Draadloze communicatie

1 Doelstellingen

Onderstaande doelstellingen komen in meer of mindere mate aan bod. De grijze doelstellingen komen hier niet aan bod. Dat zijn bv. praktijkoefeningen die aansluiten bij deze theorie, maar die in dit Wikibook niet behandeld worden. Of bv. theorie die in een ander hoofdstuk wordt behandeld.

Uit het leerplan D/2023/13.758/ van Applicatie- en Databeheer, een deel van leerplandoel 26 en 27:

• LPD 26: De leerlingen lichten de opbouw en werking van een netwerksysteem met zijn componenten en transportmedia toe.
  • netwerkdiensten, clouddiensten
  • routing
  • virtualisatie
• Lexicon. De componenten van een netwerk zijn onder meer werkstation, server, access point, switch, router, gateway, firewall, noodbatterij, backbone, SAN, NAS.
• Lexicon. De transportmedia zijn de soorten bekabeling in een netwerk, wifi, bluetooth …
• Lexicon. De basis clouddiensten zijn: IaaS, PaaS en SaaS.

Uit het leerplan Informatica- en communicatiewetenschappen (D/2023/13.758/), een deel van leerplandoel 17:

• LPD 17: De leerlingen lichten de opbouw, de werking en de samenwerking toe van de componenten van een computersysteem.
  • OSI-referentiemodel
  • Communicatieprotocol
  • Adressering
• Wenk. Het is belangrijk dat de leerlingen inzicht krijgen in het OSI-referentiemodel. Alles vertrekt van hieruit. Er worden meerdere communicatieprotocollen besproken, telkens komt het principe en de specifieke implementatie ervan aan bod. Bij adressering wordt zeker ingegaan op IP-adressering en subnetting voor IPv4 en IPv6. Enkel actuele netwerkcomponenten worden besproken.
• Wenk: Je kan volgende communicatieprotocollen aan bod laten komen: TCP/IP, seriële communicatie tussen controllers of tussen controllers en sensoren/actuatoren (I2C, SPI, Asynchroon), communicatie tussen controllers en computersystemen ( USB, Bluetooth, Wifi, Lora, 4G, 5G …).

Uit het leerplan Toegepaste Informatica van de richting Informaticabeheer:

• 3.1.4 De soorten transportmedia van een netwerk beschrijven en de eigenschappen met elkaar vergelijken, onder meer draadloze connectie.
• 3.2.9 De oorzaken en gevolgen van elektromagnetische interferentie toelichten.
• 3.5.1 De gevolgen van een slecht beveiligd netwerk toelichten.
• 3.5.6 De mogelijkheden van de beveiliging van een draadloos netwerk toelichten en toepassen.

2 Inleiding

Bij draadloze communicatie is er geen bekabeling aanwezig, met als grote voordeel dat er mobiliteit mogelijk is. Zonder draadloze communicatie had bv. iedereen nog een vaste telefoon, was er geen GPS en konden satellieten niet met de Aarde communiceren.

Toch zijn er ook nadelen t.o.v. bekabeling:

• Er is een grotere kans op interferentie van het signaal (door muren, andere signalen,...) en dus een grotere kans op fouten. Zo'n interferentie merk je soms als storing in je luidsprekers, bij het ontvangen van een telefoongesprek.
• Het signaal kan men makkelijker onderscheppen of overnemen. Het eerste kan via ontvangapparatuur, het tweede via zendapparatuur (met bv. een krachtiger signaal dan de echte zendantenna). Aandacht voor veiligheid (encryptie, authenticatie) is dus belangrijk.
• De wetenschap is er nog niet over of dit impact heeft op de gezondheid, dit geeft men soms aan met elektrosmog.

Ter info: in theorie kan men gebruikmaken van alle vormen van elektromagnetische straling. Hieronder zie je een afbeelding van het elektromagnetisch spectrum. Boven van links naar rechts: gammastraling, röntgenstraling, ultraviolet licht, zichtbaar licht, infrarood licht en radiostraling. Onder een uitvergroting van het spectrum van zichtbaar licht.

Uiteraard kan straling die bewezen ongezond is (gammastraling, röntgenstraling) niet gebruikt worden voor draadloze communicatie. Infrarood licht is populair bij afstandsbedieningen (IrDA), maar niet voor draadloos internet. Infrarood is nl. direct zicht: een tussenliggend object (muur, hand,...) maakt communicatie snel moeilijk. In de praktijk steunen de meeste technologieën dan ook op radiostraling.

Overnemen radiofrequenties

Lieven Scheire zoekt met zijn kompanen uit hoe radiofrequenties werken én hoe je ze kunt overnemen. Ze nemen tijdens de ochtendspits op de Brusselse Ring de proef op de som door de radio over te nemen van voertuigen om hen heen. Het is duidelijk dat de radio geen vorm van authenticatie heeft, waarmee de autoradio zou kunnen controleren of het wel de echte zendmast is.

(nl) Lieven Scheire: "Wil de Mercedes achter ons met zijn lichten knipperen?". De Redactie (2015-02-09).

Dorpje in Wales maandenlang zonder internet

Na zowat 1,5 jaar is eindelijk duidelijk waarom een klein dorpje in Wales internetproblemen had. Iedere ochtend om klokslag 7 uur viel de verbinding van alle dorpsbewoners weg. Tientallen ingenieurs zochten maandenlang naar de bron van het probleem. Tevergeefs, niets hielp. Tot ze een oude televisie in het dorp ontdekten die voor een uitbarsting van elektrische ruis/interferentie zorgde. Ook bij slechte microgolfovens of buitenverlichting kan dit voor problemen zorgen.

(nl) Een oude televisie zet dorpje in Wales maandenlang zonder internet. VRT NWS (2020-09-23).

3 Wi-Fi

Wi-Fi (draadloos ethernet) is een certificatielabel voor producten voor draadloze datanetwerken, die werken volgens de internationale standaard IEEE 802.11.

Een product komt enkel aanmerking voor het Wi-Fi-logo als door een onafhankelijk certificatiebureau is aangetoond dat het aan de eisen van Wi-Fi voldoet. Met name het laatste is van belang voor de consument, omdat dit garandeert dat producten met het Wi-Fi-logo samenwerken met producten van andere fabrikanten.

3.1 Toepassingen

Er zijn twee verschillende topologieën:

• Ad hoc, waarbij de ene client direct met een andere client communiceert.
• Infrastructuur, waarbij er één of meerdere access points (APs) zijn. Vaak is er roaming mogelijk, waardoor er van de ene naar de AP wordt overgeschakeld, zonder de verbinding te verliezen.

Om verschillende draadloze computernetwerken van elkaar te scheiden wordt een aparte naam gegeven: dit is een Service Set Identifier, kortweg SSID.

3.2 Veiligheid

Een Wi-Fi-verbinding kan door middel van verschillende technieken worden versleuteld, zoals WEP en WPA. WEP-beveiliging blijkt in de praktijk makkelijk te kraken. Binnen WPA zijn er drie versies: WPA, WPA2 en WPA3. Als de apparatuur het ondersteunt is een hogere versie veiliger.

3.3 Kenmerken

De verschillende Wi-Fi-versies worden aangegeven door letters (a, b, g, n, ac, ax). Ter info vind je in onderstaande tabel de snelheden en het bereik terug.

802.11-netwerkstandaard
802.11 Protocol	802.11 Standaard	Uitgebracht	Freq. (GHz)	Datarate per stream (Mbit/s)	Binnenshuis m	Buitenshuis m
–		1997	2,4	tot 2	20	100
a		1999	5	tot 54	35	120
			3,7		--	5000
b		1999	2,4	tot 11	38	140
g		2003	2,4	tot 54	38	140
n	Wi-Fi 4	2009	2,4/5	tot 150	70	250
ac	Wi-Fi 5	2014	5	tot 866,7
ax	Wi-Fi 6	2018	5	tot 1200

Over de snelheid bestaat veel verwarring: in advertenties en folders doet men alsof de vermelde snelheden vergelijkbaar zijn met ethernet-snelheden. Het gaat hier echter om de ruwe snelheden van het radiokanaal (gemeten aan de fysieke laag en dus de througput/doorvoersnelheid). De radioverbinding is half-duplex (de stations kunnen alleen om-en-om zenden, niet tegelijkertijd) en er gaat tijd verloren bij het omschakelen van richting. Bovendien komt er nog extra overhead bij door foutcorrectie en hertransmissie. Al met al is de goodput (gemeten aan de applicatielaag) maar hooguit de helft van de throughput (en meestal minder).

Het bereik is sterk afhankelijk van de situatie: zo merk je dat het bereik binnenshuis (met vele obstakels) een stuk lager ligt dan buitenshuis. Waar de AP staat maakt ook veel uit: zo zal een AP in een hoek van het huis, op de grond een minder goed bereik hebben dan centraal in het huis, op een zekere hoogte.

Wi-Fi op lange afstand

Hoewel een WiFi-signaal standaard slechts een bereik heeft van enkele tientallen meter, kan dat fors worden uitgebreid door aanpassingen van het netwerkprotocol en door het gebruik van gerichte antennes. Op die manier kunnen dunner bevolkte gebieden voor zeer weinig geld met het internet worden verbonden. Zo'n netwerk bestaat meestal uit een combinatie van point-to-point verbindingen, die elk een paar kilometer tot hooguit 50 of 100 kilometer lang zijn. Elk knooppunt bestaat uit minstens twee gerichte antennes: één daarvan is gericht op het vorige knooppunt, de andere op het volgende knooppunt. De langste WiFi-link ter wereld, opgezet in 2007, is een draadloze verbinding van 384 kilometer in Venezuela. Zo'n netwerken bestaan ook in Europa met Guifi.net (Spanje), Freifunk (Duitsland) en AWMN (Griekenland).

(nl) Bouw een lowtech internet. Lowtech Magazine (2015-10-18).

Wi-Fi-producten maken vooral gebruik van radiofrequenties in de 2,4 GHz- en/of 5,0 GHz-band die onder voorwaarden zonder licentie gebruikt mogen worden. De 2,4 GHz-band is dezelfde band waarin ook magnetrons werken, maar ook draadloze muizen en toetsenborden, draadloze deurbellen, garagedeuropeners, hoofdtelefoons en veel andere apparatuur werken vaak op deze band. Dit zorgt dat er verstoring kan optreden. Zo zou het kunnen dat de draadloze deurbel van de buren de dampkamp (die kan worden bediend met aan afstandsbediening) kan aanzetten.

Naast de gebruikte GHz-band wordt er ook gebruik gemaakt van verschillende kanalen (en:channels). Als je verschillende netwerken in elkaars buurt hebt en ze gebruiken hetzelfde kanaal, dan krijg je verstoring. Onderzoek dus of een ander kanaal niet vrij is, wat je dan vervolgens kan instellen in jouw AP.

Grafische voorstelling van 2.4 GHz band kanalen

Laat de wifi het soms afweten bij jou thuis? Probeer deze tips uit

Het VRT NWS artikel bespreekt uitgebreider de volgende tips: locatie (zo centraal mogelijk), frequentie (2,4 vs 5 GHz), repeater, extender, mesh, bekabeld.

(nl) Laat de wifi het soms afweten bij jou thuis? Probeer deze tips uit. VRT NWS (2015-10-18).

4 Bluetooth

Bluetooth is een andere draadloze technologie, die zuiniger en goedkoper is dan Wi-Fi. Het biedt echter minder bandbreedte en bereik. Deze open standaard wordt vooral gebruikt voor apparaten die werken op batterijen en die op korte afstand willen communiceren met elkaar.

4.1 Toepassingen

Belangrijke toepassingen zijn het verzenden van bestanden tussen apparaten zoals computers en mobiele telefoons, het zenden van een document of afbeelding van een computer naar een printer, het zenden van toetsaanslagen van een toetsenbord naar een computer, het zenden van een afbeelding van een scanner naar een computer, het zenden van geluid naar een draadloze koptelefoon enzovoort.

4.2 Veiligheid

In het basisprotocol zitten twee belangrijke zaken i.v.m. veiligheid:

• Encryptie: de signalen tussen de apparaten worden versleuteld, zodat iemand dit signaal niet zomaar kan oppikken (bluesniffing), om bv. de toetsaanslagen (en wachtwoorden) van een Bluetooth toetsenbord op te pikken.
• Authenticatie: is het andere apparaat daadwerkelijk wie hij beweert te zijn? Mocht dit afwezig zijn, zou een ander, onveilig apparaat ook een geëncrypteerde verbinding kunnen opzetten.

Een goede veiligheid is belangrijk, omdat zo bv. ongemerkt gegevens uit jouw telefoon zouden kunnen achterhaald worden d.m.v. Bluetooth (het was alvast een vaak gebruikte techniek in de serie Person of Interest).

5 LPWAN

Voor sommige toepassingen is én een groot bereik nodig, én weinig energie (zodat een kleine batterij volstaat). Wi-Fi voldoet niet wegens te energieslurpend, maar Bluetooth ook niet, wegens een te klein bereik. Bij een groot bereik en weinig energieverbruik kom je terecht in een LPWAN (Low-Power Wide-Area Network). Deze techniek kan interessant zijn bij sommige IoT-toepassingen. Helaas is er ook een nadeel: een lage bit rate.

Een voorbeeld van LPWAN is LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) dat wordt gebruikt bij Proximus of KPN. Andere voorbeelden zijn Sigfox, NB-IoT of narrowband 4G. Die laatste is gebruikt bij de gazondolk van het burgerwetenschapsproject CurieuzeNeuzen, omdat deze erg weinig energie verbruikt en toch meer data kan verwerken dan bijvoorbeeld Sigfox.

Pet Tracker volgt je huisdier via LPWAN

De Pet Tracker van Invoxia is een klein toestelletje dat je aan de halsband van jouw huisdier kan bevestigen. Het bevat een GPS-ontvanger en elektronica om deze locatie door te geven (bv. als het huisdier een "veilige zone" verlaat). De communicatie gebeurt via het low-powernetwork van Sigfox, waardoor de accu een drietal maanden kan meegaan.

(nl) Pet Tracker van Invoxia volgt je huisdier op de voet via Sigfox-netwerk. tweakers.net (2019-01-09).

6 Mobiele telefonie

De mobiele telefoon was en is aan een snelle evolutie onderhevig, met heel wat netwerkprotocollen zoals GSM, GPRS, 3G, 4G of 5G. Waar het eerst enkel werd gebruikt om te SMS'en en te telefoneren heeft het dankzij een snellere dataverbinding heel wat meer toepassingen gekregen.

7 Satellietnetwerk

60 op elkaar gestapelde Starlink testsatellieten vlak voor ze in mei 2019 door de Falcon 9-raket in hun baan werden losgelaten

Internet via satelliet is een breedbandverbinding met het internet via communicatie met één of meer satellieten. Een nadeel is de latency, die hoger is dan bij kabelverbindingen over land (de afstand is nl. vaak veel groter). In landen met een zwakke of onbestaande internetinfrastructuur kan zo'n satellietnetwerk toch heel handig zijn: de hoge(re) latency neem je er dan wel bij. Een ander nadeel is dat je voor satellieten in een lagere baan rond de aarde (en daarmee een lagere latency) er een pak meer nodig zijn, met dus een extra kans op ruimteschroot en lichtvervuiling voor telescopen.

Een voorbeeld is Starlink van het Amerikaanse ruimtevaartbedrijf SpaceX, een bedrijf van Elon Musk. Elon Musk wil met Starlink drie tot vier procent van de internetmarkt bedienen. Het netwerk richt zich op het platteland waar geen hoogwaardig internet is en 5G-techniek onaantrekkelijk is vanwege de afstanden. Hij richt zich niet op stedelijke gebieden: een satellietnetwerk zou volgens hem nooit genoeg bandbreedte voor een dichtbevolkt gebied kunnen leveren. In 2020 kon je in België aan de hemel een satelliet-trein zien die op weg was naar een baan om de aarde. Op termijn moeten 12000 satellieten gelanceerd worden.

De eerste gebruikers geven aan dat ze downloadsnelheden halen van 11 tot 60 Mbps, uploadsnelheden van 4,5 tot 17,7 Mbps en een latency van 31 tot 94 ms. Door de grote afstanden die overbrugt moeten worden is het behalen van betere waarden geen evidentie, maar SpaceX belooft uiteindelijk tot maximaal een gigabitverbinding aan te kunnen met een lage latentietijd. Vanaf 2023 is Starlink-hardware te huur in België en Nederland.

8 Streepjescode en QR-code

Streepjescode is ongetwijfeld het meest bekend van in de winkel, om zo snel producten te kunnen inscannen. Via een QR-code kan je nog meer informatie bewaren, bv. een QR-code die je via de smartphone inscant, zodat je een website kan openen. Deze technologieën maken gebruik van zichtbaar licht, waardoor de reikwijdte beperkt is. Bovendien is er maar communicatie in één richting.

Zo kan je bv. in sommige winkels de streepjescode van een product scannen, om zo extra info te weten en het eventueel toe te voegen aan je winkelmandje. Bij het buitengaan kan je dan via het scannen van een QR-code direct betalen.

• 
  streepjescode
• 
  QR-code
• 
  QR-code structuur

9 RFID en NFC

Wie al gewerkt heeft met streepjes- of QR-codes weet dat je goed moet mikken. Dit kan in sommige toepassingen vervelend zijn, waardoor men gezocht heeft naar andere technologieën:

• RFID (Radio-frequency identification) is een technologie om van een afstand informatie op te slaan in en af te lezen van zogenaamde RFID-tags die op of in objecten of levende wezens zitten. Het gaat hier primair om opslag en verzenden van informatie in één richting.
• NFC (Near field communication) is een vorm van RFID, maar met NFC kan in twee richtingen gecommuniceerd worden. NFC wordt o.a. toegepast in mobiele telefoons als betaalmiddel, in ticketsystemen of in tags/stickers. Met zo'n NFC sticker kan je automatisaties maken, bv. met Home Assistant).

• 
  Microchip-implantaat
• 
  RFID-tags, bv. voor in een bibliotheek
• NFC in een notendop
• 
  Structuur NFC tag

Chip als personeelsbadge

Bij enkele werknemers van het Mechelse bedrijf New Fusion is vandaag een chip ingeplant. Met die chip kunnen de werknemers binnen en buiten op het werk zonder een badge of sleutel te gebruiken. De chip wordt geplaatst tussen duim en wijsvinger.

(nl) Chip als personeelsbadge? Voelt aan als een prikje. deredactie.be (2016-12-14).

Kassaloos betalen

Gebruikers moeten een app installeren en een speciale kaart of hun Android-smartphone met NFC tegen het schaplabel bij producten in de Albert Heijn To Go houden. Nadat ze de winkel uitlopen, wordt automatisch een opdracht voor automatische incasso naar de rekening van de klant gestuurd.

(nl) Albert Heijn start kassaloos betalen met Android-smartphones. tweakers.net (2018-09-24).

Slimme camera's tegen diefstal

Het artikel zelf start met slimme camera's tegen diefstal waarbij de software de bewegingen van klanten analyseert om te detecteren of ze iets in hun zak of tas stoppen. Vervolgens krijgen medewerkers daar een melding van. In het kader van dit hoofdstuk zijn vooral de commentaren interessant. De tweakers gaan er in op voor- en nadelen van RFID-tags bij het winkelen. Iets wat simpel lijkt, kan bij implementatie tegenvallen.

(nl) Ongeveer 110 Nederlandse supermarkten gebruiken slimme camera's tegen diefstal. tweakers.net (2024-02-20).

10 Kenmerken

Er is niet gekozen om álle draadloze mogelijkheden te bespreken, noch om enkel de meest populaire te behandelen. Er is wel een keuze gemaakt voor deze technologieën die enkele aspecten van draadloze communicatie bespelen:

• Bereik: hoe ver reikt het signaal nog betrouwbaar. Bijvoorbeeld: satellietnetwerk > LPWAN > WiFi > Bluetooth.
• Verbruik. Bijvoorbeeld: Wi-Fi > Bluetooth > LPWAN.
• Interferentie. In welke mate is er last van obstakels die de communicatie kunnen belemmeren? Zo hebben de technologieën die gebruikmaken van zichtbaar licht (streepjescode, QR-code) of infrarood heel wat last van obstakels. Maar ook een satellietnetwerk heeft hier last van. Bij gebruik van radiogolven (bv. Wi-Fi) speelt dit een stuk minder.
• Al of niet roaming. Dit is waarschijnlijk het meest bekend bij mobiele telefonie. In het buitenland staan er nl. geen gsm-masten van je eigen provider. Om toch te kunnen bellen laat een buitenlandse provider d.m.v. roaming toe dat je gebruikt maakt van hun infrastructuur. Wi-Fi-roaming kan je hebben wanneer je bij een groter netwerk met meerdere draadloze toegangspunten (APs) eerst verbonden was met de ene AP. Wanneer je je verplaatst kan het zijn dat een andere AP een beter signaal heeft. Als je bestaande verbinding transparant verdergaat, dan spreek je over Wi-Fi-roaming (strikt gezien is het handover).
• Communicatierichting. Dat kan in één richting (unidirectioneel, bv. streepjescode, RFID) of in twee richtingen (bidirectioneel, bv. Wi-Fi, Bluetooth, NFC).
  • Simplex: communicatie waarbij enkel in één richting informatie wordt verstuurd.
  • Full-duplex: communicatie wordt tegelijk uitgewisseld in de twee richtingen: van zender naar ontvanger en van ontvanger naar zender.
  • Half-duplex: communicatie in beide richtingen (in tegenstelling tot simplex), maar niet tegelijkertijd (in tegenstelling tot full-duplex). Bv. walkietalkie.

• 
  Simplex
• 
  Full-duplex
• 
  Half-duplex
• 
  Walkietalkies

Olifanten herkennen

Een interessant artikel over het detecteren van olifanten (stropers, dorpen, ...) in een gebied waar breedbandinternet en elektriciteit niet vanzelfsprekend is (de jungle van Gabon). Een verhaal over camera met AI, Raspberry Pi, satelliethulp, LoRa en Bluetooth.

(nl) Olifanten in real time herkennen. tweakers.net (2023-02-03).

Het is dus niet zo dat één technologie dé beste is: altijd moeten bovenstaande kenmerken én de concrete situatie bekeken worden, voordat een keuze wordt gemaakt. Denk bv. aan:

• Een omgeving waar moeilijk bekabeling kan worden voorzien. Dan is Wi-Fi mogelijks de betere keuze.
• Bij gebruik van CAT 5E UTP, maar met 100Mbit-switches, zou het best kunnen dat de Wi-Fi een pak sneller is.
• Een netwerk via 5G kan sneller blijken dan een omgeving met veel verschillende Wi-Fi-netwerken.
• Een satelliet heeft een hoge bandbreedte, maar helaas ook een hoge latency.