Draadloos ontwerpen wordt steeds ingewikkelder

Het is dringen in de 2400 MHz-band, de frequentie waar populaire draadloze toepassingen als Bluetooth en Wi-Fi zich ophouden, maar ook een nieuwkomer als Zigbee. Met alle interferentieproblemen van dien wordt het ontwerpen van draadloze netwerken steeds ingewikkelder. Gelukkig waaieren nieuwe draadloze protocollen uit over meerdere frequentiebanden.

De 2400 MHz-band is ooit vrijgegeven, omdat in haar bereik de magnetron valt, op 2450 MHz. Vanwege die potentiële storingsbron was het geen aantrekkelijke frequentie. Het gevolg van die vrijgave is dat iedereen erin kon rommelen zonder eerst een zendvergunning aan te vragen. Met name in de computerwereld, waar anders dan in de telecom geen traditie bestaat om te betalen voor exclusief gebruik van een frequentie, is de band daardoor erg populair geworden.

De populairste toepassing in deze band is ongetwijfeld Wi-Fi (standaard IEEE 802.11b/g). Binnen de band zijn, afhankelijk van het land van toepassing, zeven tot veertien kanalen beschikbaar. Dat maakt het redelijk eenvoudig om er een draadloos netwerk voor te ontwerpen. Zodra echter iemand in de buurt van dat netwerk een of meer andere Wi-Fi-stations installeert, wordt het moeilijker om interferentie te voorkomen. Over het algemeen ‘wint’ dan het dichtstbijzijnde station, met het sterkste signaal, maar tegen de prijs van een langzamere en minder betrouwbare verbinding.

Inbreuk

Een opvolger, 802.11n, zit in de pijplijn om dit probleem te ondervangen. De definitieve standaard wordt in 2009 verwacht, al zijn er al fabrikanten die apparatuur volgens de concept-standaard op de markt brengen. Die fabrikanten riskeren de toorn van CSIRO, het TNO van Australië. Die organisatie heeft gepatenteerde technologieën die in de standaard zitten en weigert tot nu toe aan te geven hoe het daarmee wil omgaan. CSIRO is momenteel verwikkeld in een groot aantal rechtszaken over haar aandeel in 802.11a en 802.11g. Onder andere Intel, Microsoft, Dell en HP zouden daar inbreuk op maken.

Om het interferentieprobleem aan te pakken, maakt 802.11n gebruik van meerdere antennes. Daardoor wordt het mogelijk de richting van een signaal vast te stellen en de gewenste zend/ontvangststerkte aan te passen. Deze nieuwe Wi-Fi-generatie kan afstanden tot zeventig meter overbruggen, twee keer zoveel als de voorgangers. Met richtantennes, al te maken van een frisdrankblikje, haalt Wi-Fi overigens ook afstanden van vele kilometers. Het record staat op 310 kilometer.

In feite zoekt 802.11n die stukjes van de band op waar geen andere sterke signalen zitten. Daar valt het best een verbinding op te zetten. Dat is fraai, maar heeft wel een nadeel. Zwakkere verbindingen in diezelfde band worden weggedrukt. Gebruikers van de oudere b- en g-standaarden klagen dat hun ontvangst sterk achteruit gaat zodra een van hen overgaat naar de n-standaard.

De n-standaard biedt ook een uitweg naar een andere band: 5000 MHz. Daar is er nog ruimte en drukt deze technologie met zijn gerichte stralen minder gauw andere signalen weg. In die band zit ook de oudste standaard: 802.11a. Die is nooit aangeslagen, omdat de 5000 MHz-band indertijd ontoegankelijk was in de Verenigde Staten, aangezien die geclaimd was door het leger. Inmiddels is deze band wel toegankelijk.

Ook 802.11p is in ontwikkeling. Deze Wi-Fi-variant is bedoeld voor communicatie met snel bewegende ontvangers, met name in auto’s (vandaar ook de naam Wave, wireless access in the vehicular environment). Dit protocol, bedoeld voor tolpoortjes en rekeningrijden, zit in de 5900 MHz-band.

Polshorloge

Wanneer Wi-Fi langzaamaan migreert naar de 5000 MHz-band komt er lucht voor de andere standaarden in de 2400 MHz-band. Na Wi-Fi is Bluetooth (IEEE standaard 802.15.1) de bekendste. Het verdeelt de band in 79 kanalen en schakelt 1600 keer per seconde tussen die kanalen om interferentie met andere apparaten te voorkomen. Door die aanpakt beperkt Bluetooth de gevolgen van stoorzenders voor zichzelf, maar veroorzaakt het wel ruis over een vrij breed deel van de band. Gezien het beperkte bereik is dat echter geen dringend probleem.

Momenteel in ontwikkeling is Wibree, een protocol voor applicaties waar zeer laag energieverbruik essentieel is. Dit zijn bijvoorbeeld polshorloges of hartslagmeters, die moeten communiceren met een pc of pda. Wibree is in 2006 door Nokia geïntroduceerd en stoelt voor een belangrijk deel op Bluetooth-technologie. Wibree, eveneens in de 2400 MHz-band, zal in de toekomst deel uitmaken van de Bluetooth-standaard. Het is niet bedoeld voor hoge transmissiesnelheden, iets waar Bluetooth naartoe groeit, omdat pda’s en mobiele telefoons steeds meer informatie moeten uitwisselen met hun omgeving.

Wibree en Zigbee

De directe concurrent van Wibree heet Zigbee (802.15.4). Deze standaard is inmiddels een jaar of tien oud, maar nooit echt doorgebroken. Het vult namelijk nogal een niche tussen Bluetooth en Wi-Fi; netwerken die een laag energieverbruik vereisen. Daarbij valt te denken aan een productieproces met veel sensoren, waarbij het aanbrengen van bekabeling (voor data en elektriciteit) lastig is. Die sensoren moeten hun gegevens draadloos – meestal met een vrij lage bitrate – doorsturen. Liefst nog zonder al te vaak een nieuwe batterij nodig te hebben. Ook in medische omgevingen zijn toepassingen denkbaar.

Zigbee definieert een controlepost, routers en nodes, en is daardoor geschikt voor het aanleggen van redelijk uitgebreide netwerken met een hoge dichtheid. Tenminste, als de afstanden niet te groot zijn (in de orde van enkele tientallen meters), want daarvoor zijn de antennes niet krachtig genoeg. Zigbee-apparatuur staat zoveel mogelijk in slaapstand, om energie te besparen. Omdat één enkel hyperactief element in een Zigbee-netwerk de rest continu wakker kan houden en zo batterijen laat leegzuigen, is Zigbee-apparatuur met een streng certificatieproces omgeven.

De 2400 MHz-band is de thuisbasis van Zigbee, maar in Europa en de Verenigde Staten kan deze technologie ook gebruik maken van respectievelijk 868 en 915 MHz, banden die zijn vrijgegeven voor industriële en medische toepassingen. Voor zowel Bluetooth als Wibree en Zigbee heeft een speciale werkgroep van de standaardenorganisatie IEEE richtlijnen opgesteld om interferentie met Wi-Fi te voorkomen. Het is echter niet automatisch zo dat alle fabrikanten zich aan die richtlijnen houden.

Lichtschakelaar

Netwerkontwerpers zullen af en toe ook rekening moeten houden met exotische toepassingen die niet als standaard ontwikkeld zijn. Bijvoorbeeld apparatuur van EnOcean, een spin-off van Siemens. Dit bedrijf maakt onder meer batterijloze, draadloze lichtschakelaars. Het indrukken van de knop genereert voldoende energie om een signaal naar de lamp te sturen, waar een antenne het oppikt en ervoor zorgt dat de lamp aan- of uitgeschakeld wordt. De communicatieprotocollen van EnOcean, in de 868 MHz-band, zijn krachtig genoeg om er net als Zigbee en Wi-Fi netwerken mee te bouwen. De lagere frequentie reduceert bovendien het energieverbruik.

En zo zijn er tientallen niet-standaard communicatieprotocollen die met elkaar kunnen interfereren en dat ook in toenemende mate zullen doen naarmate draadloze toepassingen in populariteit toenemen. Een voorbeeld is Z-wave van het Deense bedrijf Zensys, dat netwerktoepassingen maakt voor domotica (huisautomatisering). Over het algemeen geldt dat protocollen sterker zijn in het veiligstellen van het eigen signaal dan het voorkomen van overlast voor anderen.

Printers

De zoektocht naar een geschikt stukje spectrum heeft een belangrijke rol gespeeld bij de definitie van Wimax (IEEE 802.16). Deze technologie is voor draadloze netwerkverbindingen over afstanden in de orde van enkele kilometers en is nu in opkomst. Wimax zelf is in principe geschikt voor frequenties tussen de 2000 en 11000 MHz, maar als iedereen daarin zijn eigen keuze maakt, komt de interoperabiliteit in het geding.

Daarom is gekozen voor drie banden: 2300, 2500 en 3500 MHz. Dit zijn geen vrije banden, een licentie om een Wimax-netwerk aan te leggen is dus verplicht. Bijgevolg zijn het vooral telecommaatschappijen die in de deze markt gedoken zijn. Niet onlogisch, omdat de door Wimax behaalde afstanden over het algemeen niet nodig zijn voor bedrijfs- of thuisnetwerken. Daarvoor is Wi-Fi geschikter. Wimax komt wel in beeld voor bijvoorbeeld het verbinden van twee bedrijfslocaties. Daarvoor is in principe een stukje in de 5800 MHz-band gereserveerd.

Tekortkomingen

Wimax haalt een maximale afstand van 50 kilometer en een datasnelheid van 70 Mbit/s, maar niet allebei tegelijk. Zodra een antenne teveel beweegt of er obstakels op het pad naar de andere antenne zitten, neemt de capaciteit snel af. Deze tekortkomingen worden aangepakt in toekomstige amendementen op Wimax, maar er zitten ook alweer opvolgers in de pijplijn.

Één daarvan is iBurst, bedacht door het Amerikaanse bedrijf ArrayComm en in een handjevol landen verkrijgbaar. Onder de noemer IEEE 802.20 wordt het momenteel uitontwikkeld tot internationale standaard. De toepassingen ervan overlappen met Wimax, maar de technologie is fundamenteel anders en gaat efficiënter om met bandbreedte. Een andere opvolger is het verder nog naamloze IEEE 802.22. Deze is bedoeld om regionale draadloze netwerken te bouwen in het frequentiegebied van televisie, tussen de 54 en 862 MHz.

En dan is er nog Ultra Wide Band (UWB), de radio-equivalent van het schot hagel. Waar alle andere technieken een beperkt kanaal inrichten om gericht in te communiceren, stuurt UWB het signaal over een breed deel van het spectrum uit. Daardoor kan het hoge datasnelheden halen, maar is het potentieel een enorme stoorzender. Als gevolg daar weer van, zijn alleen zeer lage vermogens toegestaan. Dat maakt UWB, dat overigens nog in de experimentele fase verkeert, slechts geschikt voor korte afstanden. Geschikte toepassingen zijn dan draadloze beeldschermen en printers.