pomôžu vybrať vhodné riešenie do aplikácií. Široká ponuka produktov, ako sú antény, komunikačné moduly alebo vývojové kity ku komunikačným modulom pre spomínané bezdrôtové technológie a vaše IoT projekty, je dostupná na webovej stránke.
Máte záujem o ďalšie informácie? Alebo máte inú otázku či požiadavku? Vyplňte nasledujúci formulár, radi vám pomôžeme.
Nezmeškajte takéto články!
Páčia sa Vám naše články? Nezmeškajte už ani jeden z nich!
Nemusíte sa o nič starať, my zabezpečíme doručenie až k Vám.
