Mercoledì, 11 Dicembre 2019 23:07

Le tecnologie Wireless

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Una carrellata non troppo approfondita che riassume le principali tecnologie senza fili a nostra disposizione da utilizzare a seconda della necessità infrastrutturale.

Questo riassunto può risultare molto utile agli alunni delle classi quinte, in preparazione all'esame di Stato, in cui è necessario progettare una infrastruttura di rete scegliendo le tecnologie più adeguate. I vari argomenti, trovano sicuramente maggior approfondimento sui libri di testo o altre riorse online.

 

Bluetooth a 2,4 GHz

Il Bluetooth è una tecnologia decisamente matura e diffusa. Utile a creare piccole reti dati, anche dette PAN Personal Area Network, ha una versione decisamente più interessante che si sta diffondendo ultimamente ovvero Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE, detto BLE, su alcuni prodotti indicato Bluetooth Smart). E' una tecnologia ideata per nuove applicazioni nel settore dell'assistenza sanitaria, sport e fitness, per localizzare punti particolari detti "beacon" un po' come il GPS, per la sicurezza, per l'industria dell'intrattenimento domestico con Smart TV e Cuffie, e per le industrie automobilistiche e dell'automazione. Rispetto al Bluetooth "classico", il Bluetooth Low Energy ha lo scopo di fornire un risparmio energetico con un costo notevolmente ridotto, mantenendo uno scambio dati tra dispositivi simili. Anche se diffuso solo commercialmente, sarà con buona probabilità, uno dei sistemi connettivi più usati per applicazioni IoT, rimpiazzando WiFi e 5G.

 

RFID e NFC

Li utilizziamo quotidianamente ormai nei nostri cellulari per effettuare pagamenti o acquistare beni come gli articoli sportivi della Decathon o la chiave dell'albergo piuttosto che la chiavetta dell'armadietto della palestra.

Sono tecnologie si dice "a bassa frequenza", per lo scambio di pochi dati per unità di tempo o su richiesta sempre con banda "stretta". Le onde radio a bassa frequenza si comportano un po' come le onde radio che raggiungono il nostro stereo di casa, o l'autoradio. Riescono quindi a passare attraverso gli ostacoli (l'acqua o i muri soprattutto) ma non attraverso i metalli.  

Risultati immagini per rfid


Incrementando le frequenze invece le onde radio si comportano più come la luce e tendono quindi a rimbalzare sugli oggetti e non a penetrarli. Se le frequenze diventano ultra alte (UHF), le onde vengono addirittura assorbite dall'acqua. Gli RFID sfruttano un principio elettromagnetico per cui si comportano come dei piccoli condensatori con cui alimentare il segnale che trasmettono, senza aggiunta di batterie. Gli RFID passivi hanno dei costi molto ridotti rispetto agli altri (20 centesimi) con un range di lettura di questo tipo di onde che arriva fino ai 3,5 metri. I fratelli maggiori, gli RFID attivi, hanno invece una copertura che si aggira sui 200 metri ma al modico costo di complicare la struttura con antenne e batterie per alimentare il segnale radio. NFC, tecnologia comune agli smartphone di ultima generazione, è una particolare versione con alcuni sistemi di sicurezza che opera sempre a bassa frequenza con distanze di 10 metri di copertura e velocità 424 kbit/s.

 

WiFi 2,4 GHz e 5 Ghz

Il wifi è sicuramente la tecnologia senza fili più diffusa e conosciuta, anche tra i non addetti al lavoro. Spesso confusa con "internet", il WiFi è una tecnologia che nasce per le reti LAN, per interconnettere dispositivi di una piccola rete domestica, aziendale, scolastica ecc, per poi avere la possibilità di essere collegata con un normale modem o router alla rete internet.  Nonostante fosse inferiore alla HiperLAN, ha avuto maggiore fortuna tra gli assemblatori di pc che ne hanno di fatto decretato il successo. Non scriviamo molto su questo articolo, poichè questa tecnologia è abbondantemente studiata e documentata sui manuali scolastici. Ci limitiamo a ricordare le prestazioni dei vari standard, in particolare nella frequenza libera dei 2.4 Ghz il protocollo 802.11 di classe n consente 450 Mbit/s mentre nella frequenza 5 Ghz (da non confondere con il concetto di 5G della telefonia mobile) attualmente la più diffusa classe è la ac con 3 Gbit/s di trasferimento, mentre sta già facendo capolino sui modem/ap più recenti la classe ax, anche detto WiFi di sesta generazione, che assicura fino a 6 Gbit/s. PEr ogni classe vale sempre il discorso degli 13/14 canali disponibili per evitare sovrapposizione di celle di copertura WiFi, possibilmente con salti di 2 o 5 canali per minimizzare le interferenze.. Tecnologia molto comoda che ha consentito una larga diffusione di dispositivi portatili sempre connessi, dagli smartphone, ai tablet, ai laptop, ma presenta numerosi svantaggi a cominciare dalla latenza di 1/3 ms maggiore rispetto alla connessione cavo ethernet ma pur sempre inferiori alla telefonia GSM/UMTS che arriva a 200/400ms di latenza in più. E' quindi sconsigliata per applicazioni con elevata interattività e necessità di feedback in tempo reale come i videogiochi o controllo a distanza di oggetti teleguidati.

Canali Wi-Fi

C'è poi l'annoso problema dell'elettrosmog e dei danni che la sovraesposizione continuativa delle cellule umane alle onde elettromagnetiche. L'Organizzazione mondiale della sanità afferma che "ad oggi, nessun effetto dannoso per la salute è stato riconosciuto come causato dall'uso di telefoni mobili." Alcune autorità nazionali hanno raccomandato ai loro cittadini, come semplice norma precauzionale, di minimizzarne l'esposizione.

 

WiFi Mesh

E' una infrastruttura WiFi complessa che ha lo scopo di creare una "maglia", mesh in inglese, appunto. Immaginate di essere a casa col vostro laptop o smartphone collegato alla rete wifi e di volervi spostare su piani differenti, stanze anche lontane dalla postazione del modem/access point senza però perdere qualità del segnale. L'idea è quella di estendere la copertura della nostra rete mediante dispositivi che siano "peer to peer" ovvero che siano tutti allo stesso livello, pari appunto, in modo che ogni dispositivo effettui la stessa funzione, anche magari bilanciando il carico di lavoro, rimanendo con una infrastruttura del tutto trasparente all'utente connesso. L'idea la troviamo già nelle nostre case dove abbiamo router o dispositivi "ripetitori", decisamente più versatili del router centralizzato, che possono coprire zone "al buio" di segnale e che possono anche adattarsi ad agganciare un dispositivo/utente più vicino migliorando la qualità della trasmissione. L'esempio casalingo è sicuramente molto interessante, ma le reti mesh possono trovare applicazioni molto versatili anche fuori dalle mura domestiche. Pensate ad un campus universitario, il cantiere di una azienda molto grande tra uffici e zona produttiva, una zona cittadina come il lungomare delle nostre città costiere: con una rete mesh potremmo rimanere sempre connessi con i nostri dispositivi o i dispositivi di produzione, sempre agganciati alla rete con vantaggi in termini di consumi, sicurezza e "business continuity".

Tra le marche di dispositivi ideali e ideati per le reti mesh, l'azienda Fritz! vanta una considerevole esperienza assieme a Netgear Orbi e Google WiFi.

Le reti mesh trovano grande utilizzo ultimamente nelle nostre case per coprire tutte le stanze e punti morti consentendo l'utilizzo semplice di dispositivi come Amazon Alexa e Google Home o applicazioni innovative come IFTTT.

 

HiperLAN e HiperLINK

Acronimo di HIgh PErformance Radio LAN, è la tecnologia europea contrapposta allo standard americano 802.11. Ideato con alcune varianti a cavallo del 2000, periodo in cui lo standard 802.11 non sembrava avere un gran risvolto tecnologico ma che fu preferito dai vari produttori hardware decretandone l'insuccesso nel mercato main-stream nonostante le prestazioni nettamente superiori. I prodotto HiperLAN sono in genere utilizzati su dispositivi di fascia alta e le premesse tecnologiche hanno dato ampio respiro allo standard 802.16, meglio noto come WiMAX. HiperLAN lavora nella banda libera dei 5 Ghz, consentendo 54 Mbit/s di banda con 60 km di distanza tra antenne. L'unica accortezza è che queste ultime siano a vista, ovvero senza ostacoli fisici frapposti. Le versioni successive denominate HiperLINK, sono arrivate a bande di 155 Mbit/s. Il protocollo proprietario, per esteso Elimination-Yeld Non-preemptive Priority Multiple Access, è utilizzato per la gestione dell'accesso al canale e ha numerosi vantaggi che diminuiscono le collisioni. In Italia, negli anni 2000 è stata utilizzata quale possibile soluzione al problema del digital divide, con vari provider che hanno costruito reti Hiperlan per fornire connettività, con buoni successi. 

 

Wi-MAX

Acronimo dii Worldwide Interoperability for Microwave Access, è lo standard americano 802.16 che propone di avere collegamenti wireless a banda larga. Ideato inizialmente per funzionare a10GHz, in una banda di frequenza la cui proprietà è lo Stato, che ne concede l'uso tramite asta pubblica. Ideato per applicazioni mobile fino a  100 Mbit con una mobilità, fino a 122 km/h! Per applicazioni fisse la banda si aggira al Gigabit/s con distanze di 20 km. In Italia ha avuto un discreto successo commerciale con aziende come Linkem, nonostante alcune limitazioni tecnologiche imposte per le frequenze dallo Stato. Nonostante non sia ideato come rimpiazzo della xDSL, ha comunque puntato l'attenzione commerciale alla questione linea dati/abbonamento voce, consentendo di liberarsi del telefono di casa. Nonostante i risvolti tecnologici interessantissimi, è una e rimane una connessione wireless con tutti i problemi di inquinamento elettromagnetico, disturbi del segnale, calo di prestazioni all'aumentare dei dispositivi connessi al canale condiviso.

LoRa

LoRa, acronimo di Long Range, è un tipo di connessione radio con frequenze relativamente basse, nelle fasce libere da licenza 433 MHz, 868 MHz (in Europa) e 915 MHz (in Nord America). Consente la trasmissione dati a 10 km, che si riducono a 3/5 km in un territorio urbano, fitto di pareti ed ostacoli per le onde. E' una tecnologia decisamente recente. La prima specifica, seppur in parte si tratti di un prodotto proprietario per la porzione MAC di Semtec, è stata rilasciata nel 2015, e solo nel 2018 sono cominciati ad essere diffusi chip a basso consumo con prestazioni molto interessanti. Sicura grazie alla criptazione AES128, con le batterie attuali, può lavorare anche 10 anni senza interruzioni grazie alla funzione di invio dati solo a richiesta "quando sono disponibili", consente la geolocalizzazione senza uso di GPS, con una banda di trasmissione di 50kbit/s fino a 250 kbit/s per la banda europea e fino a 980 kbit/s per la banda americana. LoRa è il sistema trasmissivo ideale a metà strada tra buetooth BLE e la classica rete GSM, con costi sostanzialmente irrisori per dispositivi e batterie. Di applicazioni ce ne sono già molte in svariati settori dall'agricoltura, la videosorveglianza,  la telemetria di svariati sensori sia dedicati all'automotive sia al monitoraggio ambientale ed industriale, tracciamento intelligente per il bike sharing, domotica per edifici smart, indicazioni sugli orari degli autobus intelligenti, rilevamento di presenza per parcheggi smart, previsione disastri naturali mediante monitoraggio di sensori, antibracconaggio. Avremo modo di approfondire il tema molto innovativo sulle pagine di questo sito.

 

ZigBee e Ant nella banda 2,4 GHz

Tipologia wireless che funziona nelle stesse frequenze riservate ad applicazioni industriali del LoRa, ma ha avuto una diffusione meno importante dal punto di vista commerciale se non grazie ad alcune marche quale Xiami e Sonoff che hanno spinto il mercato della smart home, con interruttori intelligenti, lampadine smart pilotabili con un sistema cloud anche via smartphone. Nel mercato europeo questa architettura ha avuto sorti migliori con il classico WiFi. Doveva essere un avversario killer di WiFi lavorando anche alla stessa frequenza 2.4 Ghz nella versione 3.0 e Blueetooth ma soprattutto il secondo introducendo la versione BLE, ne ha tappato le ali.

 

 

3G 4G LTE 5G

Sono le reti classiche basate su GSM, la classica telefonia dei nostri smartphone. L'evoluzione per i meno giovani parte dal 3G, quando commercialmente si sono cominciati a diffondere i primi smartphone commerciali a prezzi accessibili per la fascia utente main-stream. Il boom di prestazioni in senso di scambio dati, applicazioni mobile, app, sicuramente si è raggiunto col 4G, con operatori di telefonia che svendono a prezzi stracciati pacchetti dati molto consistenti. Il 4G ha così permesso di fruire di contenuti multimediali ovunque, dove non fosse presente un access point wirelss, visto che la copertura della rete GSM/4G è molto estesa, e sono pochi i punti in cui "non prende il nostro smartphone". Passato forse in sordina tra gli utenti, il 4G consente fino a un massimo di 100 megabit/s di download in movimento fino a 20 Km/h e 1 gigabit/s da fermi, il tutto con una portabilità tra celle GSM, se preferite, ripetitori differenti. Il 3G consentiva solo 3 megabit/s, la versione HSDPA 14 megabit/s, LTE fino a 326 megabit/s. Il futuro dovrebbe essere il tanto discusso 5G. Dovrebbe assicurare prestazioni superiori al predecessore: fino al gigabit per un numero decisamente più largo di utenti simultaneamente connessi ad una cella con una copertura più estesa e, soprattutto, con una latenza nettamente inferiore rispetto ai predecessori. Queste caratteristiche sono molto calzanti con le reti di sensori o dispositivi che richiedono interattività e scambio di dati nelle prossime reti IoT, Intenet delle Cose, in cui elettrodomestici, automobili, pc, smartphone, sensori di aziende o videosorveglianza saranno costantemente inter-connessi tra loro. Molte polemiche sono sorte su questa tecnologie, una delle prime ad utilizzare, non nell'immediato, frequenze con larghezze prossime alle microonde e frequenze altissime anche dell'ordine dei 60 Ghz, le uniche capaci di trasportare quantità di dati dell'ordine del 10 gigabit/s. Onde di simili frequenze si ritiene possano provocare danni alle cellule, interagendo e modificando anche il normale funzionamento del dna, in virtù della forte energia trasportata. Inoltre frequenze di simili hanno distanze di copertura teoricamente piuttosto brevi obbligando ad aumentare il numero di ripetitori sul territorio, generando un traffico decisamente maggiore e, quindi, un inquinamento elettromagnetico più significativo con le enormi di quantità di dispositivi connessi.   

 

 

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Prof. Alfredo Centinaro

Docente di "Scienze e tecnologie informatiche", "Tecnologie e progettazione di sistemi informatici", "Sistemi e Reti" presso IIS Alessandrini-Marino (Teramo), consulente e sviluppatore web. Ha collaborato per anni come sviluppatore presso MHT - Treviso, assistente Sistemi ed elaborazione dell'informazione in UniTE Corso di laurea in Scienze del turismo culturale, tutor presso Telecom Italia Learning Services (L'Aquila)

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