Komunikacja oparta na Wi-Fi w aplikacjach IoT małej mocy

W obszarze IoT problemem jest oczywiście to, że wiele aplikacji IoT ma ograniczone zasoby energetyczne, a Wi-Fi tradycyjnie faworyzuje zasięg i przepustowość danych kosztem optymalizacji zużycia energii. W rezultacie wielu producentów urządzeń IoT stara się unikać Wi-Fi, bo postrzega te rozwiązanie jako nieefektywne. Istnieją jednak przypadki, w których Wi-Fi może się sprawdzić - wystarczy zaimplementować różne dostępne techniki optymalizacji zużycia energii.

Podstawy działania Wi-Fi

 

Rys. 1. Mechanizm oszczędzania energii WMM Power Save. Punkt dostępowy buforuje pakiety w czasie uśpienia klientów i wysyła je razem po wybudzeniu

Istnieje wiele odmian Wi-Fi opartych na różnych standardach IEEE. Zwykle działają one w paśmie ISM 2,4 oraz 5 GHz i wykorzystują różne schematy modulacji. Maksymalna prędkość transmisji danych wynosi od pojedynczych Mbps do setek Mbps, w zależności od zastosowanej modulacji i systemu antenowego.

Pakiet danych jest uważany za odebrany, gdy nadajnik otrzyma potwierdzenie (ACK) od odbiornika. Niepotwierdzone pakiety są zazwyczaj retransmitowane do momentu otrzymania ACK. W warunkach zatłoczonego pasma ma to niestety spory wpływ na zużycie energii (rys. 1).

Wysoka przepustowość Wi-Fi i duży zasięg oznaczają, że wymagania dotyczące modulacji i czułości odbiornika są większe niż w przypadku większości innych protokołów bezprzewodowych, takich jak Bluetooth i Zigbee. Powoduje to porównywalnie większe zużycie energii w trybach TX i RX - aż o rząd wielkości.

Pobór prądu przez nadajnik wynosi zwykle 200-400 mA (przy 5 V), a przez odbiornik od 50 do 100 mA. Stąd wybór modułów o najniższych tych wartościach jest ważny. W przypadku większości aplikacji IoT parametry RX są bardziej znaczące, bo w tym trybie aplikacja jest przez większość czasu. Tylko czasem następuje wybudzenie i okresowe przesłanie porcji danych. Wówczas zużycie energii determinuje tryb TX.

Ponieważ większość urządzeń Wi-Fi jest zoptymalizowanych pod kątem zasięgu i przepustowości, cały czas nadają z mocą zbliżoną do maksymalnej. Zatem zoptymalizowane energetycznie Wi-Fi może pozwolić na działanie z niższą mocą, co pozwala zmniejszyć jej zużycie przez ograniczenie zasięgu.

Poza średnim poborem mocy, potrzeby energetyczne nadajnika determinują szczytowe zapotrzebowanie dla całego systemu, bo system zasilający aplikację musi być w stanie dostarczyć taką moc szczytową. Może to mieć wpływ na rozmiar urządzenia, koszt, pojemność baterii, dlatego ważne jest, aby zainteresować się szczytowym poborem prądu przez nadajnik, nawet jeśli nie jest to dominujący czynnik w bilansie energetycznym.

Z użyciem systemów MIMO i nowszych standardów jak 802.11ac/ax szybkość komunikacji jest jeszcze wyższa, niestety dzieje się to kosztem zwiększonego poboru mocy TX i RX. Dlatego w przypadku IoT o ograniczonych potrzebach transmisyjnych 802.11 b/g/n zazwyczaj zapewnia lepszy kompromis w zakresie przepustowości, zużycia energii i kosztów realizacji.

Pobór prądu w trybie uśpienia

Wiele aplikacji IoT większość czasu spędza w trybie bezczynności, nie przesyłając danych. Standardy Wi-Fi zawierają dwa mechanizmy ograniczające zużycie energii w takim stanie. Pierwszy to WMM Power Save. Umożliwia on punktowi dostępowemu (AP) buforowanie ramek (w oparciu o parametry QoS zdefiniowane w WMM), umożliwiając w ten sposób urządzeniu klienta usypianie między pakietami i oszczędzanie energii.

Drugi mechanizm to interwały DTIM. Punkty dostępowe Wi-Fi zazwyczaj wysyłają co 100 ms sygnał nawigacyjny (beacon). Niemniej definicja standardu pozwala AP przesyłać tylko dane rozgłoszeniowe lub multicastowe co "n" beaconów, co zostało zdefiniowane jako "Interwał DTIM". Dzięki temu urządzenie końcowe może pozostawać w uśpieniu dłużej czekając tylko na te rozszerzone komunikaty.

Może to być cenne z punktu widzenia oszczędzania energii, ponieważ odbiór każdego beacona zużywa dużo energii. Często pobór prądu przez odbiornik wynika właśnie z tego nasłuchu. Im dłuższy interwał DTIM, tym większe oszczędności energii, niemniej minusem są większe opóźnienia wynikające z zastosowania tej techniki.

Dzięki tym dwóm mechanizmom oszczędzania energii, urządzenie może pozostawać w uśpieniu przez większość czasu, gdy nie wysyła ani nie odbiera danych, co znacznie zmniejsza potrzeby energetyczne. Konieczne jest tylko zapamiętanie informacji o połączeniu (jak SSID, klucz szyfrujący i adres IP), a więc w praktyce podtrzymanie zawartości pamięci. Tryb uśpienia z podtrzymaniem RAM nie jest tak efektywny, jak głębokie uśpienie, jednak pobór prądu (rzędu 100 μA) jest znacznie mniejszy w porównaniu do stanu aktywnego (kilkadziesiąt mA).

Podłączenie i odłączenie od AP

 

Rys. 2. Proces nawiązywania łączności punktem dostępu

Aby zapewnić jeszcze większą oszczędność energii urządzenie IoT może kompletnie odłączyć się od punktu dostępowego i przejść w tryb odcięcia (shutoff), w którym pobór prądu może spaść poniżej 1 μA. Jednak za każdym razem, gdy klient chce wysłać dane, musi ponownie podłączyć się do AP i uzyskać adres IP, co może potrwać nawet kilka sekund. Proces inicjacji zwiększa opóźnienia komunikacji i powoduje znaczny pobór mocy. Ponadto urządzenie nie może odbierać informacji, gdy jest odcięte, co oznacza, że nie można go zdalnie uruchomić (wybudzić) przez Wi-Fi (rys. 2).

Bez względu na te ograniczenia strategia ta może być użytecznym sposobem oszczędzania energii w niektórych przypadkach, np. w aplikacjach, gdzie komunikacja używana jest tylko sporadycznie, a opóźnienie kilku sekund jest całkowicie dopuszczalne. Łączenie tylko wtedy, gdy zachodzi konieczność przesyłania informacji, umożliwia osiągnięcie wieloletniego czasu życia bez wymiany baterii.

Warunki sieciowe

W przeciwieństwie do wielu innych protokołów bezprzewodowych, zużycie energii przez Wi-Fi jest znacząco zależne od wydajności komunikacji i warunków sieciowych. Ponieważ Wi-Fi korzysta z dynamicznie zmiennej modulacji, maksymalna możliwa przepustowość wzrasta wraz ze wzrostem budżetu energetycznego łącza. Przy stałej ilości danych większa przepustowość oznacza krótszy czas, przez który transceiver pozostaje aktywny.

Co więcej, ponieważ Wi-Fi musi mieć transmisję każdego pakietu potwierdzoną, zajęta sieć może prowadzić do wielu prób, które dodatkowo zużywają moc. W związku z tym istnieje możliwość optymalizacji poprzez wybór kanału lub pasma wolnego od zakłóceń lub po prostu mało używanego.

Porównywanie modułów Wi-Fi

Karty katalogowe modułów Wi-Fi są skomplikowane i jest kilka rzeczy, na które należy zwrócić uwagę przy wyborze. Pierwsza kwestia dotyczy poboru mocy przez TX i RX, który należy porównywać przy tych samych modulacjach, pasmach i w odniesieniu do czułości RX. Gdy w karcie pojawiają się 50-procentowe ograniczenia cyklu pracy, pobór prądu powinien do porównań zostać podwojony, aby liczby odpowiadały pracy ciągłej.

Drugie kryterium to prąd pobierany w stanie uśpienia, który dla różnych modułów jest uzależniany od tego co jest podtrzymywane. Stanów oszczędnościowych jest wiele: hibernacja, głębokie i zwykłe uśpienie itd. Oczywiście trzeba porównywać te same stany.

Po trzecie, "średni pobór prądu" zależy od konfiguracji, szybkość transmisji danych, interwału DTIM, szerokość sygnału beacona i jego pomijania. Stąd ten parametr porównywać jest chyba najtrudniej. Na koniec warto pamiętać, że moc TX może być podawana na wyjściu nadajnika lub antenie. Różnica sięga 2 dB które tracone są w filtrze dopasowującym.

Dokonywanie dobrego wyboru

Mimo, że Wi-Fi nie jest zoptymalizowanym standardem pod kątem małego poboru mocy, istnieje kilka technik, które można użyć, aby znacznie zmniejszyć zużycie energii podczas korzystania z Wi-Fi.

Siddharth Sundar, starszy menedżer produktu w Silicon Labs
Arrow Electronics Poland