Ad oggi, sempre più dispositivi trasmettono nella banda dei 2,4 GHz, contribuendo ad aumentare le probabilità di interferenze tra le reti. Vediamo come la tecnica ZigBee possa coesistere in quest’ambito, facendo un paragone tra le varie fonti di potenziale disturbo e cercando di capire quali possano essere le precauzioni da prendere e quali siano gli strumenti utilizzabili. Questo articolo tecnico fa parte della Rubrica Firmware Reload, all'interno della quale abbiamo raccolto tutti gli articoli della rivista cartacea Firmware, ancora di interesse per i lettori.
COESISTENZA TRA RETI
Da quanto appena analizzato nella Parte 1 dell'articolo, si comprende bene che l’esistenza di svariate reti nella stessa banda può creare enormi problemi di interferenza, ma grazie a meccanismi particolari le reti nello stesso intorno ambientale possono convivere tra loro. A questo punto, passiamo a un’analisi più mirata sulla coesistenza dello ZigBee e le altre reti, partendo con un confronto con il Wi-Fi. Lo standard Wi-Fi adotta la DSSS e opera in un totale di 14 canali disponibili nella banda 2,4 GHz, numerati da 1 a 14, ogni canale con una larghezza di banda di 22 MHz e una separazione di 5 MHz. Lo ZigBee si basa anch’esso su DSSS, un totale di 16 canali sono disponibili nella banda 2,4 GHz, numerati da 11 a 26, ciascuno con una larghezza di banda di 2 MHz e una separazione dei canali di 5 MHz. Le reti Wi-Fi utilizzano gli stessi canali o eventualmente quelli sovrapposti con altri prodotti RF che rendono influente la sua interferenza di comunicazione con altre reti RF.
I canali di sovrapposizione tra 802.11 e 802.15.4 sono mostrati in Figura 1, nella quale si vede come i canali 15, 20, 25, e 26 non si sovrappongano con quelli Wi-Fi e che rappresentino pertanto una fonte d’interferenza trascurabile. Per ogni canale Wi-Fi, vi sono quattro canali ZigBee sovrapposti, due canali di loro sono ai bordi e altri due sono vicini alla frequenza centrale del canale Wi-Fi stesso. Quindi, il livello di interferenza sui due canali vicini al centro è maggiore di quello sui bordi. Il PER (Packet Error Rate) ha uno stretto rapporto con la distanza (tra fonte di interferenza e ricevitore) e le differenze di frequenza (tra fonte di interferenza e il ricevitore). Essi possono anche coesistere entro un brevissimo intervallo (2 metri) anche quando la differenza di frequenze centrali è notevole, tuttavia, quando le frequenze centrali sono molto vicine, possono coesistere solo su di una lunga distanza (anche decine di metri). Dalla Figura 1 si evince anche che se la sorgente di interferenza è più lontana dal ricevitore, le reti possono coesistere meglio.
Figura 1: Sovrapposizione di canali ZigBee e Wi-Fi
Sia la rilevazione di occupazione dei canali, che la selezione dinamica dei canali sono molto importanti per mantenere una buona convivenza. Quindi, da quanto analizzato si comprende che l’interferenza del Wi-Fi causata sullo ZigBee è di entità più modesta dell’interferenza che lo ZigBee causa sul Wi-Fi, questo perché la larghezza di banda dello ZigBee (2 MHz) è molto più ridotta della larghezza di banda del Wi-Fi (22 MHz), perciò lo ZigBee è in genere una specie di fonte di interferenze a banda stretta sul Wi-Fi. Il Wi-Fi adotta la tecnologia a spettro diffuso, che può frenare notevolmente le interferenze di segnale, inoltre, per la maggior parte dei prodotti ZigBee la potenza è condizionata a 0dBm (1mW), il che non è sufficiente a costituire una minaccia per i prodotti Wi-Fi. La sua potenza è di gran lunga inferiore a quella dello standard IEEE 802.11b/g, pari a 20 dBm (100mW), perciò possono coesistere bene se vengono adottate alcune misure di sicurezza, comunque necessarie. Il Bluetooth adotta la tecnologia FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum) che supporta 79 canali, ognuno con larghezza di banda 1 MHz. La sua frequenza di lavoro salta rapidamente a valori diversi (1600 volte al secondo) e interferisce solo per un breve periodo di tempo con gli altri sistemi, che possono così operare senza la sua influenza nella maggior parte del tempo. Lo ZigBee non ha un sistema di salti in frequenza, per cui vi può essere una sovrapposizione di un canale (in 79 volte) se un dispositivo Bluetooth trasmette in una frequenza che si sovrappone con il canale dello stesso ZigBee, ma a quel punto il dispositivo ZigBee cambia canale, mentre il Bluetooth salta rapidamente su di un’altra frequenza.
Quindi, il Bluetooth non disturba i prodotti ZigBee e, nella maggior parte dei casi, possono coesistere molto bene. Per quanto riguarda i telefoni cordless a 2,4 GHz, non si adottano tecnologie compatibili con uno standard speciale. Alcuni di loro adottano il DSSS, la maggior parte l’FHSS. C’è sempre una chiave per la selezione del canale e un canale fisso, che permette all’utente di modificare manualmente il canale. Tuttavia, non esiste alcun tasto sul telefono cordless basato su FHSS, perché tali telefoni continuano sempre a cambiare la loro frequenza. La larghezza di banda nei 2,4 GHz è nella maggior parte dei telefoni cordless pari a 5~10MHz e, trasmettendo quest’ultimi con una notevole potenza, sono spesso fonti di disturbo per molti sistemi RF. Nei casi peggiori, un telefono cordless basato su FHSS può oscurare la comunicazione di un dispositivo ZigBee (larghezza di banda minore), costringendolo a ritrasmettere anche più volte i pacchetti di dati. Per evitare tali interferenze da telefoni cordless, le reti ZigBee devono essere tenute lontane dai rispettivi canali di trasmissione FHSS e il canale ZigBee non deve sovrapporsi con i canali di telefoni cordless basati su DSSS. Ad oggi, l’Atmel offre un ottimo strumento per fare queste analisi delle reti, che è il “Wireless Composer” visibile in Figura 2 che può essere installato come estensione di Atmel Studio 6. Per ulteriori informazioni si faccia riferimento al sito ufficiale dal quale può essere anche scaricato gratuitamente l’Atmel Studio 6.
Figura 2: Wireless Composer della Atmel
CONCLUSIONI
Abbiamo visto attraverso l’analisi precedente che la tecnologia ZigBee offre ottime performance anti-interferenza ed è una tecnica di trasmissione robusta e affidabile che può anche coesistere con altri sistemi a 2,4 GHz, nel caso in cui vengano prese tutte le accortezze necessarie. In più, mediante uno strumento efficace ed efficiente come il “Wireless Composer” della Atmel, si possono prendere i necessari accorgimenti per far convivere nella stessa area Wi-Fi, Bluetooth e altri dispositivi ZigBee, tutti operanti in ambiti molto ravvicinati e senza aver problemi di interferenze tra reti stesse.
