La tecnologia wireless è una delle modalità di comunicazione preferite (connettività) tra due o più dispositivi. Con questa tecnologia, la comunicazione dati avviene senza l'uso di cavi o fili ma tramite onde elettromagnetiche quali radiofrequenze, infrarossi e trasmissioni satellitari.

Le comunicazioni wireless utilizzano frequenze particolari nello spettro elettromagnetico da 3 Hz a 3000 GHz (3 THz), dette onde radio. Questa tecnologia è impiegata in numerose applicazioni legate ai computer e alle comunicazioni, quali i dispositivi cellulari dalla terza alla quinta generazione (3G/4G/5G), la banda larga, le reti Wi-Fi interne, i sistemi da veicolo a veicolo (V2V) fino ai sensori integrati, alle applicazioni RFID (Radio Frequency Identification), alle microonde e ai servizi radio aeronautici, marittimi, commerciali e privati.

I requisiti dinamici della tecnologia wireless hanno portato allo sviluppo di diversi metodi e standard di comunicazione wireless in tutto il mondo, basati su esigenze commerciali quali le specifiche applicazioni e la portata delle trasmissioni. Tali tecnologie possono essere classificate grosso modo in quattro categorie: WPAN (Wireless Personal Area Network), WLAN (Wireless Local Area Network), WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), WWAN (Wireless Wide Area Network). Come si intuisce dai rispettivi nomi, le caratteristiche di queste soluzioni in termini di portata e di "data rate" sono ottimizzate in base alla copertura e all'utilizzo su scala personale, locale, metropolitana o globale.

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RFID

La tecnologia RFID (Radio Frequency Identification) può essere definita come la tecnologia di identificazione automatica che utilizza campi elettromagnetici a radiofrequenza per identificare oggetti muniti di cartellini quando si trovano in prossimità di un lettore. La tecnologia RFID è un semplice metodo di scambio di dati tra due entità, vale a dire un lettore/scrittore e un tag. Questa comunicazione consente di determinare le informazioni sul tag, o sull'elemento che porta il tag, e in questo modo consente una più facile gestione dei processi.

L’uso della tecnologia RFID si è diffusa in molte aree dei diversi ambienti, come il settore aziendale, sanitario e manifatturiero. La tecnologia RFID è ideale per tracciare i beni e identificarli utilizzando una semplice antenna a basso costo collegata al bersaglio. Viene utilizzata per l’identificazione di qualunque cosa, dalle etichette dei negozi al tracking dei veicoli e migliora la distribuzione e la visibilità nelle catene di fornitura, oltre a consentire il controllo degli accessi nelle situazioni di sicurezza.

Simile alla sintonizzazione sulle diverse frequenze di una radio per ascoltare i vari canali, i cartellini RFID e i lettori devono essere sintonizzati sulla stessa frequenza per comunicare. La tecnologia RFID utilizza varie frequenze radio, ed esistono molti tipi di tag con diversi metodi di comunicazione e sorgenti di alimentazione. I tag RFID in genere sono dotati di un chip elettronico con un'antenna per passare le informazioni sull'interrogatore (noto anche come una stazione base o più in generale, lettore). Il gruppo, chiamato inlay, viene quindi confezionato per essere in grado di resistere alle condizioni in cui opererà. Questo prodotto finito è noto come tag, etichetta o transponder.

La tecnologia RFID è considerata un dispositivo non specifico a corto raggio. È possibile utilizzare le bande di frequenza senza licenza. La sua gamma varia da 1 a 12 metri a una velocità di 640 kbps. La tecnologia RFID è in conformità con le normative locali (ETSI, FCC ecc.) e nella maggior parte dei paesi sono stati assegnati da 125 a 134 kHz dello spettro per sistemi RFID a bassa frequenza; 13,56 MHz sono in genere utilizzati in tutto il mondo per i sistemi RFID ad alta frequenza. I sistemi RFID UHF utilizzano 433, e 860-960 MHz, e 2,45/5,8 GHz sono frequenze super alte.

NFC

La comunicazione NFC (Near Field Communication) agevola la tecnologia wireless di comunicazione a corto raggio tra dispositivi compatibili, utilizzando onde elettromagnetiche. La tecnologia consente lo scambio di dati contactless attraverso i dispositivi predisposti e protetti tramite contatto da punto a punto su brevi distanze. La NFC utilizza una comunicazione wireless a basso data date con frequenza 13,56 MHz. La NFC basata sulla tecnologia RFID offre ai protocolli di identificazione un mezzo che conferma un trasferimento dati sicuro. Consente agli utenti di eseguire una transazione contactless, di accedere a contenuti digitali e di collegare dispositivi elettronici semplicemente toccando o avvicinando i dispositivi. Le etichette basate su NFC sono integrate nelle carte di credito, negli smartphone e altri dispositivi indossabili e utilizzate in varie applicazioni come lo scambio di dati tra smartphone, i pagamenti contactless, le carte di trasporto, la gestione degli accessi ai parcheggi, l’emissione di biglietti da dispositivi mobili, le applicazioni mediche (dal tracking dei pazienti a quello biomedico, l’etichettatura dei beni e molto di più).

La tecnologia coinvolge l’uso di un accoppiamento induttivo per trasportare energia tra due dispositivi attraverso un campo magnetico condiviso. Quando si posiziona un’etichetta vicino al lettore, il campo della bobina dell’antenna di quest’ultimo si accoppia con quella dell'etichetta. All’interno dell'etichetta si genera dunque una tensione, successivamente rettificata e utilizzata per alimentare il circuito interno dell’etichetta stessa. Il lettore regola il campo per comunicare i suoi dati con quell'etichetta. Il circuito del tag varia il carico della bobina per restituire i dati al lettore anche quando il vettore non modulato del lettore rimane invariato. Il lettore lo rileva grazie all’accoppiamento reciproco. Questa funzionalità è detta modulazione del carico.

I dispositivi dotati di chip NFC sono di due tipi: iniziatore (passivo) e obiettivo (attivo). Un tag NFC può essere sia attiva che passiva. Tuttavia, un lettore NFC è sempre un dispositivo attivo. Questi dispositivi funzionano in entrambe le modalità attiva-passiva o attiva-attiva (peer-peer). Nella modalità attiva-attiva entrambi i dispositivi hanno una modalità di alimentazione indipendente, mentre invece in modalità attiva-passiva il dispositivo passivo ottiene l'alimentazione dalle onde elettromagnetiche del dispositivo attivo. La modalità base dei comunicazione e mezzo duplex nella NFC, in cui un dispositivo NFC trasmette mentre l’altro riceve.

Un vantaggio importante dell’NFC è dato dal fatto che la tecnologia si adatta alla infrastruttura RFID esistente, alle smart card contactless e alle etichette RFID. Un dispositivo predisposto all’NFC combina entrambi i componenti: un lettore attivo e un transponder passivo. Legge i dati e li scrive su o da un’etichetta che riceve i dati, poi li trasmette direttamente a un altro dispositivo NFC.

Bluetooth

Bluetooth è uno standard per le comunicazioni wireless, basato su un sistema radio progettato per la connettività a corto raggio per dispositivi portatili personali. Definisce uno stack di comunicazione che permette ai dispositivi di trovarsi l'un l'altro e segnalare i servizi che offrono. Il Bluetooth viene ampiamente usato nella tecnologia WPAN (wireless personal area network), ovvero nelle reti wireless a breve distanza. Lo standard IEEE 802.15.1 specifica il funzionamento e l'architettura dei dispositivi Bluetooth, ma il funzionamento riguarda solo il livello fisico e il livello di controllo di accesso medio (MAC). I livelli di protocollo e le applicazioni sono standardizzati tramite Bluetooth SIG. L'accesso ai canali avviene con la tecnica FHSS, con una velocità di segnale di 1 Mb/s, utilizzando la modulazione a spostamento di frequenza GFSK (Gaussian shaped frequency shift keying).

Ogni dispositivo che utilizza il Bluetooth contiene un piccolo microchip in grado di inviare sia dati che segnali vocali. Un dispositivo funziona come master in qualunque configurazione tipica, e uno o più dispositivi funzionano da slave. Tale dispositivo master utilizza un software di gestione del collegamento per distinguere gli altri dispositivi Bluetooth e creare collegamenti per ricevere e inviare dati. I sistemi Bluetooth includono stack protocollo, trasmittenti e bande base e sono in grado di creare una rete compatta con pochi dispositivi. I sistemi creano una grande rete distribuita composta da numerose reti Pico indipendenti e un cluster di piconet interconnesse denominate scatternet. Un sistema Bluetooth semplice include antenne, software, controllo del collegamento e gestione del collegamento.

I dispositivi Bluetooth utilizzano la banda a 2,4 GHz, che per i suoi segnali radio è una banda di frequenza industriale, scientifica e medica ("Industrial, Scientific and Medical", ISM) esente da licenza, e consente di stabilire comunicazioni tra dispositivi fino a una distanza massima di circa 100 metri. La forza principale di Bluetooth è la sua capacità di gestire contemporaneamente sia le trasmissioni di dati sia di voce, consentendo soluzioni innovative come gli auricolari vivavoce per le chiamate vocali, funzionalità di stampa su fax, e la sincronizzazione automatica di PDA, di computer portatili e di applicazioni di rubrica del telefono cellulare.

Le tue specifiche di implementazione più popolari sono Bluetooth Basic Rate o Enhanced Data Rate (BR/EDR), convalidate come versione 2.0/2.1 e Bluetooth Low Energy (LE), convalidata come versione 4.0/4.1/4.2/5.0. Il Bluetooth BR/EDR stabilisce una connessione wireless continua, relativamente a corto raggio. La velocità dati EDR da 2-3 Mbit la rende ideale per l’utilizzo in casi come lo streaming audio. Il BLE consente una connessione radio a lungo raggio in burst brevi ed è quindi ideali per applicazioni nell’Internet of Things (IoT). I beacon Bluetooth sono attualmente utilizzati per la localizzazione in ambienti chiusi, il rilevamento dell’attività e le applicazioni basate sul rilevamento di prossimità. L’impiego del BLE sta prendendo piede in quanto vari settori stanno adottando soluzioni di Asset Tracking, unità di fabbricazione, sistemi di posizionamento per triangolazione tridimensionale utilizzando beacon basati su BLE.

ZigBee

ZigBee è un protocollo standard di comunicazione basato su IEEE 802.15. È costituito dal controllo dell’accesso dei media e dallo strato fisico definito nello standard IEEE 802.15.4 per WPAN a bassa velocità. Questo standard di rete wireless ha l’obiettivo di monitorare e controllare applicazioni in cui sono richiesti livelli di trasmissione dati relativamente bassi con una portata di 10-100 metri, con la possibilità di sensori remoti a batteria. I bassi consumi di energia sono fondamentali. Sensori, controlli dell’illuminazione, sicurezza e numerose applicazioni in questa tecnologia sono idonei per il funzionamento in luoghi isolati e in ambienti radio difficili. Gli ZDO (ZigBee Device Objects) tengono traccia dei ruoli del dispositivo, gestiscono le richieste congiunte di rete e la sicurezza e scoperta dei dispositivi.

Il sistema è stato progettato per operare in una delle tre bande libere da licenze a 2,4 GHz, 915 MHz e 868 Mhz a 2,4 Ghz la velocità dati massima è di 250 kbps. Per 915 MHz lo standard supporta una velocità dati massima di 40 kbps, mentre a 868 MHz può supportare un trasferimento dati fino a 20 kbps. Ci sono tre diverse topologie di rete supportate da ZigBee, vale a dire le reti a stella, mesh e cluster tree o ibride. Vi sono numerosi vantaggi per il protocollo ZigBee, incluse le sue caratteristiche di affidabilità, scalabilità e la capacità di auto-riparare la sua rete mesh.

ZigBee PRO è una versione di ZigBee che comporta maggiori funzionalità, come le tecniche di instradamento, i salti di rete, il numero massimo di dispositivi, la protezione della rete. Adottando ZigBee PRO come versione avanzata, è possibile fornire le funzionalità aggiuntive di alcune applicazioni, pur mantenendo uno stack più semplice e a basso costo, e un minor consumo di energia per le applicazioni che non richiedono le funzionalità aggiuntive.

La tecnologia ZigBee è semplice, affidabile e veloce. Una rete ZigBee genera reti che si auto-organizzano e accolgono molteplici dispositivi. Può creare una comunicazione multi-canale e trova ampio utilizzo nei settori M2M e IoT, come la smart grid e il rilevamento remoto di altri campi. ZigBee PRO è una versione ZigBee caratterizzata da migliori capacità come le tecniche di routing, la sicurezza di rete e gli hop di rete. L’adozione di una versione PRO ZigBee migliorata può offrire capacità applicative aggiuntive.

WiFi

WiFi (Wireless Fidelity) è un termine generico che si riferisce allo standard di comunicazione per le reti WLAN IEEE 802.11. Utilizza onde radio per fornire connessioni di rete e Internet ad alta velocità senza fili basate sugli standard IEEE 802.11. WiFi è un marchio di WiFi Alliance, che limita l'uso del termine WiFi certificato a prodotti che superano con successo i test di certificazione dell'interoperabilità.

Il WiFi ha una maggiore velocità, una migliore sicurezza e un raggio maggiore rispetto alle tecnologie wireless standard. Questa tecnologie wireless ad area locale consente alle apparecchiature elettroniche di scambiare i dati o andare online utilizzando bande radio 5 GHz SHF ISM e 2.4 GHz UHF. La maggior parte dei dispositivi elettronici al giorno d’oggi hanno interfacce WiFi integrate, come i personal computer, le console di gioco e gli smartphone, ecc. Questi si connettono alle risorse di rete (come Internet) attraverso un punto che consente l’accesso alla rete senza fili. Tali punti di accesso (comunemente noti come hotspot) hanno una portata di circa 20 metri al chiuso e una portata maggiore all'aperto. Tutte le reti WiFi sono sistemi TDD contrasto-centrici, in cui le stazioni mobili e i punti di accesso competono per l’utilizzo dello stesso canale.

I segnali radio sono le chiavi che rendono possibile il networking WiFi. I ricevitori WiFi (come i cellulari e i laptop) captano questi segnali radio trasmessi dalle antenne WiFi. I ricevitori sono in dotazione alle schede WiFi. Le schede WiFi leggono questi segnali e creano una connessione internet tra la rete e l’utente.

I punti di accesso, come router e antenne, sono le sorgenti principali di trasmissione e ricezione delle onde radio. Le antenne più forti hanno una trasmissione radio più lunga e un raggio di circa 90-150 metri. Trovano il loro utilizzo nelle aree all'aperto. Il router, più debole ma efficace, è più idoneo all’uso in ambienti chiusi, con la sua trasmissione radio di 30-45 metri. Si può creare un hotspot WiFi tramite l’installazione di un punto di accesso alla connessione internet. Il punto di accesso funziona da stazione base. Il dispositivo abilitato al WiFi si collega in modalità wireless alla rete quando trova un hotspot.

La sicurezza è uno dei principali problemi nel WiFi, nonostante la disponibilità di sistemi di crittografia migliori. La crittografa è volontaria nel WiFi e vengono definiti diversi metodi, Il WEP ha perso importanza quando è stato introdotto il WPA (WiFi Protected Access) come parte dell’802.11 e implementato attraverso un aggiornamento del firmware. La versione base WPA è dotata di chiavi precondivise (WPA-PSK). È destinata all’uso personale e pertanto non ha bisogno di un server di autenticazione. Il WPA-Enterprise deve utilizzare un server RADIUS (Remote Authentication Dial-in User Service) e supporta numerose estensioni EAP (Extensible Authentication Protocol).

Il WPA2 è la versione standard 802.11i ratificata dal 2004. È simile al WPA ma il WPA2 è obbligatorio per i prodotti che devono essere certificati per il WiFi. Il WPA3 migliora il WPA/WPA2 e utilizza la crittografia a 128 bit e 192 bit nelle modalità personale e aziendale. Il WPA3 aumenta il Forward Secrecy.

Cellulare

L'evoluzione delle reti mobili è elencata da generazioni. Molti utenti comunicano all'interno di una singola banda di frequenza attraverso telefoni cellulari. Telefoni cellulari e cordless sono due esempi di dispositivi che fanno uso di segnali wireless. In genere, i telefoni cellulari hanno un campo più ampio di reti che fornisce copertura. Al contrario, i telefoni cordless hanno un campo limitato. Come i dispositivi GPS, per comunicare alcuni telefoni fanno uso di segnali provenienti dai satelliti.

La WWAN è una comunicazione a lungo raggio che usa ovunque i dati della rete cellulare e anche internet. Le WWAN stabiliscono collegamenti su vaste aree, come città o paesi, tramite sistemi satellitari multipli o siti di antenne gestiti da un Internet Service Provider (ISP). Questi sistemi vengono definiti come sistemi 2G (seconda generazione). Queste reti richiedono costi di implementazione elevati dal momento che coprono un'ampia area geografica. Le WWAN includono reti cellulari per telecomunicazioni mobili come LTE (Long Term Evolution), GSM, CDMA 2000, dati a pacchetto digitali per cellulare (CDPD) e Mobitex per il trasferimento dei dati.

Il Sistema di telecomunicazioni mobili universale UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) è un sistema di terza generazione (3G) di servizi mobili, che stabilisce comunicazioni vocali e connettività di dati a velocità elevata, incluso l'accesso a internet, le applicazioni di dati mobili e i contenuti multimediali. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) e HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) appartengono rispettivamente alle generazioni 3,5 e 3,75 dei sistemi mobili. HSDPA possiede una velocità di trasmissione di 2 Mbit/s per la direzione in downlink e di 384 kbit/s per la direzione in uplink, e HSUPA consente l'invio di dati a una velocità di trasmissione pari a 1,45 Mbit/s per la direzione in uplink.

La generazione 4G della tecnologia di telecomunicazioni mobili fornisce l'accesso a internet a banda larga mobile per i modem wireless, per i sistemi mobili di smartphone e altri. I sistemi 4G offrono servizi chiave migliorati, come la chiamata video HD, una maggiore ampiezza di banda (BW), elevato throughput dati, migliore QoS e servizi di gaming online in streaming. Ha una capacità da 40 Mhz BW e stabilisce un requisito di velocità di picco di 100 Mbps.

Il 5G, una tecnologia cellulare mobile nascente, gode di una velocità dati elevata e una migliore efficienza energetica. Supporta un ambiente in realtà virtuale completo con applicazioni audio/video ultra HD e una velocità dati di 10 Gbps per accrescere i servizi cloud mobili. Il 5G si basa su standard come CDMA (Code Division Multiple Access), WWWW (World Wide Wireless Web) e BDMA (Beam Division Multiple Access). Supporta un’ampia larghezza di banda bidirezionale con velocità dati superiori a 1.0 Gbps con uno spettro proposto da 3 a 300 Ghz tramite connettività universale. Il cloud computing e Internet costituiscono il nocciolo dell’infrastruttura di rete, che fornisce servizi di comunicazione rapidi e affidabili, IoT, comunicazione olografica, dispositivi wireless indossabili, cloud computing, realtà virtuale, progressi in materia di banking online sicuro, TV mobile full HD, telemedicina, roaming globale, streaming video in ultra HD e servizi di gaming online, solo per citarne alcuni. Il 5G migliora le esperienze digitali grazie all’automazione assistita da ML. La richiesta di tempi di risposta più rapidi (esempio: le auto a guida autonoma) spinge le reti 5G a migliorare l’automazione con il ML e, a lungo termine, l’AI e il Deep Learning (DL).

Si prevede che le reti di comunicazione wireless 6G offriranno una copertura globale, sicurezza, maggiore efficienza in termini di spettro/energia/costo e un migliore livello di intelligenza. Le reti 6G, per soddisfare tali requisiti, faranno affidamento su nuove tecnologie di convalida, slicing di rete, cloud/fog/edge computing e architettura cell-free. Allo stesso modo, potrebbero completare le reti non terrestri come quella satellitare e le reti di comunicazione UAV (aeromobile a pilotaggio remoto). Ciò si tradurrebbe in una rete di comunicazione integrata spazio-aria-terra-mare, inclusa la banda millimetrica sub-6 Ghz, terahertz (Thz) e bande di frequenza ottica.

SigFox

Sigfox fornisce un operatore di rete simile a quella dei cellulari che propone una soluzione su misura per l'Internet delle cose e le applicazioni M2M a bassa capacità effettiva di trasmissione. Connette dispositivi remoti utilizzando la tecnologia Ultra Narrow Band (UNB) e funziona con le bande senza licenza (ISM). Utilizza un metodo di trasmissione radio standard chiamato binary phase shift keying (BPSK).

Questa forma di tecnologia di comunicazione wireless a basso costo è necessaria per una quantità di applicazioni. Per gestire la rete è necessario disporre di un terminale radio economico e una stazione base più sofisticata ed è principalmente diretta ad applicazioni con bassa velocità dati. Richiede un numero di antenne notevolmente inferiore rispetto alle reti cellulari tradizionali, come GSM/CDMA. Sigfox ha adattato un protocollo leggero per gestire messaggi di piccole dimensioni. Un minor numero di dati da inviare significa un minor consumo energetico, quindi una batteria con una durata maggiore.

Utilizzando la modulazione Ultra Narrow Band, Sigfox opera nei 200 kHz della banda pubblica e senza licenza per scambiare messaggi radio via etere (da 868 a 869 MHz e da 902 a 928 MHz a seconda delle regioni). Ciascun messaggio ha una larghezza di 100 Hz ed è trasferito a 100 o 600 bit al secondo di velocità di trasferimento dati, a seconda della regione. In questo modo, è possibile raggiungere lunghe distanze pur essendo molto resistente al rumore. Tra il dispositivo e la rete la trasmissione non è sincronizzata. Il dispositivo trasmette ogni messaggio 3 volte su 3 diverse frequenze (frequency hopping). Le stazioni base monitorano lo spettro e cercano i segnali UNB per demodulare.

La densità delle celle nella rete Sigfox si basa su una portata media di circa 30-50 Km nelle aree rurali e in quelle urbane, dove vi sono in genere più ostacoli e il rumore è maggiore, il raggio d'azione si può ridurre a un valore compreso tra 3 e 10 km. Le distanze possono essere molto elevate per i nodi esterni, dove SIGFOX indica che i messaggi visivi possono percorrere più di 1000 km.

LoRa

LoRa è una tecnologia wireless sviluppata per consentire comunicazioni di trasmissione dati a bassa velocità, su lunghe distanze tramite sensori e attuatori per applicazioni M2M e Internet delle cose. Utilizza lo spettro radio senza licenza nelle bande ISM (Industrial, Scientific and Medical) per consentire la comunicazione a bassa potenza e su vasta scala tra sensori remoti e gateway collegati alla rete. Esso utilizza la tecnologia a spettro esteso con una banda più ampia. Il suo disturbo modulato in frequenza utilizza il guadagno di codifica per una maggiore sensibilità del ricevitore.

LoRaWAN è una specifica di protocollo di infrastruttura LPWAN (Low Power Wide Area Network) open source, basata sulla tecnologia LoRa, sviluppata dalla LoRa Alliance, che consente ad altre aziende di creare le proprie reti IoT (Internet delle cose) sulla base delle proprie specifiche tecnologiche. Questo approccio, basato su standard per la costruzione di un LPWAN, consente la rapida installazione di reti IoT (internet delle cose) pubbliche o private ovunque, utilizzando hardware e software che sono bidirezionalmente sicuri, interoperabili e mobili, e fornisce una localizzazione accurata, funzionando nel modo previsto.

Una rete LoRa può essere disposta per fornire una copertura simile a quella di una rete cellulare. Infatti molti operatori LoRa sono operatori di rete cellulare in grado di utilizzare i supporti per antenne esistenti per montare le antenne LoRa. In alcuni casi le antenne LoRa possono essere combinate con antenne cellulari, poiché le frequenze possono essere vicine, e la loro combinazione può fornire notevoli vantaggi in termini di costi. La funzione principale di LoRa è che copre portate a lungo raggio di 15-20 chilometri, e il collegamento può avvenire con milioni di nodi, con una lunga durata della batteria, più di 10 anni. Le applicazioni per la tecnologia wireless LoRa comprendono la misurazione intelligente, il tracciamento delle scorte, i distributori automatici, i dati e il monitoraggio, l'industria automobilistica, le applicazioni di utilità in cui possono essere necessari la rendicontazione e il controllo dei dati.

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