ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Широкое внедрение 5G откладывается

CEA-Leti продолжает работы по 6G в D-диапазоне

Новейший УЗ-датчик от UltraSense Systems превратит любую поверхность в сенсорный экран

Освоение и развертывание технологий 5G

Перспективы и потенциал 5G: чего ожидать?

Виртуальная подложка для оксидных пленок на кремнии

Развертывание сетей 5G и краевые (пограничные) вычисления

Приобретение Inphi: Marvell вкладывается в облачные вычисления и технологии 5G

Влияние новых рыночных тенденций на проектирование ИС

Корпорации MediaTek и Amazon стремятся к лидерству в индустрии умных домов

5G и телекоммуникационная инфраструктура

Wi-Fi 6 требует надежного интеллектуального управления

Вопросы развития краевых вычислений

Teraki совершает «квантовый скачок» в сфере больших данных

Вопросы развития краевых вычислений

Человеко-машинный интерфейс умных домов и краевой искусственный интеллект

Переход от полноразмерных облачных хранилищ к клаудлетам

Вопросы обеспечения безопасности Интернета вещей

Перспективы развития микроконтроллеров с краевым искусственным интеллектом

В Корал-Гейблс запущена платформа Smart City Hub

Проблемы кибербезопасности Интернета вещей

Искусственный интеллект и модели обмена знаниями

Новая политика регулирования Интернета вещей ОАЭ

Состояние и перспективы рынка 300‑мм пластин: прогноз специалистов SEMI

Платформа Microchip Trust призвана упростить аппаратную безопасность Интернета вещей

Высокоэффективные макетные платы для разработки приборов Интернета вещей

Проблемы использования Wi-Fi в Интернете вещей

Проблемы использования Wi-Fi в Интернете вещей

Выпуск 18 (6717) от 17 сентября 2020 г.
РУБРИКА: СРЕДСТВА СВЯЗИ

Wi-Fi – ​самый распространенный протокол связи, использующий нелицензируемый спектр. Но как общий протокол для Интернета вещей, он сталкивается с проблемами как из-за перегрузки, так и из-за количества потребляемой энергии. Для решения этих проблем предлагаются два новых подхода. Первый – ​использовать сразу несколько каналов. Второй касается нового стандарта 802.11ah HaLow. Оба подхода будут иметь большое значение для расширения практического повсеместного применения технологий беспроводной связи. С этой точки зрения интересны работы фирмы Edgewater Wireless (Оттава, Канада).

В настоящее время в мире используется 8 млрд Wi-Fi-приборов – ​на ранних стадиях внедрения технологии никто не представлял, что она станет такой успешной. Но у этого успеха есть оборотная сторона – ​все больше устройств пытаются подключиться к сетям через Wi-Fi, что создает проблемы с помехами и конфликтами.

Wi-Fi будет играть важную роль в новой экосистеме сетей и средств связи 5G, поскольку соответствующие технологии слишком дороги для передачи данных на коротких дистанциях. Кроме того, помимо Wi-Fi компьютеры и мобильные телефоны для связи с гарнитурой используют Bluetooth, и на все это накладывается 5G. Использование Wi-Fi может расширить потенциал технологий 5G, но возможно и обратное, если покрытие или емкость Wi-Fi отстают от аналогичных показателей 5G. В США для 5G-миллиметрового диапазона используется частотная полоса S (2–4 ГГц), в то время как в других частях мира для этого выделены более низкие полосы частот миллиметровых волн.

Более эффективное использование доступной полосы пропускания Wi-Fi даст возможность снизить перегруженность Wi-Fi-трафика. Между тем появление устройств, использующих новый стандарт WiFi HaLow (IEEE802.11ah), позволяет осуществлять передачу на бόльшую дальность с меньшей потреб-ляемой мощностью. Результатом сочетания этих двух факторов станет более эффективное обслуживание рынка Интернета вещей.


Взрывообразный рост использования Wi-Fi

Когда протокол Wi-Fi стал впервые доступен, вопрос Интернета вещей еще не стоял на повестке дня. Wi-Fi рассматривался как дополнение сотовой связи и использовался, например, для подключения лэптопа к модему проводной сети.

С тех пор число устройств, подключающихся к сетям по Wi-Fi, резко, взрывообразно выросло. Теперь блок Wi-Fi есть в каждом ноутбуке и смартфоне, этот протокол стал основным механизмом Интернета вещей. Другие протоколы, использующие тот же нелицензированный ISM-диапазон, не могут напрямую конкурировать с Wi-Fi, но их совместное применение ухудшает качество приема.

Отсюда возникают две основные проблемы – ​помехи и конфликты. Помехи порождаются тем, что несколько передатчиков используют один и тот же частотный диапазон, что ухудшает качество сигналов, независимо от их природы. Внутри диапазона Wi-Fi помех можно избежать, проверив наличие шумов перед передачей. Если они есть, возникает конфликт, тогда новый передатчик должен переждать и повторить попытку позже. Чем больше устройств используют одну и ту же частоту, тем труднее им получить доступ к каналу.

По мере роста числа подключаемых устройств Wi-Fi-диапазон все более переполняется. Некоторые подключения, например устройства Интернета вещей и умного дома, используют очень небольшую полосу пропускания. Другие, такие как потоковые видео высокой четкости, используют большую полосу пропускания и очень чувствительны к задержкам. Если слишком много устройств конкурируют за одни и те же частоты, производительность ухудшается.


Структура Wi-Fi

Наиболее широко распространенные на сегодня версии Wi-Fi поддерживают протоколы 802.11n или 802.11ac, использующие два основных диапазона частот. Один сгруппирован около 2,4 ГГц, а другой – ​около 5 ГГц. Ожидается, что диапазон 5 ГГц обеспечит более высокую пропускную способность, но его недостатки – ​меньшие дальность действия и способность проникать сквозь препятствия (стены и т. п.).

Наличие нескольких каналов означает, что несколько устройств могут использовать Wi-Fi без обязательной конкуренции друг с другом. Но на самом деле каждая конкретная точка доступа Wi-Fi (access point, AP) будет использовать один канал. Диапазон 2,4 ГГц обычно содержит от 11 до 13 каналов, в зависимости от того, где находится пользователь. При этом традиционный Wi-Fi может использовать одновременно только один из этих каналов.

Зачастую то, какой канал будет использовать точка доступа, устанавливается на заводе-производителе, и эта характеристика никогда не меняется. Большинство точек доступа просто включаются и переходят к каналу, меньшая часть проверяет, какой из них свободен от помех в данный момент, а затем выбирает этот канал. В этом смысле худшее, что может случиться, – ​активация другой точки доступа в конкретном диапазоне. Обе точки начинают мешать друг другу, и производительность ухудшается. Если бы в каком-либо районе были развернуты точки доступа одного производителя с фиксированным каналом, то все они боролись бы за один и тот же канал, а остальные каналы не использовались бы.

Одним из вариантов разрешения подобных конфликтов мог бы стать доступ с временным интервалом (time-slice access). Однако ограничения по времени фактически нарушают протокол Wi-Fi и потому запрещены. Следующим очевидным решением представляется использование точкой доступа более одного канала, вплоть до балансировки нагрузки трафика по мере изменения условий. Хотя такая динамическая адаптация может быть делом будущего, на данный момент просто возможность использовать более одного канала была бы важным шагом в уменьшении перегрузки. Но большинство каналов перекрываются, что ограничивает число каналов, которые могут быть одновременно активны. В диапазоне 2,4 ГГц не перекрываются только каналы 0, 6 и 11 (рис. 1).



Источник: Wikimedia Commons

Рисунок 1. Канальная структура 2,4-ГГц диапазона Wi-Fi


При наличии трех активных каналов их все еще можно назначить таким образом, чтобы избежать помех от соседних каналов в выбираемом наборе точек доступа в зависимости от того, как они расположены. Теоретически возможно полное покрытие без перекрытия – ​и именно такую технологию под названием «нарезка спектра» (spectrum slicing) предлагает фирма Edgewater Wireless.

Нарезка спектра – ​несложная идея, но ее реализация не всегда проста. Самой большой проблемой для точки доступа становится ограничение помех от ее собственных передач, которые могут вытеснять принимаемые сигналы. Дело в том, что есть более ресурсоэффективный способ приема сигналов по нескольким каналам – ​это использование одного широкополосного приемника, который по определению будет улавливать именно те сигналы, которые передаются. Если передача ведется на одном канале, необходимо убедиться, что она не будет подавлять канал приема, и иметь возможность отменить передачу при необходимости. Для достижения этого компания Edgewater Wireless использует отдельные передающие и приемные антенны, а также ряд других методов, многие из которых запатентованы.



Источник: Edgewater Wireless Источник: Wikimedia Commons

Рисунок 2. В диапазоне 2,4 ГГц каждая ячейка использует разные каналы – за счет соседних ячеек. В диапазоне 5 ГГц возможна аналогичная ситуация


В случае использования широкополосного приемника (а не схемы с одним приемником на канал) появляется возможность принимать все потоки сигналов на всех используемых каналах. Этот смешанный сигнал становится смешанным цифровым РЧ-сигналом группового спектра, различные потоки разделяются путем снижения минимального уровня шума, фильтрации и других методов. Затем потоки (по числу задействованных каналов) обрабатываются независимо друг от друга в восходящем стеке протоколов. Хотя для этого используется один процессор, существует возможность обработки до 12 каналов одновременно.

С 5-ГГц диапазоном частот дело обстоит сложнее. Например, в США он делится на полосы U-NII‑1, U-NII‑2 и U-NII‑3, и существует жесткое требование, что в полосе U-NII‑2 приборы, использующие протокол Wi-Fi, не должны мешать работе метеорологических радаров и военных систем. В результате перед использованием любого из каналов в полосе U-NII‑2 точка Wi-Fi-доступа должна просканировать данную полосу, чтобы обнаружить любое из этих приложений. При обнаружении помех точка доступа должна отключиться на определенный период времени – ​от 1 до 30 минут в зависимости от требований регулятора. В результате во многих местах полоса U-NII‑2 более 80% времени непригодна для использования Wi-Fi-устройствами – ​т. е. 26 каналов оказываются фактически недоступными.

Попытки использовать более одного канала в диапазоне 5 ГГц уже предпринимались. Старшие модели прикладных Wi-Fi-процессоров теперь поддерживают в этом диапазоне два радиоканала. Но такие процессоры работают в предельной области частотной полосы, и им требуются фильтры. В результате большая часть 5-ГГц спектра не используется.

В то время как для приема используется один приемник, передача должна быть более точной. Каждый канал имеет свой узкополосный передатчик. Поскольку между каждой парой каналов есть пространство, появляется возможность передавать по соседним каналам без утечки сигналов между каналами. Наличие нескольких каналов означает, что на разные каналы можно назначать разный трафик. Например, один из каналов может быть закреплен за устройствами Интернета вещей – ​им не нужна большая пропускная способность, они не очень часто подают сигналы и отличаются малым быстродействием. Другой канал можно выделить для обучения на дому, еще один – ​для удаленной работы, еще один – ​для 4K-видео, как наиболее чувствительного к задержкам приложения помимо видеоигр.

Различные каналы могут быть видимыми или невидимыми для пользователя в зависимости от оператора сети (в случае точки доступа, «принадлежащей» оператору). Некоторым нравится использовать один SSID, что означает, что на уровне пользователя каналы не видны, другие предпочитают назначить разные SSID каждому каналу. В последнем случае пользователю легко выбрать нужный канал. Но если все каналы имеют один SSID, тогда назначение каналов становится более сложным, а средний пользователь, как правило, не хочет с этим связываться. Поэтому предпринимаются дальнейшие усилия по созданию протоколов, которые сделают назначение каналов простым и беспроблемным.

Окончание статьи читайте в следующем выпуске.


Moyer Bryon. WiFi Evolves For The Io T. Semiconductor Engineering, August 6, 2020: https://semiengineering.com/wifi-evolves-for-the-iot/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 20(6744) от 14 октября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.