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Wi-Fi e Bluetooth Low Energy, come possono coesistere nell'automazione degli edifici e nelle applicazioni mediche

Dispositivi che utilizzano la stessa banda di frequenza senza licenza a 2,4 GHz, dove sono presenti molto rumore e interferenze, possono causare errori di trasmissione. Una soluzione a due chip permette di ottenere prestazioni radio affidabili, un minore consumo energetico e maggiori capacità di sicurezza

La banda a 2,4 GHz trova vasto impiego nell’automazione degli edifici e nelle applicazioni mediche ed è una delle bande interessate da un forte traffico. Diversi protocolli diffusi, come Wi‑Fi, Bluetooth e altri, utilizzano la stessa banda di frequenza senza licenza a 2,4 GHz, dove sono presenti molto rumore e interferenze, che possono causare errori di trasmissione. Ad esempio, in un gateway per il monitoraggio dei pazienti, una radio Wi-Fi a potenza più elevata potrebbe interferire con un vicino dispositivo a bassa potenza Bluetooth Low Energy (BLE), utilizzato per comunicare con i sensori di monitoraggio a distanza del paziente che funzionano contemporaneamente. Questa situazione potrebbe avere un serio impatto sui dati dei pazienti in assenza di un meccanismo di coesistenza: pertanto, la necessità di coesistenza per la gestione delle comunicazioni Wi-Fi e Bluetooth Low Energy può avere un’importanza fondamentale.

Ecco un esempio che può far meglio comprendere  questa situazione. Siete mai stati in un corridoio affollato con delle persone che parlano contemporaneamente? Si sente solo chi parla più forte. Tuttavia, se parla una sola persona alla volta, è possibile sentire chiaramente la comunicazione di tutti anche in uno stesso spazio affollato. Questo scenario è simile alla situazione dello spettro wireless con un numero crescente di dispositivi connessi.

 

La necessità di una comunicazione robusta e affidabile

Una comunicazione robusta e affidabile è indispensabile con questi protocolli concorrenti. La coesistenza tra i dispositivi riduce al minimo il potenziale di interferenza se queste vengono utilizzate contemporaneamente sulla stessa banda di frequenza. Inoltre, disporre di una soluzione a due chip con due dispositivi permette di ottenere prestazioni radio affidabili, un minore consumo energetico e maggiori capacità di sicurezza.

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Un gateway HVAC o un sistema per il monitoraggio medico dei pazienti sono dei buoni esempi di casi d’uso che possono trarre vantaggio da una soluzione Wi-Fi insieme a Bluetooth Low Energy. Il Wi-Fi viene utilizzato per realizzare una connessione sicura fra sistema e cloud e per consentire il monitoraggio, il comando e il controllo da remoto. Inoltre, il dispositivo Bluetooth Low Energy può essere utilizzato per mettere il Wi-Fi a disposizione dei controller HVAC sulla rete locale. Bluetooth Low Energy può essere utilizzato anche per monitorare vari nodi con sensore Bluetooth Low Energy a bassa potenza e per aggregare i dati sul controller HVAC o sul monitor del paziente, che quindi trasmette i dati al cloud affinché vengano elaborati.

Quando entrambi dispositivi Wi-Fi e Bluetooth Low Energy devono funzionare in contemporanea, la funzionalità di coesistenza dei sistemi consente di gestirne il traffico in modo tale da ridurre al minimo le interferenze. In caso contrario, questa interferenza sarà quella prevalente sul dispositivo Bluetooth Low Energy, in quanto il dispositivo Wi-Fi opera con un livello di potenza di uscita molto più elevato, come mostrato nella Figura 1.

Wi-Fi Bluetooth Low Energy

Figura 1: Sistemi senza coesistenza in cui il dispositivo Wi-Fi interferisce con il dispositivo Bluetooth Low Energy quando utilizzati in modalità a funzionamento simultaneo

Come garantire la coesistenza fra Wi-Fi e Bluetooth Low Energy

La coesistenza tra i dispositivi consente ai prodotti di migliorare le comunicazioni in simultanea, che altrimenti potrebbero essere compromesse dalle reciproche interferenze delle apparecchiature all’interno della banda a 2,4 GHz. La disponibilità di dispositivi indipendenti con supporto per la coesistenza riduce al minimo questo problema, in quanto la gestione del traffico è affidata all’algoritmo di coesistenza, come mostrato nella Figura 2. Inoltre, una soluzione con Wi-Fi a 2 chip e Bluetooth Low Energy 5.x con coesistenza integrata può offrire ulteriori vantaggi grazie alle relative architetture indipendenti e ottimizzate. L’architettura a doppia interfaccia radio offre una maggiore sensibilità, consentendo una maggiore portata, un consumo energetico inferiore rispetto a un approccio radio a chip singolo condiviso e una serie completa di sistemi di sicurezza.

Wi-Fi Bluetooth Low Energy

Figura 2: Un sistema con coesistenza integrata riduce al minimo le interferenze fra i rispettivi dispositivi a 2,4 GHz quando utilizzato in modalità a funzionamento simultaneo

Inoltre, il ridotto consumo energetico è un fattore importante per i prodotti a batteria con supporto Wi-Fi e Bluetooth Low Energy. Il dispositivo Wi-Fi presenta profili a basso consumo configurabili con una modalità di ibernazione da 4,5 μA con connessione TLS/SSL veloce e sicura alla riattivazione sul punto di accesso in meno di 200 msec. Grazie al suo esclusivo algoritmo di apprendimento della rete, rende inoltre possibile una connessione a bassa potenza stabile e affidabile con svariati punti di accesso, come testato con più di 230 punti di accesso diversi finora. Analogamente, il dispositivo Bluetooth Low Energy presenta anche una corrente di standby estremamente bassa pari a 0,94 μA con una stabilità eccellente di -97 dBm e offre quindi una maggiore portata con una potenza di uscita massima di +5 dBm.

Caratteristiche delle architetture a due chip

Le architetture a due chip offrono inoltre una maggiore sicurezza sfruttando le funzionalità di sicurezza sia Wi-Fi che Bluetooth Low Energy, come crittografia hardware, boot sicuro, sicurezza a livello di applicazione e protezione over-the-air (OTA). Il dispositivo Wi-Fi integra inoltre il più recente supporto WPA3 a livello personale e aziendale, chiave pubblica TI root-of-trust, eseguibili crittografati e autenticati e consentono alle barriere di resistere alla clonazione e all’hacking. L’integrazione della coesistenza tramite un’interfaccia a filo singolo tra i dispositivi riduce inoltre al minimo il numero di linee di I/O mettendola quindi a disposizione di altri sensori o periferiche.

Analogamente al gateway, altri tipi di prodotti per l’automazione domestica e medicale possono trarre vantaggio dalla funzionalità di coesistenza in aggiunta alla sicurezza, alla bassa potenza ottimizzata e alle comunicazioni affidabili realizzate grazie a un sistema a due chip. Pertanto, oggi è ancora più importante che i progettisti dedichino maggiore attenzione a mantenere le comunicazioni affidabili e ridurre al minimo le interferenze in un ambiente congestionato e rumoroso con più tecnologie che operano sulla stessa banda di frequenza a 2,4 GHz.

Co-autore: Kevin Koestler – Product Marketing Engineer, Texas Instruments

 

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