Wi-Fi HaLow - nowy standard łączności bezprzewodowej

W ostatnim czasie coraz więcej się mówi o rozwiązaniach smart w różnych dziedzinach naszego życia. Jeszcze do niedawna skupiano się w tym zakresie przede wszystkim na inteligentnych sieciach elektroenergetycznych (smart grid) i inteligentnych miernikach mediów (smart meter). Równolegle popularyzowała się też automatyka domowa (smart home). Obecnie zasięg rozwiązań smart (inteligentnych) jest coraz szerszy oraz wymagający pod względem technicznym – "smart" mają być miasta, przemysł, rolnictwo i opieka zdrowotna. W ostatniej dodatkowo upowszechnia się elektronika noszona, wcześniej kojarzona głównie z gadżetami, na przykład zegarkami czy opaskami dla sportowców mierzącymi puls oraz spalone kalorie. Podstawą tych wszystkich inteligentnych innowacji jest Internet Rzeczy.

Internet Rzeczy ma swoje wymagania

Przewiduje się, że w 2020 roku w sieciach Internetu Rzeczy może pracować nawet ponad 25 mld węzłów! Aby takie prognozy stały się rzeczywistością, rozwiązania smart powinny działać zgodnie z oczekiwaniami. To z kolei wymaga, aby komunikacja między węzłami sieci IoT nie była energochłonna, ponieważ są to zwykle układy wbudowane w urządzenia zasilane bateryjnie. Dodatkowo musi być zapewniony odpowiedni zasięg i przepustowość łącza ze względu na trudne warunki, w jakich odbywa się transmisja danych (na zewnątrz, w środowisku przemysłowym) i ogromną, liczoną w tysiącach a nawet milionach sztuk, liczbę węzłów w jednej sieci.

WPAN vs. LPWAN

Istniejące energooszczędne rozwiązania w zakresie łączności bezprzewodowej wykorzystywane w IoT generalnie można podzielić na dwie kategorie: sieci Wireless Personal Area Networks (WPAN) i Low-Power Wide Area Networks (LPWAN). Do pierwszej z nich zaliczane są: RFID i standardy ZigBee oraz Bluetooth. Pomimo że sieci te sprawdzają się w komunikacji pomiędzy węzłami zasilanymi bateryjnie, ich słabe strony to: zasięg i przepustowość, przez co rozbudowane sieci Internetu Rzeczy pozostają poza ich zasięgiem. Do kategorii LPWAN należą natomiast m.in. standardy LoRa oraz SigFox. Chociaż zapewniają duży zasięg – odpowiednio do 15 i 50 km, przepustowość łącza jest ograniczona do 50 kb/s w sieciach LoRa i 0,1 kb/s w sieciach Sigfox.

Według zapewnień jego twórców standard Wi-Fi HaLow ma jednocześnie zapewnić odpowiedni zasięg oraz wymaganą przepustowość. Tym samym wypełni on lukę pomiędzy sieciami WPAN i LPWAN.

Wi-Fi HaLow

Wi-Fi HaLow opiera się na specyfikacji IEEE 802.11ah. Transmisja w sieciach Wi-Fi HaLow będzie się odbywać w nielicencjonowanym paśmie częstotliwości poniżej 1 GHz. Dzięki temu tłumienie sygnału będzie słabsze, co zapewni większy zasięg. Przedział częstotliwości zależy od regionu świata - na przykład w Europie wynosi od 863 do 868 MHz, w Chinach 755–787 MHz, a w Ameryce Północnej od 902 do 928 MHz. W łączu downlink dopuszczalna jest transmisja MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output). W IEEE 802.11ah założono obowiązkową obsługę transmisji w kanałach o szerokości 1 MHz oraz 2 MHz z przepustowością od 150 kb/s. Z kolei wsparcie dla transmisji kanałami o szerokości najwyżej 16 MHz umożliwiającej osiągnięcie większych przepustowości (do 347 Mb/s) jest opcjonalne. Z jednym punktem dostępowym może być skojarzonych 8192 węzłów. Zasięg sieci Wi-Fi HaLow sięga 1 kilometra. Podsumowując, IEEE 802.11ah zapewni łącze o większej przepustowości niż technologie LPWAN, jak i WPAN, te drugie dodatkowo przewyższając pod względem zasięgu.

Czym jest węzeł RAP?

Warto przy okazji wspomnieć o ciekawych rozwiązaniach, które przewidziano w IEEE 802.11ah. Są to: sektorowość, mechanizmy RAW (Restricted Access Window) i TWT (Target Wakeup Time) oraz węzły przekaźnikowe. Sektorowość w oparciu o lokalizację węzłów jest sposobem na rozwiązanie problemu tzw. ukrytego węzła (hidden terminal). Występuje on, gdy nie wszystkie węzły sieci mają bezpośrednią łączność. Węzeł jest ukryty, jeżeli znajduje się w zasięgu węzła-odbiornika, lecz jest poza zasięgiem węzła-nadajnika. Wtedy nie wykrywa on już trwającej transmisji i zakładając, że łącze jest wolne, rozpoczyna nadawanie. Dochodzi wtedy do kolizji danych. To z kolei wywołuje konieczność ich retransmisji, przez co maleje rzeczywista przepustowość łącza.

RAW oraz TWT wprowadzają limity czasu, przez który węzeł może nadawać (TWT zgodnie z harmonogramem transmisji). Pozwala to oszczędzić energię, ponieważ w przewidywanym czasie oczekiwania na swoją kolej węzeł może działać w energooszczędnym trybie sleep. Z kolei węzły przekaźnikowe RAP (Relay Access Point) mogą przesyłać pakiety danych od innych węzłów do punktu dostępowego, jeśli znajdują się bliżej nich niż on. Dzięki temu węzły nadające zużywają mniej energii. Aby z tego powodu opóźnienia transmisji nie były zbyt duże, a łącze było wykorzystywane efektywnie, IEEE 802.11ah dopuszcza obecność tylko jednego RAP.

Przykład – Wi-Fi HaLow vs. LoRa

Zestawienia zapowiadanych możliwości sieci Wi-Fi HaLow i innych sieci bezprzewodowych pod kątem wymagań IoT dokonali przedstawiciele australijskiej firmy Morse Micro. Rozpatrzyli oni kilka aplikacji, z czego dalej szerzej przedstawimy dwie, z dziedziny smart farming i smart city, wraz z wnioskami płynącymi z porównania sieci Wi-Fi HaLow i LoRa.

W pierwszym przypadku przyjęto założenie, że w celu monitorowania upraw została zbudowana sieć czujników mierzących m.in. takie wielkości pozwalające na ocenę warunków na polu, jak: wilgotność gleby, temperatura, nasłonecznienie i wilgotność powietrza. Wyniki pomiarów są transmitowanie w 100-bajtowych pakietach raz dziennie. Typowo czujniki w rolnictwie są rozmieszczane z gęstością wynoszącą od 1 do 10 sensorów na akr ziemi. W analizowanym przypadku zdecydowano się przyjąć, że byłyby to zaledwie 2 czujniki na akr, co oznacza, że na obszarze 1 km² zamontowano by ich 500 sztuk. W związku z powyższym wymagana przepustowość łącza wynosiłaby 2 kB/h/km².

Biorąc pod uwagę typową osiągalną przepustowość w sieciach LoRa (0,02 MB/h), przedstawiciele Morse Micro policzyli, że jedna stacja bazowa byłaby w stanie obsłużyć ruch sieciowy generowany przez nawet 5 tysięcy takich czujników. Taka ich liczba mogłaby zostać rozmieszczona na terenie o powierzchni 10 km². W związku z tym wymagany zasięg wynosiłby około 2 km. Ten warunek jest w sieciach LoRa do spełniania. Podobnie w opisanym zastosowaniu sprawdziłaby się sieć Wi-Fi HaLow, zdolna do obsłużenia ruchu sieciowego 6 tys. czujników rozmieszczonych na obszarze o powierzchni 12 km².

LoRa w smart city?

W drugim zastosowaniu przeanalizowano wykorzystanie łączności bezprzewodowej do transmisji odczytów wodomierzy. W zakresie rozmiaru pakietu danych także przyjęto wartość 100 bajtów. Wskazania wodomierzy byłyby wysyłane co godzinę (m.in. po to, aby wykryć ewentualne nieszczelności w sieci wodociągowej). Gęstość zaludnienia na opomiarowanym terenie założono na poziomie 1000 domów/km². Wymagana przepustowość łącza wynosiłaby w związku z tym 100 kB/h/km².

Niestety, tym razem okazało się, że sieć LoRa nie byłaby najlepszym wyborem, jedna jej stacja bazowa mogłaby bowiem obsłużyć wyłącznie ruch sieciowy generowany przez 200 wodomierzy, czyli pokrywałaby tylko 0,2 km². Dlatego do odczytu pomiarów z 1000 wodomierzy należałoby infrastrukturę sieciową oprzeć aż na pięciu stacjach bazowych. Na pewno nie byłoby to opłacalne. Z kolei w przypadku sieci Wi-Fi HaLow jedna stacja bazowa bez problemu obsłużyłaby odczyt z aż 3 tysięcy domów.

A miało być tak pięknie...

O sieciach Wi-Fi HaLow świat po raz pierwszy na większą skalę usłyszał, gdy w 2016 roku podczas targów CES organizacja Wi-Fi Alliance zaproponowała tę nazwę dla implementacji standardu IEEE 802.11ah. Zdecydowano, by nie był to akronim jak w przypadku Wi-Fi, lecz odzwierciedlenie aspiracji (człon ha) wykraczających poza dotychczasowe zastosowania sieci Wi-Fi, a zarazem podkreślenie kluczowych cech: pracy w pasmie niższych częstotliwości (low frequency) i energooszczędności (low power). Co ciekawe, wówczas nie była jeszcze gotowa sama specyfikacja IEEE 802.11ah, nad którą prace rozpoczęły się w 2014 roku. Ukończono ją dopiero kilka miesięcy później, pod koniec 2016 roku.

Swój pośpiech stowarzyszenie Wi-Fi Alliance uzasadniało ogromnym potencjałem sieci Wi-Fi HaLow. Członkowie stowarzyszenia, do którego należą najwięksi producenci podzespołów elektronicznych, od dawna aktywnie uczestniczyli w rozwoju tego standardu i mimo że nie został jeszcze ukończony, jednocześnie przygotowywali się do jego sprzętowej realizacji.

Spodziewając się w tym zakresie ogromnego zainteresowania, Wi-Fi Alliance ogłosiło także, że prace nad programem certyfikacji zgodności ze standardem Wi-Fi HaLow są daleko posunięte. Przewidywano, że pierwsze rozwiązania będę sprawdzane pod tym kątem już w 2018 roku.

Co więcej, w licznych informacjach prasowych na ten temat z tamtego okresu można przeczytać, że pojawiania się w sprzedaży modułów komunikacyjnych zgodnych z tym standardem spodziewano się już w 2017 roku, jeszcze przed uruchomieniem programu certyfikacji. Niestety te szumne zapowiedzi się nie spełniły, gdyż w segmencie sieci Wi-Fi HaLow od tamtej pory niewiele się działo.

Słabe zainteresowanie

Ponad dwa lata od zakończenia prac nad IEEE 802.11ah w swojej ofercie moduły Wi-Fi HaLow ma tylko jedna firma koreańska o lokalnym zasięgu. Ożywienia można oczekiwać być może dopiero z końcem 2019, kilka firm bowiem ogłosiło, że ich prace nad sprzętową implementacją specyfikacji IEEE 802.11ah zaczynają właśnie wkraczać w fazę realizacji. Jedną z tych, w których pokłada się największe nadzieje, jest wspomniana wcześniej Morse Micro. Więksi producenci, jak m.in. Realtek, Broadcom, Cypress, Huawei, Mediatek czy Qualcomm, tym razem wykazują nikłe zainteresowanie i raczej w przyszłości ewentualnie pójdą śladem mniejszych przedsiębiorstw, takich jak Morse Micro, niż staną się pionierami na rynku Wi-Fi HaLow.

Można się zatem zastanawiać, skąd wynikło to raczej niespotykane aż kilkuletnie opóźnienie. Do tej pory bowiem w przypadku kolejnych wersji specyfikacji IEEE 802.11 przeważnie jeszcze nim zostały ukończone, producenci układów elektronicznych już sprzedawali odpowiednie moduły komunikacyjne, chcąc w ten sposób zdobyć jak największy udział w rynku danej technologii.

Skąd to opóźnienie?

Powodów jest kilka. Jednym z ważniejszych jest z pewnością to, że specyfikacja Wi-Fi HaLow została ukończona w momencie, jak się okazuje, dla niej bardzo niefortunnym, bowiem w tym samym czasie w 2016 została zaprezentowana kolejna wersja popularnego standardu IEEE 802.11ax. Producenci stanęli zatem przed wyborem kierunku dalszego rozwoju i niestety zdecydowali na niekorzyść Wi-Fi HaLow, skupiając się na konkurencji. Przeważyły kwestie finansowe, inwestycja we wdrożenie nowej wersji IEEE 802.11ax mogła bowiem przynieść szybko duży zysk. Konkurencją dla Wi-Fi HaLow, w której rozwój firmy z branży zaangażowały ogromne środki i zasoby ludzkie, stały się również sieci 5G. Stając przed tym wyzwaniem, nie chciały się one już angażować w kolejne trudne, czasochłonne i kosztowne przedsięwzięcie „ujarzmienia” nowego pasma częstotliwości. Nie należy również zapominać o innych rozwiązaniach, jak LoRa, Sigfox, Narrowband IoT czy Cat-M, które w tym czasie absorbowały środki i zasoby intelektualne.

Przyszłość

Morse Micro, największy i najbardziej perspektywiczny gracz na rynku sprzętowej implementacji specyfikacji IEEE 802.11ah, planuje na razie skupić się na rynku chińskim, gdzie pod koniec 2019 roku zamierza już produkować moduły komunikacyjne Wi-Fi HaLow na masową skalę. Jeżeli chodzi o Europę i Stany Zjednoczone, analogiczny termin jest znacznie przesunięty w czasie – przedstawiciele firmy mówią o 2020, a nawet 2021 roku.

Największe firmy z branży zapowiadają z kolei, że zaangażują się w rynek Wi-Fi HaLow, jak tylko Wi-Fi Alliance uruchomi wreszcie swój program certyfikacji w zakresie tego standardu. To zaś, mimo zapowiedzi sprzed lat, jest planowane dopiero na sierpień 2019 roku. Ponadto kilka innych startupów planuje rozwinąć skrzydła, skupiając się na Wi-Fi HaLow.

Generalnie zatem nie wszystko jest jeszcze stracone, zwłaszcza że Internet Rzeczy jest dopiero w powijakach. Dlatego, choć na razie plany na przyszłość dla tytułowego standardu są raczej skromne, można mieć nadzieję, że pomimo upływu lat sieci Wi-Fi HaLow wciąż mają duży potencjał.

Monika Jaworowska