Typer av trådlösa protokoll

Trådlösa signaler är ett av de mest använda kommunikationsalternativen, från din favorit lokala TV- och radiostationer till din mobiltelefon. Några av de mest avgörande trådlösa teknikerna, de som driver ditt hem internet och den ökande antalet smarta enheter på Internet of Things eller IoT regleras av en rad trådlösa protokoll. Beroende på deras användning kan deras räckvidd vara så mycket som flera mil eller så lite som några tum.

Om du inte bor i ett område som betjänas av konventionella internetleverantörer, är dina alternativ traditionellt har begränsats till uppringd eller satellit, ingen av dem är särskilt bra på modernt, rikt internet innehåll. Trådlös teknik kan överbrygga denna klyfta på några olika sätt och tillhandahålla tjänster där den annars inte skulle vara tillgänglig.

I områden där kabel- och fiberinternet inte är ekonomiskt, samma sak

Linje-of-sight internettjänster använd vad som kokar ner till en kraftfull version av konventionellt Wi-Fi, som överför sin signal från punkt till punkt med mycket riktade antenner. Eftersom den strålar ut sina signaler till en hårt fokuserad punkt är det mindre troligt att denna typ av tjänst stör med andra enheter och kan använda en signal med högre effekt som annars skulle vara olaglig enligt FCC föreskrifter. Hastigheter är vanligtvis upp till 25 Mbps, vilket är acceptabelt för de flesta användningar om inte idealiskt.

Med framväxten av Internet of Things och dess hord av smarta och halvsmarta enheter, finns det också ett behov av trådlös teknik som kan fungera med ett stort antal av dessa lågeffektsenheter över stora stads- och förortsområden områden. LTE-teknik kan också fungera för dem, även om dess strömförbrukning är relativt hög. En konkurrenskraftig teknik är Långdistans Wide Area Network-protokoll eller LoRaWAN med en räckvidd på ett par mil i urbana miljöer och upp till tre gånger så stor i mindre täta förortsområden.

Liksom många andra saker som är elektriska, är den trådlösa tekniken du använder runt ditt hus baserad på designspecifikationer som fastställts av Institute of Electrical and Electronic Engineers, eller IEEE. I detta fall, den faktiska specifikationen heter 802.11, och den har uppgraderats under åren för att återspegla – och uppmuntra – förbättringar av tekniken. Dessa ändringar beskrivs genom att lägga till bokstäver, som t.ex g, n eller ac efter numret. För enkelhetens skull kallas dessa variationer i specifikationen trådlös g, trådlös n, trådlös ac och så vidare.

Ditt hem Wi-Fi är känt som ett trådlöst lokalt nätverk eller WLAN, men de flesta kallar det bara för Wi-Fi och låter det vara så. Ett Wi-Fi-nätverk kretsar kring en central nätverksenhet, kallad en åtkomstpunkt, som tillhandahåller tvåvägskommunikation med varje enhet som är ansluten till nätverket. Varje enhet måste i sin tur ha ett trådlöst nätverkskort, eller NIC, för att kommunicera med åtkomstpunkten. De trådlösa protokollen de använder varierar mycket i räckvidd och prestanda och blir bättre för varje generation.

Den mesta Wi-Fi-kommunikationen sker i två distinkta band av radiofrekvenser, 2,4 GHz-bandet och 5 GHz-bandet. Dessa band är minimalt reglerade och de används för en mängd olika konsumentenheter från babymonitorer till trådlösa telefoner. De är bra på olika saker. Frekvenser i 5 GHz-bandet kan överföra mer data snabbare, men de i 2,4 GHz-bandet har längre räckvidd och de är bättre på att gå igenom väggar. Historiskt har 2,4 GHz använts i fler enheter, men det betyder 2,4 GHz-frekvenser är mer trånga och utsatta för störningar.

De tidigaste versionerna av 802.11 Wi-Fi-specifikationen för att nå marknaden var trådlös a och b, som standardiserades i slutet av 90-talet och blev verkliga produkter tidigt på 2000-talet. Var och en använde olika band. Trådlös b använde 2,4 GHz-bandet, och det kunde nätverka med hastigheter på upp till 11 megabit per sekund och en räckvidd på upp till 150 fot. Trådlösa använde 5 GHz-bandet och hade en genomströmning på upp till 54 Mbps, men dess räckvidd var bara 25 till 75 fot. Trådlösa b: orbättre räckvidd och relativt låg kostnad gjorde den till den mer populära av de två.

Det första Wi-Fi-protokollet som hade stor framgång på konsumentmarknaden var 802,11 g eller trådlös g. Den använde samma 2,4 GHz-band som trådlös b, så den var kompatibel med äldre utrustning med den standarden, men med 54 Mbps erbjöd den nu prestanda jämförbar med trådlösa nätverk. Det var tillräckligt bra för de flesta hemanvändare, och trådlös g var enormt populär under 2000-talets första decennium.

När Wi-Fi blev mer användbart och populärt behövde användarna bättre prestanda för att hantera videoströmning och andra krävande applikationer. De 802.11n specifikationen, som kom 2009, tog upp det med några viktiga tekniska justeringar, som mestadels kretsade kring Multiple-Input Multiple-Output-antenner eller MIMO, vilket möjliggjorde hastigheter på upp till 300 Mbps. Det erbjöd också kanalbindning, möjligheten att använda separata kanaler för uppströms och nedströms trafik, vilket ökad potentiell genomströmning – åtminstone i teorin – till 600 Mbps. Den använde både 2,4 och 5 GHz frekvenser, så den var bakåtkompatibel med enheter som använder trådlös a, b, och g.

De trådlös ac specifikationen, från 2014, förfinade den tekniken ytterligare genom användning av MIMO-teknik för flera användare eller MU-MIMO. Detta ger bashastigheter på upp till 433 Mbps per kanal, och med kanalbindning är det teoretiskt möjligt att ha trådlösa nätverk hastigheter långt upp i gigabit, eller tusentals Mbps. Trådlös ac själv fungerar enbart i 5 GHz-bandet, men många tillverkare inkluderar trådlös n kretsar för att hålla sina routrar kompatibla med trådlös b, g och n.

Det finns ett par 802.11-protokoll som inte används för allmänna Wi-Fi-nätverk, men för specifik enhet-till-enhet-kommunikation. Trådlös annons, använder till exempel 60 GHz-bandet och är verkligen mycket snabb – potentiellt upp till 6,7 GHz – men inom ett räckvidd på bara 10 eller 11 fot. Det är bäst att använda i situationer som kräver hög genomströmning mellan enheter nära varandra. Trådlöst ah, också känd som Wi-Fi HaLow, använder det lägre 900 MHz-bandet för att ge utökad räckvidd med genomströmning begränsad till maximalt 347 Mbps. Den är avsedd att tillhandahålla signaler med längre räckvidd för lågeffektsenheter som smarta apparater och andra IoT-applikationer.

Efterfrågan på förbättrad Wi-Fi-nätverksprestanda kommer inte att försvinna när som helst – snarare tvärtom – så det kommer en nyare IEEE-specifikation på marknaden. Det heter trådlös yxa, och den använder lite digitalt handgrepp för att öka genomströmningen. Den fördubblar bredden på varje tillgänglig trådlös kanal och tillåter signaler att använda bara de delar av varje kanal den behöver, vilket gör hela systemet mer effektivt. Den erbjuder upp till fyra gånger räckvidden och sex gånger så hög prestanda som trådlös AC, åtminstone i teorin, och – viktigt för IoT – stöder många fler enheter samtidigt.

Även om specifikationerna som används för Wi-Fi definieras av IEEE: s ingenjörer, ägs själva termen "Wi-Fi" och Wi-Fi-logotypen av ett konsortium av tillverkare som kallas Wi-Fi Alliance. Ingenjörer kan vara mycket nöjda med att identifiera standarder med bokstäver och siffror, men tillverkare och deras marknadsavdelningar gillar att hålla saker enkla och minnesvärda. Det är därför Wi-Fi Alliance har tillkännagett nytt varumärke, byter namn på trådlös n till Wireless 4, ac som Wireless 5 och ax som Wireless 6. Den typen av numreringssystem används för allt från mobiltelefoner till filmfranchising, så det borde vara lättare för konsumenterna att komma ihåg.

Alla trådlösa protokoll är inte avsedda att täcka stora områden eller tillhandahålla bred kommunikationskapacitet. Några av de mest användbara är kortdistansstandarder avsedd att hjälpa energisnåla enheter att interagera med varandra. Dessa kan påverka hur du interagerar med en dator, telefon eller andra enheter, eller hur enheter pratar med varandra direkt.

Några av de enklaste formerna av trådlös teknik, inklusive en vanlig trådlös mus och tangentbord, använder inte ett formellt trådlöst protokoll alls. De sänder istället direkt över en förinställd radiofrekvens. Äldre enheter använder 27 MHz-frekvensen, som även används för radiostyrda leksaker. Den har dålig räckvidd men är perfekt för enheter som delar ett skrivbord. Nyare versioner använder 2,4 GHz-bandet och kan användas längre bort, vilket är bra om du sitter långt tillbaka från en gigantisk bildskärm.

RF-enheter behöver en egen mottagare för att fungera, men Bluetooth gör det inte, vilket är anledningen Bluetooth-teknik är mer mångsidig. Bluetooth är baserat på en annan trådlös IEEE-specifikation, 802.15.1, som beskrivs som för personliga nätverk. Personliga nätverk är avsedda att byt ut ledningar och kablar i och runt en enskild person eller arbetsplats. Bluetooth är en teknik som används i den här typen av nätverk eftersom den ansluter tillförlitligt, använder relativt lite ström och kan stödja upp till åtta enheter samtidigt.

Bluetooth ansluter enheter på en del av 2,4 GHz-bandet. När enheter först ansluts eller parat genom Bluetooth skapar de en unik säkerhetskod som ett slags hemligt handslag mellan dem. När de har parats, de återanslut automatiskt i framtiden och kräver inga ytterligare inställningar. Bluetooth-datagenomströmningen är relativt låg, så den används mest för in- och utdataenheter som möss och tangentbord, högtalare och mikrofoner och headset.

Låg strömförbrukning var alltid en del av Bluetooth-specifikationen eftersom sladdlösa enheter är det batteridriven av nödvändighet, men även standard Bluetooth använder för mycket batterikraft för vissa applikationer. En reviderad version, Bluetooth lågenergi eller BLE, tillgodoser det segmentet av marknaden genom att minska bandbredd och räckvidd till minska energiförbrukningen. Det används ofta i fitnessband och smartklockor, till exempel, och har potential att användas med IoT-enheter också.

Närfältskommunikation, eller NFC, är den kortaste räckvidden av alla trådlösa protokoll. Den fungerar över ett avstånd på bara några centimeter, med mycket lågeffektschips. Du känner det som tekniken som används i appar för att betala för din telefon, inklusive Apple Pay, Google Pay och Samsung Pay. Det används också i stor utsträckning i säkerhetsnyckelkort och liknande applikationer.

Andra trådlösa protokoll dyker upp för att möta behoven hos individuella smarta enheter och Internet of Things kollektivt. Dessa är inte konsumentinriktade som sådana, även om de produkter de möjliggör verkligen är det. Några av de mer framträdande inkluderar:

• Tråd: Detta trådlösa protokoll blev en del av Googles portfölj när det köpte hemautomationsledaren Nest. Baserat på IEEE: s trådlösa standard 802.15.4, används den i Nests rökdetektorer och automationsenheter. Andra leverantörer kan välja att använda Thread om de vill vara kompatibla med produkter i Nest-ekosystemet.
  
• Zigbee och Zigbee Pro: Zigbee och Zigbee Pro fungerar på 2,4 GHz- och 900 MHz-banden och kan potentiellt stödja tusentals enheter åt gången på en given plats. Till skillnad från Thread stöds Zigbee av ett konsortium av hundratals tillverkare.
  
• ZWave och ZWave Plus: Ett annat viktigt protokoll för IoT-användning är ZWave, som liknar Zigbee men utformat för att vara enklare och billigare att implementera. Den fungerar på 800 och 900 MHz-banden, som erbjuder bra räckvidd och mindre störningar än 2,4 GHz-bandet. Den skapades av det danska företaget Zensys men har nu brett stöd från tillverkare.
• MQTT: Message Queue Telemetry Transport är designad för enheter med låg effekt och låg genomströmning som t.ex "dumma" sensorer, som inte behöver den typ av datagenomströmning som krävs för interaktiv "smart" IoT enheter.