Tehnologia wireless cu rază scurtă de acțiune

Tehnologia wireless cu rază scurtă de acțiune (SRWT − Short-Region Wireless Technology) este un tip de comunicație wireless între dispozitive, într-o regiune cu diametru mic, la nivel minim de un milimetru, folosind unde radio. Modurile de comunicație wireless cu rază scurtă de acțiune, larg folosite, sunt Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee și UWB.

Aplicațiile pentru dispozitivele wireless cu rază scurtă de acțiune includ: contoare de utilități (energie, apă), măsurare și control la distanță, aplicații RFID, dispozitive controlate prin radio, alarme de incendiu, de securitate și sociale, radare de vehicule, microfoane și căști fără fir, semne și semnale de control de circulație, deschizătoare de uși de la distanță și chei de mașină, cititoare de coduri de bare, detectarea mișcării și multe altele.

Comisia Europeană reglementează, prin organizațiile CEPT și ETSI, alocarea mai multor benzi de dispozitive în aceste scopuri, restricționează parametrii utilizării acestora și oferă orientări pentru evitarea interferențelor radio.

SRWT este utilizată într-o gamă largă de aplicații:

Rețele locale fără fir (WLAN). WLAN este un sistem de comunicații implementat ca extensie la, sau ca alternativă pentru o rețea locală (LAN) cablată. Exemple de rețele WLAN: rețelele Wi-Fi de acasă și rețelele WLAN pentru întreprinderi.
Telemetrie. Se referă la transmiterea datelor la distanță, de la o locație spre o stație centrală de monitorizare. SRWT este folosită pentru telemetrie în aplicații industriale, cum ar fi monitorizarea fluxului de fabricație sau a condițiilor de mediu.
Control acces. SRWT poate controla accesul în clădiri, camere și zone securizate. Etichete RFID (Radio Frequency Identification) pot identifica personalul autorizat și acorda acces în anumite zone.
Comunicație industrială. SRWT este folosită pe scară largă în aplicații industriale pentru comunicarea între senzori, controlere și elemente de execuție.
Jocuri și divertisment. SRWT este utilizată într-o varietate de dispozitive de jocuri, cum ar fi controlere wireless și căști sau difuzoare fără fir.

SRWT operează pe o varietate de frecvențe, inclusiv 900 MHz, 2,4 GHz și 5 GHz. Aceste frecvențe sunt ideale pentru comunicarea pe distanță scurtă, deoarece este mai puțin probabil să interfereze cu alte dispozitive fără fir.

Notă. Segmentul “întreprindere” (enterprise) al pieței mondiale de rețele locale wireless (WLAN) a crescut cu 43,3% de la an la an. În primul trimestru al anului 2023 (1T23) a ajuns la 2,8 miliarde USD, potrivit datelor publicate în International Data Corporation (IDC) Worldwide Quarterly Wireless LAN Tracker. Wi-Fi 6 și Wi-Fi 6E, cele mai noi standarde din industria WLAN, continuă să stimuleze creșterea segmentului enterprise al pieței. Punctele de Acces Dependente (AP) Wi-Fi 6 au reprezentat 78,6% din veniturile AP. Între timp, Wi-Fi 6E, care extinde utilizarea Wi-Fi la banda de spectru de 6 GHz, a înregistrat un impuls rapid continuu, veniturile crescând secvențial cu 14,1% de la 4T22 la 1T23, pentru a reprezenta 10,4% din veniturile AP dependente. – Sursă: https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS50864423

Tehnologiile uzuale de comunicație wireless cu rază scurtă de acțiune (SRWT):

Bluetooth. Tehnologie standard fără fir, utilizată într-o gamă largă de dispozitive, inclusiv telefoane mobile, computere și dispozitive audio. Bluetooth folosește frecvențele de 1,6 și 2,4 GHz.

Wi-Fi. Larg utilizată pentru a crea rețele WLAN. Wi-Fi folosește frecvențele de 2,4 GHz și 5 GHz.
ZigBee. Tehnologie wireless de putere redusă utilizată pentru aplicații cu un consum redus de energie. ZigBee folosește frecvențele de 900 MHz și 2,4 GHz
Z-Wave. Tehnologie wireless de putere redusă, similară cu ZigBee. Z-Wave folosește frecvența de 900 MHz.
UWB. Tehnologia UWB (Ultra-Wideband) pentru comunicație wireless pe rază scurtă, utilizează o lățime de bandă mai mare decât Bluetooth sau Wi-Fi, de până la 10 GHz.

De reținut! SRWT este o tehnologie versatilă, care poate fi utilizată într-o gamă largă de aplicații. E o alegere excelentă pentru aplicații care necesită comunicații pe distanță scurtă, consum redus de energie și imunitate la interferențe.

Variante și caracteristici de bază ale tehnologiilor SRWT

Tehnologia wireless cu rază scurtă de acțiune a adus la un nivel superior aplicații precum echipamentele industriale, aparatele de uz casnic și asistența medicală și divertisment.

Bluetooth® Low Energy (LE)
Bazată pe standardul 802.15.1 IEEE, Bluetooth® e o tehnologie de comunicații fără fir între dispozitive, adoptată pe scară largă, ce folosește benzi de frecvențe de bază și protocoale specifice. Există variante de tehnologie Bluetooth, dar Bluetooth LE este eficientă la comunicații pe distanță scurtă, fiind optimizată pentru consum foarte redus de putere, costuri și dimensiuni mici. Bluetooth LE este ideal pentru dispozitive portabile, dispozitive inteligente IoT și accesorii alimentate de la baterie.
Caracteristici cheie Bluetooth LE:

Consum de energie ultra-scăzut
Cost eficient
Compatibil cu Android, iOS și altele
Raza de transmisie și sensibilitatea receptorului îmbunătățite
Funcționează ani de zile cu baterii tip monedă

Conform actualizării anuale a pieței Bluetooth: „Până în 2025, livrările anuale de dispozitive compatibile Bluetooth vor depăși 6 miliarde de unități”.

Bandă ultra-largă (UWB)
Ultra-wideband (UWB) este un protocol de comunicații de înaltă performanță, o soluție optimă pentru transmisii fără interferențe pe distanță scurtă. Are o putere redusă și este eficient la costuri. UWB are o lățime de bandă mare pentru urmărire precisă, colectare de date și comunicare.
Caracteristici cheie UWB:

Putere scăzută (0,5 mW/-41,3 dBm/MHz)
Precizie de localizare de 10-30 cm
Securitate înaltă
Protecție folosind mai multe canale, insensibil la interferențe

Protocoale wireless bazate pe 802.15.4 Zigbee, Z-Wave și Thread®
Bazate pe IEEE 802.15.4, tehnologiile Zigbee, Z-Wave și Thread oferă aplicațiilor inteligente un consum redus de energie, la rate mici de date. Administrat de Z-Wave Alliance, Z-Wave se separă de Zigbee și Thread prin funcționarea pe benzi de frecvențe fără licență, pentru a evita interferențele.
Caracteristici cheie ale Zigbee:

Latență scăzută (viteză mare)
Rază de acțiune maximă: 10 m
Suportă maxim 65.000 de noduri
Durată mare de viață a bateriei
Suportă topologii mesh, stea sau mixte

Caracteristici cheie Z-Wave:

Rază de acțiune maximă: 30 m
Conectează maxim 232 dispozitive
Rată de date 9,6-100 kbps
Operează la 908/916 MHz

Caracteristici cheie ale Thread®:

Rază de acțiune maximă: 30 m
Suportă topologii mesh și stea
Maxim 250 de conexiuni
Rată transfer date de 250 kbps
Operează la 2,4 GHz

Sursa: Symmetry Electronics

Notă. În informatică, un Thread® (Fir) este o unitate de execuție care poate fi programată independent. Thread-urile sunt similare cu procesele, dar au o dimensiune mai mică și împărtășesc memoria cu procesul părinte.
Thread-urile îmbunătățesc performanța aplicațiilor prin execuția mai multor sarcini în paralel. De exemplu, un browser web poate folosi thread-uri pentru a încărca mai multe pagini în același timp.
Thread-urile sunt utilizate pentru a îmbunătăți interacțiunea cu utilizatorul. De exemplu, un joc video poate folosi thread-uri pentru a actualiza grafica și sunetul în timp real, în timp ce un program de editare text poate folosi thread-uri pentru a permite utilizatorilor să scrie și să editeze simultan același fișier.

Notă. Există un serviciu de Thread dezvoltat de Google. Thread este un protocol de comunicație de rețea “low-power”, de lungă durată, creat pentru a conecta dispozitive IoT. Thread este bazat pe standardul IEEE 802.15.4 și oferă o serie de avantaje față de alte protocoale IoT, cum ar fi Zigbee și Z-Wave.

Thread oferă următoarele avantaje:

Eficiență energetică: este un protocol low-power, deci poate fi utilizat pentru dispozitive IoT cu baterii.
Fiabilitate: este un protocol robust, creat pentru a funcționa în medii dificile.
Scurt timp de configurare: este ușor de configurat și de utilizat.
Interoperabilitate: este compatibil cu o varietate de dispozitive IoT.

Thread este utilizat într-o varietate de aplicații IoT:

Sisteme de automatizare casnică.
Sisteme de monitorizare a sănătății.
Sisteme de securitate.

Thread vine încorporat în dispozitive inteligente. Pentru a-l utiliza, e nevoie de un router de margine Thread (Border Router) pentru a conecta rețeaua thread la rețeaua Wi-Fi de acasă. Odată ce acest lucru este instalat, orice dispozitiv compatibil Thread – până la 250 simultan – se poate conecta, indiferent de producător.

Thread este în curs de dezvoltare, cu sprijinul unui număr mare de producători de dispozitive IoT. Printre companiile care susțin Thread se numără Google, Samsung, Amazon, IKEA și NXP.

Google a lansat OpenThread, o implementare open-source a Thread®, pentru a face tehnologia de rețea utilizată în produsele Google Nest disponibilă pe scară mai largă dezvoltatorilor, accelerând dezvoltarea de produse pentru locuințe și clădiri comerciale conectate.

OpenThread implementează toate straturile de rețea Thread (IPv6, 6LoWPAN, IEEE 802.15.4 cu securitate MAC, Mesh Link Establishment, Mesh Routing) și roluri de dispozitiv, precum și suport pentru Border Router.

OpenThread® acceptă topologii mesh, stea și mixte. – Sursa: OpenThread

Notă.

Rețea Mesh. În forma sa cea mai simplă, fiecare dispozitiv este conectat la orice alt dispozitiv din rețea.

Rețea Star. În forma sa cea mai simplă, constă dintr-un locație centrală (hub central) care acționează ca intermediar pentru transmiterea mesajelor. În topologia stea, fiecare dispozitiv este conectat la un hub central.
Sursa: Voler Systems

Identificare prin radiofrecvență (RFID)

Bazată pe Identificarea automată și captarea datelor (AIDC), tehnologia RFID (Identificarea prin frecvență radio) este o variantă în soluțiile de urmărire a activelor. Identifică și colectează date despre obiecte fără linie vizuală. Etichetele RFID se oferă în 3 game de frecvențe: LF, HF și UHF, fiecare potrivită pentru diferite aplicații.

Low Frequency (LF RFID): frecvențe de la 30 KHz la 300 KHz și o gamă de urmărire de 10 cm. Aplicațiile LF RFID includ urmărirea animalelor și controlul accesului.
High Frequency (HF RFID): frecvențe de la 3 la 20 MHz și un interval de urmărire de la 10 cm la 1 m. Aplicațiile RFID HF includ transferuri, bilete și urmărirea plăților.
Ultra-High Frequency (UHF RFID): frecvențe de la 300 MHz la 3 GHz și o rază de urmărire de până la 12 m. Aplicațiile RFID UHF includ urmărirea stocurilor, comunicațiile fără fir și metodele de combatere a contrafacerii produselor farmaceutice.

Urmărirea locației Wi-Fi

Wi-Fi, bazat pe standardele 802.11 IEEE, este familiar pentru accesul la internet și conexiunile la dispozitive locale. Urmărirea locației Wi-Fi utilizează tehnici precum măsurătorile TDoA (Time Difference of Arrival) și funcționează pe infrastructura Wi-Fi existentă, cu o rază de urmărire de 3-5 m.

Notă. TDoA este o metodă de poziționare care determină diferența dintre momentul de sosire (ToA) a semnalelor radio de la o sursă necunoscută. TDoA necesită cel puțin 3 receptoare pentru a calcula cu exactitate locația (unghiul) entității urmărite, cum ar fi etichetele de urmărire aplicate personalului sau activelor cheie, în timp real.

Ce SRWT este optim pentru designul unui dispozitiv?

În peisajul vast al comunicațiilor fără fir, cu rază scurtă de acțiune, alegerea optimă a unui dispozitiv este esențială. Fie că este vorba de eficiența energetică a Bluetooth LE, de precizia UWB, de versatilitatea Zigbee, Z-Wave și Thread, de capabilitățile de urmărire ale RFID sau de familiaritatea Wi-Fi, alegerea corectă poate face toată diferența.

Ce trebuie știut?

Un dispozitiv cu rază scurtă de acțiune (SRD − Short Range Device), descris în Recomandarea ECC 70-03, este un dispozitiv emițător de radiofrecvență utilizat în telecomunicații pentru transmiterea informațiilor, care are o capacitate redusă de a provoca interferențe perturbatoare altor echipamente radio.

Sursa imagine: MOKO SMART

Dispozitivele cu rază scurtă de acțiune sunt transmițătoare cu putere redusă, de obicei limitate la 25-100 mW putere radiată efectivă (ERP) sau mai puțin, în funcție de banda de frecvență, ceea ce limitează raza lor utilă la câteva sute de metri și nu necesită o licență de utilizare.

Tehnologiile wireless cu rază scurtă de acțiune includ Bluetooth, Wi-Fi, NearLink, near-field communication (NFC), LPWAN, ultra-wideband (UWB) și IEEE 802.15.4. Acestea sunt implementate prin cipuri fabricate ca circuit integrat RF CMOS (circuit RF).

Notă. Piața de cipuri Bluetooth este o piață în creștere rapidă, datorită cererii tot mai mari de telefoane mobile, tablete, căști, difuzoare și dispozitive IoT. În 2022, piața globală de cipuri Bluetooth a fost estimată la 11,6 miliarde USD. Se așteaptă ca această piață să crească la 21,5 miliarde de dolari până în 2027, cu o rată de creștere anuală compusă (CAGR) de 9,4%. China este cel mai mare producător de cipuri Bluetooth din lume, cu o cotă de piață de 35,5% în anul 2022. Următorii cei mai mari producători sunt Taiwan (29,5%), Coreea de Sud (16,7%) și Statele Unite (10,3%). – Sursă: https://en.wikipedia.org/wiki/Short-range_device

10 dintre cei mai buni producători actuali de SRD din lume, care oferă cipuri SRD de înaltă performanță, dimensiuni reduse și eficiente din punct de vedere energetic, pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv electronice industriale, auto, medicale și dispozitive de larg consum în birouri și case: Qualcomm (companie americană multinațională), Broadcom (companie americană multinațională), MediaTek (companie din Taiwan), Texas Instruments (TI) (companie americană), NXP Semiconductors (companie olandeză), Nordic Semiconductor (companie norvegiană), Dialog Semiconductor (companie germană), Silicon Labs (companie americană), STMicroelectronics (companie franco-italiană), Infineon Technologies (companie germană).

Factorii de luat în considerare la selectarea unui dispozitiv potrivit aplicației:

Frecvența și impedanța: Care este frecvența și impedanța antenei dispozitivului?
Obstacole fizice: Există bariere, precum pereții sau alte aparate, care afectează comunicarea?
Nivel de zgomot electromagnetic: Ce dispozitive pot perturba comunicarea wireless?

Siretta − o companie cu sediul în UK, oferă o gamă largă de produse și servicii pentru comunicații fără fir, inclusiv pentru tehnologia SRWT.

Siretta Alpha 1A Dual Band Wi-Fi and 5G/4G Adhesive T-bar Antenna.
Alpha 1A este o antenă subțire, cu profil redus, cu bară în T, dimensiuni 104 × 10,8 × 4 mm, montată cu adeziv. Este reglată pe GSM (2G), UMTS (3G), LTE (4G), NR (5G), Wi-Fi în bandă duală (2,4 GHz și 5 GHz) și frecvențele ISM de 2,4 GHz.

Suportă 5G NR / 4G LTE / 3G UMTS / 2G GSM
Suportă benzile LTE Cat M, LTE Cat NB și NR Cat NB
Acceptă Wi-Fi cu bandă duală de 2,4 GHz și 5 GHz
Suportă Bluetooth și BLE, Zigbee și ISM 2,4 GHz și benzi ISM 5,8 GHz

Aplicațiile tipice sunt pentru contoarele inteligente de energie, echipamentele panoului de alarmă sau pe partea laterală a echipamentelor de telemetrie. Totuși, această antenă se va potrivi cu o mare varietate de medii și aplicații.

Siretta Alpha 3A 5G / 4G / 2.4 GHz Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee Adhesive Antenna.

Antena Alpha 3A pentru o mare varietate de aplicații RF și M2M, care funcționează în aplicații quad band 2G, 3G, 4G, 5G, LoRa, ISM și 2,4 GHz precum Wi-Fi, Bluetooth.

Suportă 5G NR / 4G LTE / 3G UMTS / 2G Quad-band GSM
Suportă benzile LTE Cat M, LTE Cat NB și NR Cat NB
Suportă aplicații de 2,4 GHz: Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, ISM 2,4 GHz
Suportă aplicații de 868 MHz și 915 MHz: LoRa, Sigfox, Helium, Weightless
Dimensiune 72 × 25 mm
Montare cu adeziv pe suprafață nemetalică

Siretta Alpha 10 5G / 4G / Bluetooth / Zigbee Adhesive Blade Antenna.

Alpha 10 este o antenă subțire, 116 × 21,5 × 4 mm. Are un câștig de 3 – 5 dBi în secțiuni ale spectrului RF din aplicațiile Industrial IoT, îmbunătățind comunicația pe distanță scurtă a modemurilor Wi-Fi, gadgeturilor Bluetooth sau senzorilor Zigbee de putere redusă.

Suportă 5G NR / 4G LTE / 3G UMTS / 2G GSM
Suportă benzi LTE Cat M, LTE Cat NB și NR Cat NB
Suportă WiFi 2,4 GHz
Suportă Bluetooth și BLE, Zigbee, ISM 2,4 GHz și IEEE 802.15.4 Band
Montare cu adeziv pe suprafață nemetalică

Aplicațiile tipice sunt pentru contoarele inteligente de energie, echipamentele panoului de alarmă sau pe partea laterală a echipamentelor de telemetrie.

Siretta Alpha 11 Dual Band Wi-Fi 5G / 4G Adhesive Flat Blade Antenna.

Alpha 11 este o antenă reglată pentru o mare varietate de module RF și IoT, pe frecvențe 2G, 3G, 4G și 5G.

Acoperire celulară bună în bandă largă
Acoperire Wi-Fi Dual Band, 2,4 GHz și 5 GHz
Design subțire și discret, 117 × 22mm, montare cu adeziv.

Siretta Alpha 16 2.4GHz WiFi / WLAN Adhesive Antenna.

Alpha 16 este o antenă WiFi 2,4 GHz cu o amprentă mică de 39,9 × 33,5 mm, montată cu bandă adezivă în aplicații. Are un câștig de vârf de 2dBi, îmbunătățind comunicațiile cu rază scurtă de acțiune a modemurilor WiFi, gadgeturilor Bluetooth sau senzorilor ZigBee de putere redusă.

Pentru antene, selectarea se poate face dintr-o gamă largă de variante pentru a conecta dispozitive prin diverse tehnologii și categorii de frecvențe: Bluetooth, Wi-Fi, WLAN, ZigBee, LoRa Wireless, 4G LTE, 5G New Radio, UWB.

Referințe WEB
https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS50864423
https://www.symmetryelectronics.com/blog/short-range-wireless-communication-fundamentals/
https://openthread.io/
https://www.volersystems.com/blog/wireless/star-mesh-networks
https://ro.farnell.com/iot-wireless-network-protocols
https://en.wikipedia.org/wiki/Short-range_device
https://www.siretta.com/products/antennas/antenna-selector/
https://www.mokosmart.com/short-range-wireless-communication-technology-vs-long-range-wireless-communication-technology/

Constantin Savu
Director General – Ecas Electro

ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro asigură aprovizionarea cu produse Siretta.

Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emilfloroiu@gmail.com)
birou.vanzari@ecas.ro