Bluetooth, Zigbee, NFC, RFID och UWB

Mobiltelefonen, hörlurarna, nyckelkortet, bilnyckeln och sensorn i smarta hemmet kommunicerar alla med radio över några centimeter till några tiotals meter. Kort räckvidd betyder låg effekt, låg strömförbrukning och många apparater i samma luft. Artikeln går igenom teknikerna, från Bluetooths frekvenshopp till NFC-kortets närfältskoppling och UWB:s tidsmätning, och visar vilka frekvenser de använder.

Bluetooth#

Bluetooth uppfanns hos Ericsson på 1990-talet som ett sätt att ersätta kablar mellan telefon och tillbehör, och utvecklades därefter av branschorganisationen Bluetooth SIG. Namnet kommer från den danske kungen Harald Blåtand. Tekniken finns i två varianter som delar frekvensband men inte radiokanaler: Classic (BR/EDR) och Low Energy (LE).

Classic: ljud och data#

Bluetooth Classic delar 2,4 GHz-bandet i 79 kanaler à 1 MHz med mittfrekvensen $f=2402+k$ MHz, där $k=0,1,\dots ,78$ (2402–2480 MHz). Sändaren hoppar mellan kanalerna 1 600 gånger per sekund, eftersom varje tidslucka är 625 µs lång. Hoppmönstret bestäms av en master, och alla enheter i samma nät (en piconet) följer det. Frekvenshopp ger robusthet mot smalbandiga störningar och gör att många piconät kan arbeta bredvid varandra (se spridningsspektrum). Moduleringen är GFSK vid 1 Mbit/s och för högre hastigheter (EDR) fasmodulation, 2 eller 3 Mbit/s (se digital modulation).

Eftersom Wi-Fi och Bluetooth delar band använder Bluetooth adaptivt frekvenshopp (AFH): enheterna kartlägger vilka kanaler som är störda, till exempel av ett Wi-Fi-nät (se Wi-Fi), och undviker dem.

Low Energy: sensorer, klockor och LE Audio#

Bluetooth Low Energy kom 2010 med syftet att kunna köra på ett knappcellsbatteri i flera år. Den delar bandet i 40 kanaler à 2 MHz med $f=2402+2k$ MHz, $k=0,1,\dots ,39$ (2402–2480 MHz). Tre av dem är annonseringskanaler, där enheter presenterar sig och kan hittas: kanal 37 (2402 MHz), 38 (2426 MHz) och 39 (2480 MHz). De andra 37 kanalerna (datakanal 0–36) används för anslutna förbindelser, som hoppar mellan dem. Annonseringskanalerna är placerade så att de ligger mellan de vanligaste Wi-Fi-kanalerna 1, 6 och 11 (figur 1).

Fysiska lager (PHY) i LE är 1 Mbit/s, 2 Mbit/s (sedan Bluetooth 5.0, 2016) och ett kodat lager på 125 eller 500 kbit/s för längre räckvidd, där extra felskydd och lägre bithastighet ger bättre känslighet (se bandbredd, kanalkapacitet och Shannons gräns). Senare versioner har lagt till riktningsbestämning (Bluetooth 5.1), LE Audio och ljudkodeken LC3 (5.2) och avståndsmätning med channel sounding (6.0, 2024). Auracast är en funktion i LE Audio där en sändare skickar ljud till ett obegränsat antal mottagare, till exempel i en flygplats, ett gym eller för hörapparater. Bluetooth Mesh (2017) låter enheter vidarebefordra meddelanden i ett nät och används bland annat i belysning.

Räckvidden beror på sändareffekt och mottagarens känslighet. Classic anges i effektklasser, där klass 1 (100 mW) kan nå ca 100 m fri sikt, medan klass 2 och 3 når ca 10 m eller mindre. Telefoner använder oftast låg effekt.

Zigbee, Thread, Matter och Z-Wave#

Smarta hem består av lampor, sensorer och strömbrytare som sällan skickar mer än några byte. De behöver mesh (nätverk där varje enhet kan vidarebefordra andras meddelanden) och mycket låg strömförbrukning.

Zigbee och Thread använder radiolagret IEEE 802.15.4. I 2,4 GHz-bandet finns 16 kanaler (nummer 11–26) à 5 MHz med $f=2405+5(k-11)$ MHz, alltså 2405–2480 MHz, och bithastigheten är 250 kbit/s med spridningsspektrum (se spridningsspektrum).¹ Zigbee är ett komplett protokoll från Connectivity Standards Alliance. Thread är ett IP-baserat nät (IPv6 över 802.15.4) som ofta används som underlag för Matter, en gemensam standard för smarta hem som fungerar över Wi-Fi och Thread, och där Bluetooth LE används vid installationen.

Z-Wave använder i stället ett 868 MHz-band i Europa (868,42 MHz är ett av de använda frekvenserna), med bithastigheter från 9,6 till 100 kbit/s. Lägre frekvens ger bättre genomträngning av väggar och mindre trängsel än 2,4 GHz, men hårda villkor på hur stor del av tiden en sändare får vara aktiv (duty cycle) sätts av regelverket. Det beskrivs närmare i Sakernas internet.

NFC och RFID#

NFC (near field communication) och RFID (radio frequency identification) bygger på att en läsare identifierar eller kommunicerar med en tag eller ett kort. Taggen kan vara passiv, utan eget batteri, och hämtar sin energi från läsarens fält.

Induktiv koppling i närfältet#

Vid låga frekvenser, och för korta avstånd, fungerar systemet som en transformator: läsarens spole skapar ett växlande magnetfält som inducerar en spänning i taggens spole. Detta är närfältet (se elektromagnetiska vågor), och gäller så länge avståndet är betydligt mindre än $\lambda /(2\pi )$.

Därför har induktiva system kort och väl avgränsad räckvidd, vilket är en säkerhetsfördel för betalning och passerkontroll.

• LF-RFID (125–134 kHz) används för djurmärkning med injicerade mikrochip och för enklare passersystem.
• HF-RFID och NFC (13,56 MHz) används i kollektivtrafikkort, passerkort, betalkort och mobiler. NFC fungerar i läsarläge, kortemuleringsläge och ett läge där två enheter utbyter data, och datahastigheten är 106–424 kbit/s.
• Qi (trådlös laddning) använder också induktiv koppling, men vid ca 100–200 kHz och med mycket högre effekt, för att ladda telefoner och hörlurar.

UHF-RFID: backscatter#

UHF-RFID arbetar i Europa kring 865–868 MHz. Våglängden är ca 35 cm, så avståndet till taggen är ofta större än närfältsgränsen, och systemet fungerar med vanliga radiovågor. En passiv tag har ingen egen sändare: den tar energi ur läsarens signal och återsänder data genom att ändra sin antenns reflektion, så kallad backscatter (figur 2). Läsaren hör det reflekterade ekot, ungefär som en radar.

Signalen färdas fram och tillbaka, så den mottagna effekten i läsaren avtar som $1/r^4$ i stället för $1/r^2$: varje fördubbling av avståndet kostar ca 12 dB. Räckvidden begränsas dock oftare av att taggen måste få nog med energi än av läsarens känslighet. Standarden EPC Gen2 (ISO/IEC 18000-63) används i logistik, lager, bibliotek och handel.²

UWB: tidsmätning med bred puls#

UWB (ultra-wideband) skickar mycket korta pulser, ca 2 ns, och upptar därför en bandbredd på minst 500 MHz. Eftersom effekten sprids över en så bred bandbredd är effekttätheten (watt per hertz) mycket låg, och UWB störs inte lätt av och stör sällan andra system. De kanaler som används för positionering ligger i 6–9 GHz-området, till exempel kanal 5 (6,5 GHz) och kanal 9 (8,0 GHz) enligt IEEE 802.15.4z.³

UWB används för avståndsmätning: genom att mäta hur lång tid ett meddelande tar fram och tillbaka (two-way ranging) kan man räkna ut avståndet (figur 3). Det är mycket svårare att fuska med än signalstyrka, som kan förstärkas av en angripare. Därför används UWB i digitala bilnycklar och för att hitta saknade föremål.

Teknikerna på frekvensaxeln#

Figur 4 visar var teknikerna ligger. Lägre frekvens ger induktiv koppling över kort avstånd, medan 2,4 GHz och uppåt ger radiovågor med längre räckvidd.

Tabell 1. Kortdistanstekniker i sammanfattning. Räckvidd och hastighet är typiska värden och beror på utrustning och miljö.

Säkerhet#

Korta räckvidder skyddar inte i sig mot avlyssning eller relä-attacker, där signalen vidarebefordras mellan en nyckel och en bil. Bluetooth LE använder parkoppling med elliptisk kurva-baserad nyckelväxling (LE Secure Connections) och kryptering av trafiken, och NFC-betalningar skyddas av krypterade transaktioner. UWB:s avståndsmätning är ett skydd mot relä-attacker, eftersom en signal som vidarebefordras får längre flygtid än den borde ha. Se Säkerhet i radiokommunikation för principerna.

Kontrollfrågor#