Популярность мобильных устройств и развитие Интернета вещей (IoT) означают, что современная электроника не может обойтись без радиосвязи. Более того, часто недостаточно реализовать только один из стандартов - нужно несколько, чтобы удовлетворить все потребности пользователей. Давайте обсудим действующие стандарты радиосвязи, узнаем чем они отличаются, и когда использовать какие из них.

Радиосвязь делится на группы, в основном в зависимости от расстояния на котором должна вестись передача. Существуют сети PAN, LAN, WAN и MAN, в которых преобладают определенные типы протоколов. Персональные сети (PAN) создаются с использованием всевозможных беспроводных интерфейсов, дальность передачи которых достигает нескольких метров. Bluetooth доминирует в этой области, но благодаря его развитию новые версии этого протокола также позволяют создавать гораздо более обширные сети. LAN (Local Area Network) позволяет подключать устройства, расположенные в одной квартире или доме. Среди беспроводных решений наиболее очевидным протоколом для такой сети будет Wi-Fi, но все чаще, особенно в случае небольших энергоэффективных устройств, используются новые версии стандартов, такие как Bluetooth или другие облегченные радиоинтерфейсы. WAN (Wide Area Network) обычно понимается как Интернет-интерфейс. В типичных реализациях для обеспечения подключения к глобальной сети используются проводные или сотовые сети. MAN (Metropolitan Area Network), который уже потерял смысл, в основном из-за развития вышеупомянутых технологий. Идея сети MAN состоит в том, чтобы организовать собственную коммуникацию в районе многих зданий или даже всего города.

Bluetooth Сегодня Bluetooth очень популярный протокол. Ежегодно создается 4 миллиарда устройств, совместимых с этим стандартом, а организация Bluetooth SIG объединяет 34 000 компаний. Хотя изначально создатели Bluetooth решили что это не будет универсальным протоколом, сейчас ситуация совсем иная. Стандарт Bluetooth Special Interest Group развился до версий 1.0, 1.2, 2.0, 2.1, 3.0, 4.0, 4.1, 4.2 и 5.0, а теперь есть и версия 5.1.

Bluetooth работает в диапазоне ISM (промышленный, научный, медицинский; нелицензированный) на частотах около 2,4 ГГц. Его можно использовать, например, для передачи аудиосигналов на наушники или микрофоны, для связи с клавиатурами или мышками ПК; все эти функции заимствованы из старых времен Bluetooth Classic, то есть из периода до введения полностью инновационного расширения в виде Bluetooth Low Energy, доступного с момента появления версии Bluetooth 4.0. Именно технология Low Energy (теперь известная как Bluetooth Smart) обеспечила Bluetooth прочную позицию на рынке беспроводной связи.

Bluetooth 5.1 Последнее расширение, Bluetooth 5.1, было выпущено в 2019 году. Основное новшество - внедрение механизмов определения пространственной ориентации по входящим радиосигналам. Модуль BT 5.1 должен иметь возможность определять углы с которых приходят радиосигналы, благодаря чему устройства смогут определять не только расстояние, но и направление в котором находится другое устройство

ZigBee ZigBee - прямая альтернатива Bluetooth версии 5.0 и выше. Хотя он восходит ещё к 2002 году, а первые продукты, совместимые с ZigBee, появились в 2006 году, этот стандарт в значительной степени далек от проторенного пути - за пределами основной области интереса для большей части электроники. Есть много причин для этого.

В течение нескольких лет ZigBee использовался в умных домах, общественных зданиях, фабриках, умных городах и других крупных установках и транспорте. Но все время это были скорее промышленные устройства, и у них были свои правила. В промышленности внедрение новых электронных технологий происходит медленнее чем на потребительском рынке, а беспроводные технологии начали приниматься в промышленной среде намного позже, чем в устройствах, надежность которых не критична. Но в эпоху Интернета вещей ZigBee кажется сенсационным, готовым решением. Особенно выгодна возможность работы в ячеистых сетях, которая позволяет создавать очень обширные и надежные установки без строгого планирования архитектуры такой сети и обеспечения прямого подключения к шлюзам. Стандарт Bluetooth получил аналогичную возможность только в версии 5.0, а это означает, что подавляющее большинство устройств на рынке, которые используют Bluetooth, не могут использоваться для создания решетки. В случае ZigBee можно подключиться к существующей сети домашней автоматизации и использовать ее шлюзы.

LoRa и LoRaWan LoRa - протокол канального уровня, который отлично подходит для беспроводной связи P2P между небольшими устройствами. Он основан на технологии CSS (Chirp Spread Spectrum). Этот метод десятилетиями использовался в военной сфере и в космонавтике. Его ключевое преимущество - возможность получения большой дальности передачи и устойчивость к помехам. Передача осуществляется в нелицензионных диапазонах, на частоте 868 МГц в Европе и 915 МГц в Америке. На практике LoRa используется в основном в сети LoRaWAN, спецификация которой также включает сетевой уровень и, таким образом, определяет метод обмена информацией между несколькими устройствами. LoRaWAN оптимизирован для минимизации потребления энергии. LoRaWAN определяется как LPWAN (Low Power Wide Area Network), основана на звездообразной архитектуре. Это существенное отличие от ZigBee и Thread. Базовым элементом инфраструктуры этой сети является шлюз. Он обменивается данными по беспроводной сети с конечными узлами сети, то есть с конечными модулями IoT. С другой стороны, он использует более стандартные протоколы (такие как Ethernet, Wi-Fi или 3G) для подключения к сетевым серверам (облакам). Для конечных узлов шлюзы прозрачны - они только передают сообщение между устройствами и центральным сервером. Связь между узлами и шлюзами является двунаправленной, но также возможен многоадресный обмен сообщениями, то есть многим получателям одновременно. Безопасность данных гарантируется шифрованием 128-битным ключом AES128.

В 2017 году была опубликована техническая спецификация протокола LoRaWAN 1.1, что повысило его привлекательность. Внесены три основных изменения: поддержка роуминга передачи обслуживания, геолокации модуля и нового класса конечных узлов (класс B). Новый активный роуминг является альтернативой ранее использовавшемуся пассивному роумингу. Конечные узлы сети назначаются определенной домашней сети. Если они находятся за пределами диапазона этой сети, находясь в пределах диапазона другой сети LoRaWAN, для установления соединения им придется использовать инфраструктуру этой новой сети, то есть роуминг. 

Архитектура сети LoRaWAN во многом напоминает сотовые телефонные сети, которые также основаны на сети базовых станций, постоянно расположенных в данной зоне. Только в отличие от GSM, модули LoRaWAN не устанавливают соединение с одной выбранной базовой станцией. Сигнал, передаваемый оконечным устройством, достигает всех станций в пределах диапазона передачи и обрабатывается ими. Это увеличивает устойчивость сети к ошибкам и сбоям, вызванным отказом одного элемента инфраструктуры. Только сетевой сервер устраняет повторяющиеся пакеты. Сервер, помимо фильтрации пакетов, также занимается определение скорости передачи данных, контроль безопасности и выбор оптимальных шлюзов для реализации передачи по нисходящей линии связи.

Внедрение функции геолокации было вполне очевидным шагом, поскольку оно просто использовало тот факт, что в сети LoRaWAN сигнал передаваемый конечным узлом принимается и обрабатывается всеми базовыми станциями в пределах досягаемости. К кадру, передаваемому модулями, была добавлена ??отметка времени, на основе которой базовые станции, такие как, например, приемники системы спутниковой навигации, могут вычислить разницу между временем передачи и временем приема кадра. Исходя из этого, используя показания с четырех базовых станций (с синхронизированными часами), сервер может точно определить местоположение модуля. Благодаря этому использование сети LoRaWAN позволяет отказаться от приемника GNSS, поскольку требования к точности и доступности местоположения невелики. Классы и типы устройств LoRaWAN Теперь про разделение устройств LoRaWAN на классы. Сетевые узлы могут относиться к одному из трех классов, в зависимости от их применения. Классы определяют время прослушивания, когда это устройство может получить сообщение от базовой станции. Увеличение времени прослушивания передачи уменьшает задержку с которой можно связаться с модулем, но увеличивает потребность в электроэнергии, таким образом сокращая время работы при использовании энергии батареи. Напротив, связь по восходящей линии связи (от узлов к базовой станции) инициируется в каждом конкретном случае (независимо от класса узла) конечными устройствами в зависимости от их потребностей. К классу А относятся устройства с наиболее низким энергопотреблением, то есть с наименьшей доступностью. Они слушают сигналы только сразу после того, как их собственная передача закончилась. Этот класс в основном используется для различных типов датчиков. Класс B был введен в протокол LoRaWAN 1.1. Устройства этого класса, как и в случае класса A, могут принимать непосредственно после окончания своей собственной передачи, но, кроме того, они также открывают окна приема в заранее запланированное время. Чтобы базовая станция могла обмениваться данными с модулем во время этого дополнительного окна, необходима временная синхронизация между устройствами. Устройства класса C способны принимать сигнал почти все время, кроме случаев когда они передают сами. Это связано с самым высоким энергопотреблением, но обеспечивает немедленную двустороннюю связь без каких-либо дополнительных задержек. Помимо конечных устройств, существуют также шлюзы, сетевые серверы и серверы приложений. Шлюзы также известны как модемы и точки доступа, поскольку они получают данные передаваемые конечными узлами, используя LoRaWAN. Эти сообщения часто преобразуются в пакеты, которые можно отправлять по традиционным IP-сетям. Таким образом, шлюз подключается к веб-серверу, на который он пересылает все сообщения. Все сложные операции и интеллектуальные алгоритмы реализованы на веб-сервере. Именно здесь происходят более сложные процессы, связанные с обработкой данных. Он отвечает за перенаправление и передачу данных в соответствующие приложения. Определяет, какой шлюз лучше всего подходит для маршрутизации сообщения, пересылаемого на выбранный узел, и удаляет повторяющиеся сообщения, если есть случаи, когда данные от узла были переданы на сервер через более чем один шлюз. Он также расшифровывает сообщения отправленные с конечных узлов и шифрует информацию, отправляемую узлам. Шлюзы обычно подключаются к веб-серверу с помощью зашифрованного IP-соединения (интернет-протокола). Сеть обычно включает в себя интерфейс для наблюдения за работой и установкой новых шлюзов, позволяющий сетевому контроллеру управлять ими, устранять проблемы, обнаруживать сбои, отслеживать возникающие аварийные сигналы. Наличие базовых станций означает, что LoRaWAN может быть связан с сотовыми сетями. А по сути - уже созданы сервисы, под которые пользователи могут пользоваться готовой инфраструктурой, а не сами ее организовывать. Вероятно самая известная сеть такого типа - The Things Network. Она создана сообществом дизайнеров, которые решили добавить свои инсталляции в эту глобальную сеть. Альтернативной сетью является поддерживаемая Netemer, но небольшая сеть.

Wi-Fi Все описанные до сих пор стандарты ориентированы на низкое потребление энергии за счет сильно ограниченной пропускной способности. Если доступ к электричеству не является проблемой или устройство требует более быстрой передачи данных, стоит обратиться к Wi-Fi. На рынке параллельно действуют несколько поколений этого стандарта. Самые дешевые модули будут совместимы со стандартом IEEE 802.11n и его старыми версиями. Спецификация IEEE 802.11n была выпущена в 2009 году, но она была такой новой и довольно хорошо доработанной, и поэтому очень успешной. В результате, несмотря на то, что ей уже 10 лет, она по-прежнему популярна.

IEEE 802.11n поставляется в нескольких версиях, которые в разной степени используют MIMO. Умножение потоков передачи позволяет увеличить максимальную теоретическую пропускную способность со 150 Мбит / с до 300 Мбит / с, с 450 Мбит / с до 600 Мбит / с. Это означает, что в зависимости от конфигурации антенны соответствующий модуль IEEE 802.11n будет иметь разную скорость передачи данных.

Конечно на практике такая пропускная способность нереальна, но в хороших условиях можно получить скорость передачи до 100 Мбит / с, что сопоставимо с наиболее популярном проводном Ethernet. Спецификация Wi-Fi n также охватывает передачу не только в диапазоне 2,4 ГГц, но и 5 ГГц.

IEEE 802.11ac и 802.11ax Стандарт IEEE 802.11ac становится все более популярным, который, благодаря использованию даже 160-мегагерцовых каналов и 8-кратного MIMO, теоретически позволяет передавать до 3,5 Гбит / с, но это ненастоящие значения, которые можно получить в реальных условиях. Следующим поколением стандарта является версия IEEE 802.11ax, также известная как Wi-Fi 6, с теоретической пропускной способностью превышающей 10 Гбит / с, но спецификация этого стандарта еще официально не утверждена. Правда это не мешает некоторым производителям микросхем выводить на рынок новые устройства, изначально совместимые со стандартом IEEE 802.11ax. Аналогично было с Wi-Fi n и Wi-Fi ac, потому что основные характеристики стандарта обычно не меняются задолго до его окончательного утверждения. IEEE 802.11ah и 802.11af Развитие рынка Интернета вещей, потребности которого отличаются от потребностей домашних компьютерных сетей, привело к появлению энергоэффективных вариантов с низкой пропускной способностью в семействе протоколов Wi-Fi. Они сводятся к двум стандартам: IEEE 802.11ah, также известный как HaLow и предназначенный для передачи на большие расстояния, IEEE 802.11af, также известный как White-Fi, адаптирован для тех же целей, что и HaLow, но работает на неиспользуемых телевизионных диапазонах. Чтобы увеличить относительно небольшой диапазон популярных сетей Wi-Fi, HaLow работает на частоте 900 МГц. Устройства, использующие этот стандарт, просыпаются по определенному расписанию, когда они могут получить информацию.

С другой стороны, сети 802.11af работают на разных частотах от 54 МГц до 790 МГц. Такой необычный прицел затрудняет использование этого стандарта в международном масштабе. Заполняемость этих диапазонов будет отличаться не только в зависимости от страны, но и региона. Во многих странах дополнительно требуется лицензия на передачу таких радиоволн.