В предыдущем выпуске было представлено начало статьи специалистов фирмы Edgewater Wireless (Оттава, Канада) относительно нового стандарта 802.11ah HaLow. Рассматривались вопросы взрывообразного роста использования и структуры Wi-Fi. В окончании статьи затронуты аспекты потреб-ляемой мощности, безопасности и области применения HaLow.

Снижение потребляемой мощности

Одним из факторов роста потребности в пропускной способности Wi-Fi стали приборы Интернета вещей, но, как правило, под ними подразумеваются приборы умного дома или промышленные применения, где батарейное питание не используется. Однако остаются еще приложения, которые питаются от батареи, при этом речь часто идет о неперезаряжаемых батареях, подлежащих замене при разрядке. Именно для этих приложений Wi-Fi не подходит по параметру потребляемой мощности. Для обеспечения их соединения с Интернетом приходится использовать другие протоколы, с низким энергопотреблением, при этом многие подобные протоколы отличаются и низкой пропускной способностью. Новый стандарт Wi-Fi HaLow предназначен для сектора приборов Интернета вещей с низким энергопотреблением, требующих более высокой пропускной способности.

Многие устройства Интернета вещей с питанием от батарей осуществляют неравномерную передачу пакетов с небольшой полезной нагрузкой. Формат Bluetooth Low Energy (BLE) подходит для такой передачи в ближнем диапазоне, форматы SIGFOX и LoRA обладают заметно бóльшим радиусом действия. По потребляемой мощности стандарт Wi-Fi не сможет конкурировать с ними в данном типе приложений даже с использованием HaLow. Но есть приложения, которым требуется большая пропускная способность в сочетании с эффективным расходом заряда – ​это и есть область применения HaLow. В режиме ожидания приборы, использующие протокол HaLow, потреб-ляют на порядок меньше энергии, чем приборы на традиционном Wi-Fi.

В формате 802.11ah имеется уникальный режим энергосбережения – ​заданное время активации (target wake time, TWT), который позволяет точке доступа и подключенному устройству согласовывать, когда и как часто устройства будут активизироваться для отправки или получения данных. Это позволяет эффективно увеличивать время ожидания устройства, благодаря чему ситуации конфликта за спектр возникают гораздо реже. Следует отметить, что в радиостанциях формата 802.11n режима TWT не существует.

В отличие от более распространенных вариантов Wi-Fi, приборы формата HaLow работают на частотах ниже 1 ГГц, от 750 до 950 МГц (рис. 1). Это означает, что его сигналы легче преодолевают барьеры и могут передаваться на бόльшие расстояния – ​разница с обычным Wi-Fi составляет до 10 раз, в зависимости от скорости передачи данных. Так, при 150 Кбит/с дальность передачи сигнала составляет почти километр, а при 80 Мбит/с значительно снижается. В целом одна точка доступа может поддерживать до 8 тыс. приборов в диапазоне 1 км.

Источник: Methods2Business

Рисунок 1. Частотные диапазоны, обеспечиваемые разными версиями Wi-Fi

Радиостанции, использующие протоколы с низким энергопотреблением, имеют более низкую пропускную способность и должны дольше оставаться включенными – ​соответственно, значительно сэкономить энергию не удастся. Если экономия энергии меньше, чем снижение скорости передачи данных (например, потребляемая мощность снижается на 50%, но при этом скорость передачи данных падает в 10 раз), более мощная радиостанция будет потреблять меньше энергии просто потому, что быстрее завершит работу и вернется в режим ожидания (рис. 2).

Источник: Semiconductor Engineering

Рисунок 2. Сопоставление скорости передачи данных и дальности действия HaLow и других протоколов (оси логарифмические)

Безопасность и области применения HaLow

Производители оборудования стандарта Wi-Fi отмечают более высокий уровень безопасности, обеспечиваемый Wi-Fi в целом и HaLow в частности. Подчеркивается, что WiFi соответствует «золотому стандарту» безопасности, поэтому WPA3 (HaLow) намного безопаснее, чем другие протоколы дальнего действия или малой мощности, такие как Zigbee. Во многом это определяется структурно (рис. 3).

Источник: Morse Micro

Рисунок 3. Типичная блок-схема системы Wi-Fi HaLow

Для приборов, использующих формат HaLow, основным стал рынок камер наблюдения. Камеры с сетевым питанием могут использовать стандартный Wi-Fi, USB или Ethernet (даже получать питание через Ethernet). Однако камеры с батарейным питанием сталкиваются с более сложной задачей. Обычно они рассчитаны на полгода автономной работы – ​таким образом, HaLow выглядит привлекательно как для потребительских, так и для промышленных версий подобных камер. Пропускная способность в этом случае ниже, чем у обычного Wi-Fi, но выше, чем у любого другого субгигагерцевого стандарта.

К другим областям применения HaLow относятся промышленная и автомобильная связь, контроль доступа в отелях (например, дверные замки) или на других крупных объектах, мобильные телефоны. В последнем случае речь идет не о замене стандартного Wi-Fi, а скорее об обеспечении в долгосрочной перспективе возможности создания одноранговой сети даже при отсутствии сотового сигнала – ​т. е., по сути, о реализации функции рации.

В случаях межмашинной передачи данных (M2M) при необходимости обеспечить соединение устройств, которые должны отправлять информацию друг другу, некоторые точки доступа могут быть выделены исключительно под HaLow. В других случаях возможно объединение HaLow и традиционного Wi-Fi в единой точке доступа. Ключевым моментом в подобных ситуациях становится гибкость конструкции, поддерживаемая, в частности, программным обеспечением.

Как и в традиционном Wi-Fi, в HaLow существует разделение на каналы. В системах Wi‑Fi HaLow предусматривается использование нескольких каналов шириной 1, 2, 4 и 8 МГц. Точное число каналов и их ширина зависят от места использования таких систем. В США для этого выделен частотный диапазон от 902 до 928 МГц, в котором можно сформировать 26 отдельных 1-МГц каналов или 13 каналов шириной 2 МГц. При этом в большинстве основных географических регионов можно найти неперекрывающиеся частотные диапазоны.

Более узкие каналы, например 1-МГц, подходят для увеличения дальности передачи, но в этом случае пропускная способность будет снижаться (у 8-МГц каналов она заметно выше). Как бы то ни было, такой подход позволяет точкам доступа осуществлять динамический выбор наименее загруженного канала. При мониторинге нескольких каналов каждому из них присваивается оценка от 1 до 5. Канал, получивший оценку 5, становится лучшим каналом с самыми низкими помехами и самой большой доступной емкостью. Затем на этот канал можно переместить сетевой трафик. С помощью HaLow можно разделить подключенные устройства на группы, а затем распределить их по времени, чтобы избежать пересечения с традиционным Wi-Fi – ​т. е. создать механизм, действующий как окно с ограниченным доступом. Благодаря этому число конкурирующих за канал радиостанций снижается (условно) с 1000 до 100 (при разделении 1000 станций на группы по 100 с дальнейшим временным разделением).

В настоящее время ни один из производителей приборов формата HaLow не планирует использовать более одного канала, однако в будущем это весьма вероятно. Например, на автомобильной парковке камеры видеонаблюдения могут работать на 4-МГц канале, датчики, расположенные по всей ее площади для определения свободных и занятых мест, – ​на канале шириной 1 МГц, а платежная система – ​еще на одном канале.

Приборы, использующие формат Wi-Fi HaLow, должны появиться на рынке в 2021 г. Как ожидается, они сыграют свою роль в наступающей эре сетей и средств связи 5G. Неотъемлемой частью перехода на 5G станет то, что телефон будет в фоновом режиме выбирать наиболее подходящую сетевую технологию, будь то Wi-Fi в диапазоне 2,4/5/6 ГГц или каком-либо еще, причем этот выбор будет осуществляться незаметно для пользователя и без его участия.

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