Nederlands
Menu

Wi-Fi versus Bluetooth versus LPWA: bereik, datasnelheid, verbruik, frequentie en toepassingen

Alle drie verbinden apparaten via radio, maar ze wegen bereik, snelheid en stroomverbruik verschillend af. Wi-Fi is het draadloze LAN volgens IEEE 802.11 dat pc's en smartphones met hoge snelheid met internet verbindt. Bluetooth verbindt oordopjes, toetsenborden, wearables en vergelijkbare apparaten rechtstreeks over korte afstanden van enkele meters tot tientallen meters, en de zuinige variant BLE (Bluetooth Low Energy) wordt ook gebruikt in sensoren die op knoopcellen werken. LPWA is de verzamelnaam voor IoT-netwerken die snelheid opgeven om afstanden van enkele kilometers of meer te overbruggen met een batterijduur van jaren.

KenmerkWi-FiBluetoothLPWA
StandaardenIEEE 802.11 (gecertificeerd door de Wi-Fi Alliance)Gespecificeerd door de Bluetooth SIG; omvat klassiek BR/EDR en het zuinige BLE (Bluetooth Low Energy)Een verzamelnaam: LoRaWAN en andere in licentievrije banden, en LTE-M, NB-IoT en andere in mobiele banden
Frequentiebanden2,4 GHz- en 5 GHz-band (vanaf Wi-Fi 6E ook 6 GHz)2,4 GHz-bandVooral sub-GHz-banden (920 MHz in Japan) of mobiele banden
Typisch bereikTientallen meters binnenshuisEnkele meters tot tientallen meters (meer dan 100 m bij sommige vermogensniveaus en modi)Enkele kilometers tot meer dan tien kilometer (afhankelijk van zichtlijn en omgeving)
Typische datasnelheidTientallen Mbit/s tot enkele Gbit/s (afhankelijk van generatie en omstandigheden)Tot 1 à 2 Mbit/s voor BLE (de werkelijke doorvoer is lager); tot 3 Mbit/s voor BR/EDREnkele honderden bit/s tot enkele honderden kbit/s (tot ongeveer 1 Mbit/s voor LTE-M)
StroomverbruikHoog; geschikt voor apparaten op netstroom of die vaak worden opgeladenGemiddeld voor BR/EDR; BLE communiceert kort en slaapt, dus sommige apparaten werken maanden tot jaren op een knoopcelZeer laag; met weinig te verzenden data zijn enkele jaren tot ongeveer 10 jaar op een batterij gebruikelijk
TopologieSter rond een access point, dat met het LAN en internet verbonden isDirecte één-op-één- of één-op-veelverbindingen met een smartphone of iets dergelijks; ook beacons via advertising, en meshSter van apparaten naar basisstations (gateways); kleine hoeveelheden data, vooral van apparaten naar de cloud
Gebruik van het radiokanaalVooral OFDM (vanaf Wi-Fi 6 ook OFDMA) en MIMO; CSMA/CA coördineert de verzendingen, en RTS/CTS pakt verborgen stations aanFrequency hopping (79 kanalen van 1 MHz bij BR/EDR, 40 kanalen van 2 MHz bij BLE)Verlaagt de datasnelheid zodat signalen rond het ruisniveau nog kunnen worden ontvangen (LoRa-chirp-spread-spectrum, smalbandige modulatie en andere)
Licenties en dienstGeen licentie nodig; je installeert je eigen access pointGeen licentie nodig; apparaten verbinden rechtstreeksLoRaWAN en vergelijkbare hebben geen licentie nodig en je kunt je eigen gateway installeren; LTE-M en NB-IoT gebruiken het netwerk van een operator met een abonnement
Typische toepassingenInternettoegang voor pc's en smartphones, videostreaming, netwerkverbinding voor apparaten en camera'sDraadloze oordopjes, toetsenborden en muizen, smartwatches, beacons, zorgapparatuurUitlezen van elektriciteits-, gas- en watermeters, sensoren op boerderijen en aan installaties, volgen van bedrijfsmiddelen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Wi-Fi
Wanneer grote hoeveelheden data snel moeten worden verzonden of apparaten rechtstreeks met internet moeten verbinden. Het past bij apparaten op netstroom of apparaten die worden opgeladen.
Bluetooth
Om randapparaten vlak bij een smartphone of pc aan te sluiten. Gebruik BLE voor sensoren en wearables die lang op batterijen moeten werken.
LPWA
Wanneer kleine hoeveelheden data ver moeten worden verzonden, vanaf plaatsen zonder stroomvoorziening, jarenlang op batterijen. Het past niet bij realtime besturing of het verzenden van beelden en video.

Veelgestelde vragen

Storen Wi-Fi en Bluetooth elkaar in de 2,4 GHz-band?

Ze delen de 2,4 GHz-band, dus ze kunnen elkaar storen. Bluetooth beperkt de invloed met frequency hopping, waarbij voortdurend van frequentie wordt gewisseld, en met adaptive frequency hopping, dat drukke kanalen vermijdt. Wi-Fi in de 5 GHz-band gebruiken vermijdt de drukte in de 2,4 GHz-band. Ook magnetrons zenden uit in de 2,4 GHz-band, dus in de buurt daarvan kan de communicatie worden verstoord.

Waarom kan LPWA zo ver komen met zo weinig vermogen?

Het verlaagt de datasnelheid sterk om de energie per bit te verhogen en versmalt de ontvangstbandbreedte om ruis te beperken, zodat zwakke signalen nog kunnen worden ontvangen. Bovendien heeft een sub-GHz-band zoals 920 MHz in Japan, bij antennes met dezelfde versterking, ongeveer 8 dB minder vrijeruimteverlies dan de 2,4 GHz-band, en buigt het signaal gemakkelijker om gebouwen heen. Het stroomverbruik is laag omdat apparaten weinig data verzenden en bijna de hele tijd slapen.

Hoe verschilt BLE van klassiek Bluetooth?

BLE bespaart stroom door de communicatie zeer kort te houden en de schakelingen de rest van de tijd uit te schakelen, wat past bij sensoren en beacons die af en toe kleine hoeveelheden data verzenden. Klassiek Bluetooth (BR/EDR) wordt gebruikt voor continue stromen zoals audio. Beide gebruiken de 2,4 GHz-band, maar hun protocollen verschillen, dus ze kunnen niet rechtstreeks met elkaar communiceren (sommige apparaten ondersteunen beide).

Hoe horen de namen van Wi-Fi-standaarden bij de generatienamen?

IEEE 802.11n heet Wi-Fi 4, 802.11ac Wi-Fi 5 en 802.11ax Wi-Fi 6; 802.11ax uitgebreid naar de 6 GHz-band is Wi-Fi 6E. 802.11ac gebruikt alleen de 5 GHz-band, terwijl 802.11n en 802.11ax zowel de 2,4 GHz- als de 5 GHz-band gebruiken.

Test uw begrip

De antenneversterking aan zend- en ontvangstzijde is 0 dBi. Welke waarde ligt het dichtst bij het vrijeruimteverlies wanneer een radiogolf van 2,4 GHz (golflengte 0,125 m) 100 m door de vrije ruimte gaat?

  1. A40 dB
  2. B60 dB
  3. C80 dB
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. 80 dB

Het vrijeruimteverlies geeft aan hoe sterk het vermogen tussen isotrope antennes afneemt doordat het zich met de afstand bolvormig verspreidt; het is L = (4πd/λ)². Met d = 100 m en λ = 0,125 m is 4πd/λ ≈ 1,0×10⁴, dus L = 20·log₁₀(1,0×10⁴) ≈ 80 dB. In dB neemt het verlies bij elke verdubbeling van de afstand met ongeveer 6 dB toe en bij elke vertienvoudiging met 20 dB. Volgens deze formule is het verlies bij dezelfde afstand groter naarmate de frequentie hoger (de golflengte korter) is.

Welke frequentieband gebruikt een draadloos LAN volgens IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5)?

  1. AAlleen de 2,4 GHz-band
  2. BZowel de 2,4 GHz-band als de 5 GHz-band
  3. CAlleen de 5 GHz-band
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Alleen de 5 GHz-band

Elke norm uit de reeks IEEE 802.11 legt vast welke frequentiebanden worden gebruikt. IEEE 802.11b en IEEE 802.11g gebruiken de 2,4 GHz-band, IEEE 802.11a en IEEE 802.11ac de 5 GHz-band, en IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) en IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) zowel de 2,4 GHz-band als de 5 GHz-band. De uitbreiding van IEEE 802.11ax naar de 6 GHz-band heet Wi-Fi 6E. Ook bij een accesspoint dat zowel 2,4 GHz als 5 GHz ondersteunt, verloopt communicatie volgens IEEE 802.11ac alleen aan de 5 GHz-kant.

Welke beschrijving van het RTS/CTS-mechanisme, dat wordt gebruikt om het probleem van het verborgen station in draadloze LAN's te verminderen, is juist?

  1. AEen station dat wil zenden, stuurt een verzoek om te zenden (RTS) en het accesspoint antwoordt met een toestemming om te zenden (CTS); stations in de buurt die de CTS ontvangen, zien zolang die uitwisseling duurt af van zenden
  2. BEen station bewaakt tijdens het zenden het ontvangen signaal en stopt onmiddellijk als het een botsing detecteert
  3. CAlle stations zenden met maximaal vermogen, zodat hun signalen elkaar bereiken
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Een station dat wil zenden, stuurt een verzoek om te zenden (RTS) en het accesspoint antwoordt met een toestemming om te zenden (CTS); stations in de buurt die de CTS ontvangen, zien zolang die uitwisseling duurt af van zenden

Het probleem van het verborgen station doet zich voor wanneer de signalen van twee stations het accesspoint wel bereiken, maar de stations elkaar door de afstand of door obstakels niet kunnen ontvangen. Omdat geen van beide de transmissie van de ander opmerkt, beschouwen ze het kanaal als vrij, zenden ze tegelijk en botsen hun frames bij het accesspoint. Bij RTS/CTS staat in de CTS die het accesspoint terugstuurt hoe lang de uitwisseling duurt, en stations die de CTS ontvangen, zien gedurende die tijd af van zenden. De uitwisseling van RTS en CTS kost efficiëntie; daarom kan worden ingesteld dat ze alleen bij het verzenden van grote frames wordt gebruikt.

  1. Welke beschrijving van Bluetooth Low Energy (BLE) is juist?
  2. Welke eigenschap heeft draadloze LPWA-communicatie (low-power wide-area), die in IoT wordt gebruikt?
  3. Neem voor de vermogensdichtheid van thermische ruis bij 290 K −174 dBm/Hz. Een ontvanger heeft een bandbreedte van 1 MHz en een ruisgetal van 6 dB, en voor demodulatie is een S/N van 10 dB nodig. Welke waarde ligt het dichtst bij de gevoeligheid van de ontvanger (het kleinste signaalvermogen dat kan worden ontvangen)?

Oefenvragen over Basis van draadloze communicatie

Belangrijke termen uitgelegd

Wi-Fi
De gangbare naam voor draadloze LAN's volgens de IEEE 802.11-standaarden; de naam geeft aan dat een apparaat is gecertificeerd door de branchevereniging Wi-Fi Alliance. Wi-Fi gebruikt vooral de banden van 2,4 GHz, 5 GHz en 6 GHz en verbindt apparaten via toegangspunten met een LAN. De toegang tot het medium wordt gecoördineerd met CSMA/CA, en snelheid en efficiëntie komen van OFDM, MIMO en, vanaf Wi-Fi 6 (802.11ax), OFDMA. Het verkeer wordt versleuteld met WPA2 of WPA3.
BLE (Bluetooth Low Energy)
De variant van de draadloze korteafstandstechnologie Bluetooth in de 2,4 GHz-band die de nadruk legt op een laag stroomverbruik. Door de communicatietijd zeer kort te houden en de schakelingen de rest van de tijd uit te schakelen, kunnen apparaten zelfs op een knoopcel lang werken. Het wordt gebruikt in beacons die periodiek korte signalen (advertisements) verzenden, in wearables, sensoren en meer. Het kan niet rechtstreeks communiceren met klassieke Bluetooth (BR/EDR).
LPWA (low-power wide-area)
Een verzamelnaam voor draadloze communicatie die bedoeld is om kleine hoeveelheden gegevens, zoals sensorwaarden, te verzenden vanaf apparaten die jarenlang op batterijen werken, naar plaatsen die enkele kilometers of verder weg zijn. Door de transmissiesnelheid laag te houden kunnen ook zwakke signalen worden ontvangen, zodat het bereik groter wordt. Sommige systemen, zoals LoRaWAN, gebruiken vergunningsvrije banden (in Japan bijvoorbeeld de 920 MHz-band), andere, zoals LTE-M en NB-IoT, gebruiken banden voor mobiele telefonie.
OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing)
Een methode die gegevens verdeelt over veel onderling orthogonale subdraaggolven, elke subdraaggolf met een lage symboolsnelheid moduleert en ze parallel verzendt. Doordat de afstand tussen de subdraaggolven gelijk is aan het omgekeerde van de symboolduur, kunnen ze zonder onderlinge interferentie worden gescheiden, ook al overlappen hun spectra. De methode is goed bestand tegen multipath en wordt gebruikt in draadloze LAN's, 4G LTE, 5G NR, digitale terrestrische omroep en meer.
Probleem van het verborgen station (hidden node problem)
Een probleem in draadloze LAN's dat optreedt wanneer de signalen van twee stations het accesspoint wel bereiken, maar de stations elkaar door de afstand of door obstakels niet kunnen ontvangen. Omdat ze elkaars transmissies niet opmerken, zenden ze tegelijk en botsen hun frames bij het accesspoint. Het probleem wordt verminderd met RTS/CTS, waarbij de CTS die het accesspoint terugstuurt stations in de buurt laat afzien van zenden.
Vrijeruimteverlies (free-space path loss)
De mate waarin het vermogen van radiogolven afneemt doordat het zich in de vrije ruimte zonder obstakels of reflecties met de afstand bolvormig verspreidt, gemeten tussen isotrope antennes. Het wordt gegeven door L = (4πd/λ)², en in dB neemt het met ongeveer 6 dB toe bij elke verdubbeling van de afstand en met 20 dB bij elke vertienvoudiging. Het wordt in berekeningen van een linkbudget gebruikt als referentie voor het propagatieverlies.
Linkbudget
Een berekening die de versterkingen en verliezen van het zendvermogen tot het ontvangen vermogen optelt, om het vermogen te schatten dat de ontvanger bereikt en de marge ten opzichte van het vermogen dat voor ontvangst nodig is (de gevoeligheid). Ze wordt in dB en dBm gemaakt door termen zoals zendvermogen + antenneversterkingen − propagatieverlies − kabelverlies op te tellen en af te trekken. Dezelfde aanpak wordt behalve in radio ook gebruikt voor het vermogensbudget in optische communicatie.

Verwante vergelijkingen