Bluetooth, Wi-Fi, BLE, Zigbee, Z-Wave, 6LoWPAN, NFC, Wi-Fi Direct, GSM, LTE, LoRa, NB-IoT & LTE-M

Η ασύρματη επικοινωνία αποτελεί πλέον αναπόσπαστο μέρος πολλών τύπων συσκευών και αναφέρεται στον έλεγχο ή τη μετάδοση πληροφοριών από απόσταση, χωρίς την ανάγκη χρήσης καλωδίων ή άλλων ηλεκτρικών αγωγών. Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός από ασύρματες τεχνολογίες που είναι σήμερα διαθέσιμες και στο άρθρο που ακολουθεί θα προσπαθήσουμε να συγκρίνουμε αυτές, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά που διαθέτει η καθεμιά.  

Τα πρώτα συστήματα ασύρματης επικοινωνίας εισήχθησαν στα τέλη του 19ου αιώνα, ενώ με την πάροδο των ετών η ασύρματη τεχνολογία πραγματοποίησε αλματώδη βήματα και αναπτύχθηκε σημαντικά. Σήμερα, ο όρος ασύρματο (wireless) αναφέρεται σε πλήθος συσκευών και τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται σε οικιακό και επαγγελματικό επίπεδο, κάνοντας τη ζωή μας πιο εύκολη. Οι ασύρματες τεχνολογίες έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά μεταξύ τους και για να εξηγήσουμε σε ποιες περιπτώσεις επιλέγεται η καθεμιά θα τις ταξινομήσουμε σε κατηγορίες, ανάλογα με τη λειτουργικότητα, την ταχύτητα δεδομένων και το εύρος λειτουργίας τους.

Τεχνολογίες Peer-to-Peer

Peer-to-Peer σημαίνει πολύ απλά ότι δύο συσκευές είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους για απευθείας επικοινωνία, ενώ μόνο δύο θα είναι και οι συσκευές που μπορούν να συμμετάσχουν κανονικά σε μια Peer-to-Peer σύνδεση, η οποία μπορεί να βασίζεται στις παρακάτω ασύρματες τεχνολογίες:

Bluetooth (Standard): Η πιο δημοφιλής Peer-to-Peer ασύρματη τεχνολογία είναι το Bluetooth. Χαρακτηριστικό παράδειγμα μιας Peer-to-Peer ασύρματης σύνδεσης αποτελεί η ευρύτατα χρησιμοποιούμενη σύνδεση μεταξύ του smartphone και ενός Bluetooth ηχείου. Λόγω του σχετικά μικρού εύρους λειτουργίας, η κατανάλωση του Bluetooth είναι αρκετά χαμηλή. Καταναλώνει πολύ λιγότερη ενέργεια από το Wi-Fi και από τις κυψελοειδείς (cellular) τεχνολογίες, περισσότερη όμως σε σύγκριση με το Bluetooth Low-Energy (BLE) και το Zigbee.

Wi-Fi Direct: To Wi-Fi Direct είναι λιγότερο δημοφιλές από το παραδοσιακό Wi-Fi, όμως σε αντίθεση με αυτό είναι όπως και το Bluetooth μια Peer-to-Peer ασύρματη τεχνολογία. Όπως είναι γνωστό, το παραδοσιακό Wi-Fi δημιουργεί ένα σημείο πρόσβασης που επιτρέπει σε πολλές συσκευές να συνδεθούν με αυτό. Αντίθετα, το Wi-Fi Direct μεταφέρει δεδομένα απευθείας από μια συσκευή σε μια άλλη, χωρίς την ανάγκη χρήσης ενός ασύρματου σημείου πρόσβασης. Υποστηρίζει την ίδια βασική τεχνολογία με το παραδοσιακό Wi-Fi, ενώ χρησιμοποιεί την ίδια συχνότητα και προσφέρει παρόμοιο εύρος ζώνης και ταχύτητα. Σε σχέση με το Bluetooth, το Wi-Fi Direct διαθέτει το πλεονέκτημα να υποστηρίζει υψηλότερες ταχύτητες μεταφοράς. Στην πραγματικότητα, είναι πρακτικά πάνω από εκατό φορές ταχύτερο και αυτό έχει το κόστος του, καθώς σε σχέση με Bluetooth καταναλώνει πολύ περισσότερη ενέργεια.

NFC: Ο όρος NFC (Near Field Communication) σημαίνει επικοινωνία κοντινού πεδίου και αναφέρεται σε μια πρότυπη τεχνολογία ασύρματης σύνδεσης που είναι θεμελιωδώς διαφορετική από τις υπόλοιπες, καθώς αντί για ραδιοκύματα χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Επειδή το NFC επικοινωνεί μέσω δύο πηνίων που είναι ηλεκτρομαγνητικά συνδεδεμένα μεταξύ τους, το εύρος λειτουργίας του φτάνει μόλις τα τέσσερα με πέντε εκατοστά. Λειτουργεί στη συχνότητα των 13,56MHz και μεταφέρει δεδομένα με ρυθμό έως 424Kbps. Την πιο συνηθισμένη χρήση του NFC τη συναντάμε στα συστήματα ανέπαφων πληρωμών. Αν και τα δεδομένα των πληρωμών είναι φυσικά κρυπτογραφημένα, το εξαιρετικά μικρό εύρος λειτουργίας του NFC συμβάλλει κι αυτό στη μείωση της πιθανότητας παραβίασης των συναλλαγών. Χρησιμοποιείται επίσης για την αποστολή αρχείων από μια συσκευή προς μια άλλη, ακουμπώντας αυτές απλά μεταξύ τους. Επιτρέπει τη χρήση παθητικών ετικετών (passive tags) NFC που λειτουργούν χωρίς δική τους τροφοδοσία και ενεργοποιούνται από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μιας συσκευής ανάγνωσης NFC. Τόσο η επικοινωνία όσο και η μεταφορά ισχύος πραγματοποιούνται μεταξύ των δύο συζευγμένων πηνίων. Πλεονέκτημα των παθητικών ετικετών αποτελεί το γεγονός είναι ότι είναι απλά, οικονομικά, μικρά σε μέγεθος και διαρκούν σχεδόν απεριόριστα, καθώς δεν διαθέτουν μπαταρία. Επίσης, το NFC εδραιώνει μια σύνδεση πιο γρήγορα (λιγότερο από 0,1 δευτερόλεπτα) σε σύγκριση με το κανονικό Bluetooth και πιο αργά σε σχέση με το Bluetooth χαμηλής ενέργειας (BLE).

Τεχνολογίες Mesh χαμηλής ισχύος / μικρής εμβέλειας / λιγότερων δεδομένων

Υπάρχουν τέσσερις τεχνολογίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ενός δικτύου χαμηλής κατανάλωσης ισχύος και δεδομένων, τα Bluetooth χαμηλής ενέργειας (BLE), Zigbee, Z-Wave και 6LoWPAN. Για συσκευές που λειτουργούν με μπαταρία και χρειάζεται να στέλνουν μικρές σχετικά ποσότητες δεδομένων σε μικρή απόσταση, η χρήση μίας από αυτές τις τέσσερις τεχνολογίες αποτελεί την καταλληλότερη λύση. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό που υποστηρίζεται από τα BLE, Zigbee, Z-Wave και 6LoWPAN είναι η δικτύωση mesh, η οποία επιτρέπει τη δημιουργία ενός τεράστιου δικτύου διασυνδεδεμένων συσκευών που μπορεί να καλύψει μια ευρύτατη περιοχή, με εξαιρετικά χαμηλές ποσότητες ενέργειας. Για να εξηγήσουμε πώς συμβαίνει αυτό στην πράξη, ας υποθέσουμε ότι έχουμε 30 συσκευές αριθμημένες από το 1 έως το 30, οι οποίες βρίσκονται σε απόσταση 10 μέτρων μεταξύ τους. Η αποστολή δεδομένων από τη συσκευή No 1 στη συσκευή No 30 δε χρειάζεται να διανύσει όλη την απόσταση των 300 μέτρων (κάτι που θα απαιτούσε εκπομπή τεράστιας ισχύος), καθώς με τη δικτύωση mesh τα δεδομένα μεταφέρονται από τη No 1 στη No 2, από εκεί στη No 3 και ούτω καθεξής, μέχρι τη συσκευή No 30. Καμία συσκευή δε θα εκπέμπει δεδομένα σε απόσταση μεγαλύτερη των 10 μέτρων κι έτσι η ισχύ που απαιτείται από καθεμιά θα είναι πολύ μικρότερη.

Bluetooth Low-Energy (BLE): Το Bluetooth χαμηλής ενέργειας είναι ίσως ο πιο συνηθισμένος τύπος ασύρματης σύνδεσης συσκευών και έχει σχεδιαστεί για να μεταδίδει και να λαμβάνει μικρές ποσότητες δεδομένων, καταναλώνοντας εξαιρετικά χαμηλές ποσότητες ενέργειας. Το BLE χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές, όμως η πιο κοινή από αυτές είναι η μετάδοση δεδομένων αισθητήρων, όπως συσκευές που μετρούν τη θερμοκρασία μία φορά το λεπτό, ή συσκευές GPS που καταγράφουν και μεταδίδουν τη θέση τους κάθε 10 λεπτά. Αποτελεί την ευκολότερη τεχνολογία για την υλοποίηση ασύρματης δικτύωσης και υποστηρίζεται ευρέως από τα κινητά τηλέφωνα και τα tablet. Χρησιμοποιεί επίσης ταχύτητα μεταφοράς έως 1Mbps (το standard Bluetooth μπορεί να φτάσει έως και 2-3Mbps), ενώ υποστηρίζει τη δικτύωση mesh, επιτρέποντας τη σύνδεση σε έως και 32.767 συσκευές!

Zigbee: Το Zigbee είναι μια ακόμη τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης μικρής εμβέλειας, με παρόμοια χαρακτηριστικά και εφαρμογές με το BLE. Χρησιμοποιεί την ίδια φέρουσα συχνότητα 2,4GHz, καταναλώνει πολύ λίγη ενέργεια και λειτουργεί σε περίπου ίδια εμβέλεια. Υποστηρίζει κι αυτό δικτύωση mesh που θεωρητικά μπορεί να περιλαμβάνει έως και 65.000 συσκευές, οι οποίες είναι διπλάσιες από αυτές που υποστηρίζει το BLE. Το Zigbee χρησιμοποιείται κυρίως σε οικιακές εφαρμογές αυτοματισμού, όπως ο έξυπνος φωτισμός, οι έξυπνοι θερμοστάτες και η παρακολούθηση της ενεργειακής κατανάλωσης στο σπίτι. Χρησιμοποιείται επίσης ευρέως στον βιομηχανικό αυτοματισμό, στους έξυπνους μετρητές και στα συστήματα ασφαλείας.

Z-Wave: Το Z-Wave είναι μια ιδιόκτητη ασύρματη τεχνολογία που αποκτήθηκε από την Silicon Labs το 2018, η οποία ανταγωνίζεται κυρίως τo Zigbee και τo BLE στην αγορά αυτοματισμού οικιακών συσκευών. Σε αντίθεση με τα Zigbee και BLE που χρησιμοποιούν τη δημοφιλή ζώνη 2,4GHz, το Z-Wave χρησιμοποιεί συχνότητα χαμηλότερη του 1GHz. Η ακριβής μπάντα του Z-Wave δεν είναι κοινή μεταξύ των διάφορων χωρών, καθώς στις ΗΠΑ λειτουργεί στα 908MHz, στην Ευρώπη χρησιμοποιεί τα 868MHz, ενώ σε άλλες χώρες και περιφέρειες χρησιμοποιείται το εύρος από 865MHz έως 921MHz. Υπάρχουν δύο σημαντικά πλεονεκτήματα της χαμηλότερης φέρουσας συχνότητας, η αυξημένη εμβέλεια και η μειωμένη παρεμβολή. Τα ραδιοκύματα χαμηλότερης συχνότητας μεταδίδονται σε μεγαλύτερη απόσταση, ενώ οι ζώνες συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται από το Z-Wave διαθέτουν λιγότερο συνωστισμό, σε αντίθεση με τη μπάντα των 2,4GHz που είναι εξαιρετικά ευπαθής σε παρεμβολές. Το μειονέκτημα της χαμηλότερης φέρουσας συχνότητας είναι η χαμηλότερη ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων, η οποία καταλήγει να είναι σχεδόν 10 φορές πιο αργή από το BLE. Το Z-Wave υποστηρίζει δίκτυα mesh μικρότερου μεγέθους με έως 232 συσκευές, αριθμός που είναι περισσότερο από επαρκής για τις περισσότερες εφαρμογές.

6LoWPAN: Το 6LoWPAN είναι μια ιδιαίτερη ασύρματη τεχνολογία που συνδυάζει δύο διαφορετικά ακρωνύμια. Το 6 αναφέρεται στην έκδοση 6 πρωτοκόλλου Internet (IP) και το LoWPAN αναφέρεται σε χαμηλής ισχύος ασύρματο δίκτυο προσωπικής περιοχής (Low-power Wireless Personal Area Network). Το 6LoWPAN είναι ουσιαστικά ένας νέος ανταγωνιστής για το Zigbee, που διαφοροποιείται κυρίως στο γεγονός ότι είναι ένα δίκτυο που βασίζεται σε IP, όπως το Wi-Fi. Όπως το Zigbee και το Z-Wave, έτσι και το 6LoWPAN χρησιμοποιείται κυρίως σε οικιακές εφαρμογές αυτοματισμού και έξυπνους μετρητές.

Τεχνολογίες τοπικού δικτύου (LAN)

Το Wi-Fi είναι γνωστό ως μια τεχνολογία τοπικού δικτύου LAN (Local Area Network), λόγω της συγκεκριμένης περιοχής κάλυψης. Μέσω του Wi-Fi, επιτραπέζιοι υπολογιστές, tablets, smartphones, έξυπνες τηλεοράσεις και άλλες ακόμα συμβατές συσκευές μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους, ή να χρησιμοποιούν ένα ασύρματο σημείο πρόσβασης για να αποκτούν δυνατότητα σύνδεσης στο internet. Το Wi-Fi λειτουργεί στις ζώνες των 2,4GHz και 5GHz και ένα σημείο πρόσβασης μπορεί να καλύπτει μια περιοχή περίπου 20 μέτρων σε εσωτερικούς χώρους, ή μεγαλύτερη απόσταση σε εξωτερικούς χώρους. Διαθέτει τα πλεονεκτήματα να είναι γρήγορο, φθηνό, εύκολο στην υλοποίηση, να έχει καλό εύρος λειτουργίας και να είναι ευρέως διαθέσιμο, ενώ το μεγαλύτερο μειονέκτημά του, τουλάχιστον για τις mobile συσκευές, είναι η υψηλή κατανάλωση ενέργειας.

Κυψελοειδείς τεχνολογίες μεγάλων αποστάσεων

Για συσκευές που βρίσκονται σε μακρινή απόσταση από ένα ασύρματο σημείο πρόσβασης, η μεταφορά δεδομένων απαιτεί τη χρήση μιας κυψελοειδούς (Cellular) τεχνολογίας μεγάλων αποστάσεων.

GSM: Ο όρος GSM (Global System for Mobile Communications) σημαίνει Παγκόσμιο Σύστημα Φορητών Επικοινωνιών. Αναφέρεται σε ένα κυψελοειδές ψηφιακό σύστημα κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς (2G), το οποίο χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικά σήματα και τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαχωρισμό του διαθέσιμου φάσματος συχνοτήτων σε ένα αριθμό καναλιών, τα οποία διαιρούνται σε χρονοθυρίδες για την μετάδοση σημάτων. Για μεγάλο χρονικό διάστημα αποτέλεσε την πιο συχνά χρησιμοποιούμενη κυψελοειδή τεχνολογία σε προϊόντα που δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες μεταφοράς δεδομένων, κάτι που οφείλεται κυρίως στη μεγάλη διαθεσιμότητα και το χαμηλό σχετικά κόστος υλικού του εξοπλισμού του. Όμως, το GSM καταργείται πλέον από τις περισσότερες εταιρίες κινητής σε όλο τον κόσμο, με σκοπό να απελευθερωθεί περισσότερο εύρος ζώνης για τα 4G και 5G smartphones που απαιτούν τεράστιες ποσότητες μεταφοράς δεδομένων.

LTE: Το LTE (Long Term Evolution) είναι μια κυψελοειδής τεχνολογία 4G που αποτελεί τη μακροπρόθεσμη εξέλιξη του GSM, καθώς αυξάνει τη χωρητικότητα και υποστηρίζει πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων, χρησιμοποιώντας καινοτόμες τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας και διαμόρφωσης σήματος. Λειτουργεί σε διαφορετικό εύρος ζώνης συχνοτήτων και δεν είναι συμβατό με τα υφιστάμενα δίκτυα 2ης και 3ης γενιάς. Είναι σχεδιασμένο για να παρέχει ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων της τάξης των 300Mbps για downlink και έως 75Mbps για uplink. Το εύρος ζώνης του φέροντος σήματος είναι μεταβλητό και κυμαίνεται από τα 1,4 έως τα 20ΜΗz, ενώ υποστηρίζονται τόσο η διπλεξία διαίρεσης συχνότητας, όσο και η διπλεξία διαίρεσης χρόνου. Η αρχιτεκτονική του δικτύου βασίζεται σε μια απλοποιημένη μορφή αρχιτεκτονικής IP, το EPC (Evolved Packet Core) που είναι ένας εξελιγμένος πυρήνας πακέτων, κάτι που αποσκοπεί σε χαμηλότερα λειτουργικά έξοδα.

Χαμηλής ισχύος τεχνολογίες για μεγάλες αποστάσεις

Για τη μεταφορά δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις που απαιτείται από πολλές συσκευές IoT, μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι ασύρματες τεχνολογίες LoRa, NB-IoT και LTE-M. Δυστυχώς όμως, καμία από αυτές δεν αποτελούν ευρέως υποστηριζόμενα παγκόσμια πρότυπα, κάτι που (ανάλογα με τη χώρα) καθιστά την εφαρμογή τους από δύσκολη έως αδύνατη.

LoRa: Το LoRa (Long Range) είναι ένα πρωτόκολλο ασύρματης επικοινωνίας πολύ μεγάλης εμβέλειας που μπορεί να ξεπερνάει τα 10 χιλιόμετρα σε ορισμένες περιοχές, καταναλώνοντας πολύ μικρή ισχύ. Πρόκειται για μια ιδιόκτητη ασύρματη τεχνολογία που αποκτήθηκε από τη Semtech το 2012 και λειτουργεί σε διάφορες ζώνες συχνοτήτων, ανάλογα με την περιοχή λειτουργίας. Στη Βόρειο Αμερική χρησιμοποιούνται τα 915MHz, στην Ευρώπη τα 868MHz, ενώ σε άλλες περιοχές τα 169MHz και τα 433MHz. Οι συσκευές και η τεχνολογία LoRa της Semtech χρησιμοποιούνται σε πολλά δίκτυα Internet of Things (IoT) παγκοσμίως, όπως τη διαχείριση ενέργειας, τη μείωση των φυσικών πόρων, τον έλεγχο της ρύπανσης, την αποδοτικότητα των υποδομών, την πρόληψη καταστροφών και άλλες ακόμα έξυπνες εφαρμογές. Παρόλο που το LoRa έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί σε μεγάλη κλίμακα, δεν αποτελεί μια κυψελοειδή τεχνολογία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κινητά δίκτυα, κάτι που όμως καθιστά απλούστερη και φθηνότερη την εφαρμογή της.

NB-IoT: Σε αντίθεση με το LoRa, το NB-IoT (NarrowBand Internet of Things) είναι μια κυψελοειδής τεχνολογία, κάτι που σημαίνει ότι είναι πιο πολύπλοκο, ακριβότερο στην εφαρμογή και καταναλώνει περισσότερη ισχύ, προσφέροντας όμως υψηλότερης ποιότητας συνδέσεις και άμεση πρόσβαση στο διαδίκτυο. Το NB-IoT προορίζεται για μετάδοση μόνο πολύ μικρών ποσοτήτων δεδομένων και επικεντρώνεται ειδικά στην κάλυψη εσωτερικών χώρων, το χαμηλό κόστος, τη μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και την υψηλή πυκνότητα σύνδεσης. Χρησιμοποιεί ένα υποσύνολο του προτύπου LTE, περιορίζει όμως το εύρος ζώνης στη στενή μπάντα των 200kHz. Το μεγαλύτερο μειονέκτημά του είναι η περιορισμένη διαθεσιμότητα, καθώς καμία εταιρία των ΗΠΑ δεν το υποστηρίζει ακόμα, και προς το παρόν δοκιμάζεται μόνο στην Ευρώπη, ενώ αναμένεται να είναι ευρύτερα διαδεδομένο μέσα στα επόμενα δύο χρόνια. Σε ότι αφορά την Ελλάδα, η COSMOTE έχει ήδη αναπτύξει το δικό της δίκτυο τεχνολογίας NB-IoT που υλοποιεί πιλοτικά προγράμματα, όπως το ‘‘Smart City’’ στην Πάτρα με εφαρμογές για έξυπνο φωτισμό, έξυπνο parking και παρακολούθηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, καθώς και το ‘‘Smart University Campus’’ στην Ξάνθη για την παρακολούθηση της ποιότητας της ατμόσφαιρας και του νερού, αλλά και τη διαχείριση του φωτισμού και του πετρελαίου θέρμανσης της Πανεπιστημιούπολης.

LTE-M: Το LTE-M είναι μια τεχνολογία ευρείας περιοχής χαμηλής ισχύος για τις IoT συσκευές που χρειάζονται απευθείας σύνδεση σε ένα δίκτυο κινητής τηλεφωνίας 4G. Πρόκειται για ένα υποσύνολο της κυψελοειδούς τεχνολογίας LTE, η οποία είναι βελτιστοποιημένη για συσκευές χαμηλού ρυθμού δεδομένων που χρησιμοποιούν μικρές μπαταρίες. Σε σύγκριση με το τυπικό LTE, το LTE-M είναι φθηνότερο στην υλοποίησή του επειδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν απλούστερα chip, λόγω του πιο περιορισμένου εύρους ζώνης. Βοηθάει επίσης στη μειωμένη κατανάλωση ενέργειας, ώστε να μην αποστραγγίζονται γρήγορα οι μικρές μπαταρίες. Επιπλέον, σε σύγκριση με το NB-IoT διαθέτει το πλεονέκτημα του συγκριτικά υψηλότερου ρυθμού δεδομένων, της κινητικότητας και της δυνατότητας ομιλίας μέσω δικτύου, απαιτεί όμως περισσότερο εύρος ζώνης και είναι πιο δαπανηρό.

Γράφει ο Χάρης Ματθαίου