Nykyisin on käytössä useita erilaisia langattoman tiedonsiirron standardeja ja protokollia, jolloin saattaa olla vaikea valita oikeanlainen, tiettyyn sovellukseen soveltuva teknologia. Tässä artikkelissa tuodaan esiin eräitä tärkeimpiä kriteerejä, joita on syytä ottaa tarkastelun kohteeksi, kun valittavana on neljä suosittua vaihtoehtoa: Wi-Fi, Bluetooth Low Energy, valmistajakohtainen RF-tekniikka ja Connectivity Standards Alliancen protokolla Green Power.

Useita tärkeitä näkökohtia on otettava huomioon langatonta teknologiaa valittaessa. Näistä näkökohdista monet ovat toisistaan riippuvaisia ja kompromisseja on tehtävä toimivan kokonaisuuden aikaan saamiseksi. Onneksi useimmat teknologiat perustuvat standardeihin ja ne on suunniteltu tiettyihin sovelluksiin ja ekosysteemeihin soveltuviksi, jolloin nuo kompromissit on jo valmiiksi huomioitu eri käyttökohteiden tarpeiden ja yhteentoimivuuden osalta.

Yritysten omia yksityisiä protokollia käytettäessä pääasiallinen etu on se, että langatonta protokollaa voidaan optimoida halutulla tavalla, koska yhteentoimivuutta ulkoisen ekosysteemin kanssa ei vaadita. Protokollan vaatima informaatio ja lähetysaika voidaan minimoida sovelluksen erityisvaatimusten edellyttämällä tavalla. Yksityinen eli valmistajakohtainen protokolla tarjoaa eniten joustavuutta ja on yleensä hinnaltaan edullisin ja pienitehoisin saatavilla oleva ratkaisu.

Seuraavaksi artikkelissa eri näkökohdat jaetaan pienempiin osiin ja pohditaan niiden välisiä riippuvuuksia toisistaan. Kaksiosaisen artikkelin toinen osa ilmestyy huhtikuussa.

Taajuusalue

Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) ja Zigbee (IEEE 802.15.4) -teknologiat toimivat lisensioimattoman taajuusalueen 2,4 GHz:n kaistalla. 2,4 GHz on kansainvälinen lisensioimaton kaista, joka yhdessä Wi-Fi:llä ja Bluetooth LE:llä varustettujen kännyköiden yleistymisen myötä on ollut tukemassa 2,4 GHz:n käyttöä standardinomaisesti.

Kaistan 2,4 GHz lisäksi uudemman polven Wi-Fi käyttää myös 5 GHz:n kaistaa, jolloin kuormitusta voidaan vähentää ja saadaan aikaiseksi suurempi kaistanleveys. Yhdysvaltain FCC on äskettäin ottanut käyttöön toisen, lähellä 6 GHz:iä olevan kaistan suuremman kaistanleveyden mahdollistamiseksi. Myös muualla maailmassa 6 GHz on muodostumassa kansainväliseksi standardiksi.

Taulukko 1: Teknologioiden vertailu.

On olemassa alueellisia alle GHz:n kaistoja saatavissa lisensioimattomaan käyttöön, mutta valitettavasti noilla taajuusalueilla ei ole kansainvälisiä taajuusstandardeja. Yleisiä taajuuksia ovat 433 MHz useissa maissa, 915 MHz Yhdysvalloissa ja 868 MHz Euroopassa. Tästä seuraa, että laitevalmistajien pitää kehittää erilaisia alueellisia ratkaisuja. Tämä on alle gigahertsin kaistojen suurin haittapuoli. Monet radiopiirien toimittajat kuitenkin tukevat onsemin tavoin yhtenäistä laitteistosuunnittelua, jossa pienillä osaluetteloon tehtävillä muutoksilla saadaan toteutettua laitteet eri alueiden vaatimusten mukaisiksi ja jolloin tarvittavat muutokset ovat usein minimaalisia.

Sivuhuomautuksena voidaan todeta, että Zigbee-teknologia tukee myös alle GHz:n kaistoja, mutta että 2,4 GHz on eniten käytössä nykyisin. Poikkeuksena on Iso-Britannia, jossa Zigbee on käytössä älykkäässä energian mittauksessa.

Kuva 2: Kansainväliset lisensioimattomat taajuusalueet.

Lisensioitujen taajuusalueiden käyttö on myös yleistä, joskin tavallisimmin niitä käytetään kriittisissä ja laajalle alalle levittäytyvissä verkoissa. Esimerkkeinä voidaan mainita satelliittiverkot ja älykkään energian mittauksen verkot. Myös kaupalliset turvapalvelut käyttävät lisensioituja kaistoja. Pääasiallinen syy käyttää lisensioituja taajuusalueita on niiden luotettavuus ja häiriöiden sieto. Samasta syystä myös matkapuhelimet toimivat lisensioiduilla taajuuksilla.

Tiedonsiirtoetäisyys

Tiedonsiirtoetäisyys on monimutkainen aihealue, joka riippuu monista parametreista ja fyysisistä ominaisuuksista, jotka eivät kuulu tämän artikkelin aihepiiriin. Yleisellä tasolla voidaan kuitenkin mainita, että tiedonsiirtoetäisyys riippuu ainakin seuraavista parametreista:

• Ympäristön fyysiset siirto-ominaisuudet (tiedonsiirtokanava)
• Lähetyssolmupisteen lähtöteho
• Vastaanottimen kyky poimia äärimmäisen heikkoja signaaleja sen kohinatasoon nähden (ts. herkkyys)
• Häiritsevien signaalien olemassaolo ja vastaanottimen kyky vastaanottaa estettyjä signaaleja
• Antennin suunnattavuus
• Itse protokollan teknologia

Wi-Fi:n, Bluetooth LE:n ja Zigbee/802.15.4:n protokollien fyysiset ominaisuudet on jo viritetty niiden käyttökohteisiin sopiviksi. Vaikka ymmärrettäisiinkin lähetysteho, ympäristöparametrit ja niiden vaikutus langattomaan signaaliin, antenniparametrien, vastaanottimen herkkyyden ja sen häiriönkestävyyden määrittäminen jää yhä järjestelmäsuunnittelijan vastuulle.

Tiedonsiirtoetäisyys on kääntäen verrannollinen taajuuskaistaan. Peukalosääntö on, että kun taajuus kaksinkertaistuu, niin etäisyys puolittuu. Kasvattamalla lähtötehoa voidaan laajentaa siirtoetäisyyttä, mutta lopulta tästä tulee epäkäytännöllistä. Perusperiaatteena on se, että on olemassa raja, jonka ylittäminen lähtötehoa lisäämällä ei enää paranna siirtoetäisyyttä.

Toinen tiedonsiirtoetäisyyttä rajoittava parametri on datanopeus. Jos yrittää lähettää dataa yhä suuremmalla ja suuremmalla datanopeudella, sen vastaanottaminen vaikeutuu. Helppo tapa sisäistää tämä on, kun yrittää kertoa jotakin muille puhumalla hyvin nopeasti. Jos he eivät ymmärrä mitä puhutaan, kuulijaa ei auta puheäänen voimistaminen. Tämä on informaatioteorian peruslähtökohta tiedonsiirrossa.

Taajuuksien ja datanopeuksien kasvaessa protokollien tulee tukea MIMO-moniantennitekniikkaa. Perustasolla se tarkoittaa informaation jakamista rinnakkaisiin viesteihin, jolloin saadaan siirrettyä enemmän tietoa aikayksikköä kohden. Toisin sanoen lähettämällä rinnakkaisia datavirtoja samassa ajassa saadaan lähetettyä enemmän dataa tehokkaasti lisäämällä datanopeutta ilman, että tiedonsiirtoetäisyys kuitenkaan vähenisi. MIMO-järjestyksen määrää rinnakkaisten kanavien lukumäärä. Esimerkiksi 4x4 MIMO tarkoittaa neljää lähetintä ja neljää vastaanotinta. Tämä datanopeuden ja etäisyyden välinen kompromissi on yksi merkittävimmistä syistä siihen, miksi 5G-toteutuksissa vaaditaan niin monia linkkimastoja. Nopeudet 5G:ssä ovat niin paljon suurempia kuin 4G:ssä, jolloin MIMO:lla varustettuja tukiasemia tarvitaan enemmän riittävän suorituskykyisen verkon toteuttamista varten.

Yksityisten protokollien määrityksiä rajoittavat lainsäätäjän asettamat rajoitukset tietyille kaistoille. Esimerkiksi EU-maissa 868 MHz:n kaistalla lähtöteho on rajoitettu +14 dBm:iin. Sovitettavia protokollan parametreja on useita:

• Purskeen alustusosan pituus ja harjoitussekvenssien, joilla opetetaan vastaanotin lukkiutumaan tulevalle signaalille, pituudet
• Datan ja protokollan hyötyinformaatiot
• Käytettävän modulaation tyyppi
• Kaistanleveys ja datanopeus
• Koodaus ja virheenkorjaus

Edellä oleva listaus ei ole kaikenkattava, mutta siinä on mainittu joitakin parametreja, joita tarvitaan suunniteltaessa yksityistä protokollaa. Kaikkea mahdollista hienosäätöä hyödyntäen yksityinen protokolla tarjoaa parhaan tavan minimoida tehonkulutus, koska kaikki parametrit ovat viritettävissä.

Verkkotopologia

Käytetäänkö mesh- vai jotain muuta verkkotopologiaa? Tästä pitkään jatkuneesta keskustelusta suunnittelijoilta löytyy vahvoja mielipiteitä. Mesh-verkkoihin liittyy eräitä väistämättömiä tosiasioita, jotka on otettava huomioon ennen varsinaista päätöksentekoa. Tarkastellaan aluksi Bluetooth LE ja Zigbee-tekniikoita, jotka molemmat soveltuvat käytettäviksi mesh-verkoissa.

Bluetooth LE on määritelmänsä mukaisesti lyhyen kantaman kaksipisteyhteysverkko ja niin sitä yleensä käytetäänkin. Bluetoothin standardointiorganisaatio (SIG) on kuitenkin viime vuosina määritellyt mesh-protokollan ja se on saanut jalansijaa älykkäitä valaistusratkaisuja kehittävän teollisuuden parissa. Se on suosittu osittain siitä syystä, että se on kätevästi yhdistettävissä kommunikoimaan suoraan matkapuhelimen ja useimpien yhdysväylien kanssa.

Kuva 3: Bluetooth LE -pohjainen mesh-verkkotopologia.

Mesh-verkkoja kannattaa kuitenkin käyttää vain silloin, kun niistä saadaan selvää hyötyä kyseisessä käyttökohteessa. Esimerkiksi tuotantolaitoksiin ja teollisuusympäristöihin mesh-verkko soveltuu erinomaisen hyvin, koska niissä useita solmupisteitä on kytkettynä toisiinsa ja linkeiltä vaaditaan suurta luotettavuutta sekä yksittäisten solmupisteiden häiriötilanteiden eliminointia. Silloin kun tämä on tärkeimpänä tavoitteena, tehonkulutuksen tarve vastaavasti lisääntyy, koska reititinsolmuille on syötettävä virtaa koko ajan. Toinen haittapuoli on latenssiajan pidentyminen. Kun viestit kulkevat monien solmujen kautta, mitä joskus kutsutaan hyppelyksi (hopping), latenssiaika saattaa lisääntyä. Reaaliaikaista dataa vaativissa sovelluksissa tästä saattaa aiheutua ongelmia.

Toinen ei niin itsestään selvä mesh-topologian tarjoama etu on, että se lisää verkon kantamaa. Kun kantama ei ole enää rajoittunut kaksipisteyhteyksiin (P2P), mesh-verkko on mahdollista skaalata paljon suuremmille etäisyyksille kuin mitä yksittäisen P2P-yhteyden toiminta edellyttää. Tästä aiheutuu jälleen lisää latenssia ja reititinsolmuissa joudutaan käyttämään monimutkaisempia ohjelmistoja ja suurempaa muistikapasiteettia tallentamaan pinomuistin lisäksi verkon reititystaulukon, mitkä lisäävät kokonaiskustannuksia.

Jos vain on mahdollista käyttää toteutuksessa tähtiverkkoa (pisteestä moneen pisteeseen), se osoittautuu tavallisesti taloudellisesti edullisemmaksi ratkaisuksi. Alle gigahertsin alueen tähtiverkko tarjoaa pidemmän siirtoetäisyyden ja kustannuksiltaan halvemman ratkaisun kuin lyhyen kantaman protokollan mesh-verkko. Tähtiverkko ei tarjoa kuitenkaan samantasoista häiriönsietoa, koska käytössä on vain yksi reittiyhteys käyttösolmun ja koordinaattorin välillä.

Kun tarkasteluun otetaan Wi-Fi, voidaan todeta, että se eroaa muista. Sille on tyypillistä suuri nopeus ja hyvä kantama, vaikka kyse onkin perinteisestä tähtiverkosta (P2P). Suuri kantama johtuu osaltaan siitä, että Wi-Fi-verkossa lähetysteho on tyypillisesti noin +30 dBm (1 W), jolloin kantama on pitempi. Tyypillinen Bluetooth LE:n tai Zigbeen radioyhteyden lähetysalue on välillä 0 - +8 dBm, joskus yhdyskäytävien/reitittimien kohdalla jopa +20 dBm. Ilman mesh-protokollaa Bluetooth LE:n toimintaetäisyys on tyypillisesti rajoitettu noin kymmeneen metriin ja Zigbee-tekniikan noin sataan metriin.

On myös syytä mainita, että 5 GHz:n ja 6 GHz:n kaistojen lisääminen Wi-Fi:iin pienentää kantamaa. Haluttaessa säilyttää palvelun laatu erinomaisena mesh-verkon käyttö yhdessä Wi-Fi:n kanssa korjaa tämän ongelman edellä mainitun haitan. Wi-Fi mesh -sertifiointiohjelman, josta käytetään EasyMesh-nimitystä, tarkoituksena on varmistaa, että eri laitetoimittajien Wi-Fi-solmut ja -ohjaimet ovat keskenään yhteensopivia, ja koordinoida, että yhtenäinen ja tehokas peitto pidetään kunnossa jatkossakin.

Lopuksi

Artikkelissa on esitetty joitakin näkökohtia, joita suunnittelijoiden tulee tarkastella suunnitellessaan langattomia järjestelmiä ja niihin liittyen taajuusalueita, tiedonsiirtoetäisyyksiä, verkkotopologioita ja suorituskykyyn vaikuttavia kompromisseja. Useimpien järjestelmien tavoin suorituskykyyn vaikuttavat kompromissit ovat usein keskenään toisistaan riippuvaisia.

Artikkelisarjan toisessa osassa tullaan käsittelemään, mitä muita näkökohtia on otettava huomioon, kun valitaan suunnitteluun sopivaa oikeaa langatonta tekniikkaa. Sellaisia näkökohtia ovat muun muassa tehonkulutus, yhteistoiminta ja turvallisuus.