Wi-Fi 6 na rynku IoT

Piątek, 25 sierpnia 2023 | Technika

Wi-Fi to jeden z najbardziej znanych standardów komunikacyjnych, wykorzystywany na co dzień. Jego użycie w rozwiązaniach IoT ma wiele zalet, m.in. uproszczone instalacje i redukcja kosztów, możliwość wykorzystania istniejącego routera/modemu Wi-Fi, natywny protokół IP do komunikacji internetowej oraz to, że nie jest wymagany żaden dodatkowy koncentrator/brama.

Liczy się ponadto rozszerzony zasięg, żywotność baterii, przepustowość, możliwość korzystania z energooszczędnego pasma 2,4 GHz o lepszym zasięgu, obsługa wyższej szybkości transmisji danych. Istotna jest większa wygoda użytkownika i interoperacyjność, którą przynosi nowy protokół Matter, integracja i łączność ekosystemu z chmurą oraz łączność z siecią lokalną. Warto też wspomnieć o możliwości korzystania z Bluetooth Low Energy wraz z Wi-Fi. Zapewniono uproszczone dodawanie urządzeń, wykrywanie zbliżeniowe i łączność z czujnikami (rys. 1).

Rys. 1. Podsumowanie kluczowych różnic między standardami Wi-Fi

Rys. 2. Przykład wykorzystania Wi-fi 6 w aplikacjach IoT

Nowa wersja standardu wprowadziła funkcje, które na nowo definiują komunikację w zastosowaniach IoT o niskim poborze mocy. Wi-Fi 6 zmienia się w taki sposób, aby obsłużyć masowe aplikacje IoT, zapewniając (rys. 2, 3):

Znacznie mniejsze zużycie energii przy większej gęstości, co wydłuża żywotność baterii,
Możliwość obsługi większej gęstości urządzeń IoT przez punkt dostępu lub sieć,
Wyższą przepustowość, zwiększoną wydajność i zmniejszone opóźnienia (lepsza wydajność i efektywność energetyczna),
Większą pojemność sieci, niezawodną łączność i większe pokrycie sygnałem z myślą o wdrożeniu urządzeń IoT,
Obsługa 2,4 GHz i 20 MHz dla niskiego zużycia energii i dużego zasięgu,
Bezpieczeństwo (WPA3) i kompatybilność wsteczna z poprzednimi generacjami urządzeń Wi-Fi.

Rys. 3. Kluczowe cechy Wi-Fi 6 pod kątem IoT

Aby umożliwić powszechne wykorzystanie z Wi-Fi w IoT, Wi-Fi 6 wprowadza istotne zmiany, które pozwalają spełnić wymagania IoT w zakresie małego życia energii.

Rys. 4.

OFDMA kontra OFDM: Lepsza wydajność widmowa i pojemność. Modulacja OFDMA umożliwia jednoczesną komunikację z wieloma urządzeniami:

Kanały są podzielone na podkanały znane jako jednostki zasobów (RU),
Umożliwia dalsze dostosowywanie wykorzystania kanałów przez punkty dostępowe w celu dopasowania ich do wymagań klientów i ruchu,
AP może przydzielić cały kanał jednemu użytkownikowi lub podzielić kanał, aby obsługiwać wiele urządzeń jednocześnie,
Zapewniono większą wydajność w przypadku krótkich ramek danych (stanowiących duży procent ruchu) (rys. 4).

Rys. 5. Docelowy czas w stanie wybudzenia

Zaawansowane oszczędzanie energii dla IoT - docelowy czas w stanie wybudzenia (TWT). Funkcja TWT umożliwia bezprzewodowym punktom dostępowym i urządzeniom negocjowanie i definiowanie określonych czasów dostępu do medium. Działa w oparciu o dwie dostępne metody (rys. 5):

Indywidualny TWT: każde urządzenie może negocjować czas uśpienia z AP,
Rozgłaszany TWT: AP określa okres uśpienia dla całej grupy urządzeń,

Rys. 6.

Indywidualny TWT jest idealny dla urządzeń IoT zasilanych bateryjnie.

Uplink z obsługą wielu użytkowników (UL OFDMA i UL MU-MIMO). Wi-Fi 5 wprowadziło MU-MIMO, ale tylko z downlinkiem 4×4. Wi-Fi 6 podwoiło ten parametr do 8x8 i dodało obsługę uplinku (UL) zarówno dla MU-MIMO, jak i OFDMA. Techniki MU-MIMO i OFDMA w Wi-Fi 6 zwiększają pojemność sieci przy równoczesnym dostępie wielu urządzeń, równoważą przepustowość, poprawiają zasięg i zmniejszają opóźnienia (rys. 6).

Rys. 7. Kolorowanie BSS

Kolorowanie BSS. Kolorowanie podstawowego zestawu usług (BSS) umożliwia dodatkowe ponowne wykorzystywanie kanałów przestrzennych.

do każdego unikatowego BSS-a (podstawowego zestawu usług) przypisywany jest określony
"kolor" podkanału,
kanał jest blokowany tylko wtedy, gdy kolor jest taki sam,
pozwala to na jednoczesne przesyłanie danych do wielu urządzeń w zatłoczonych obszarach.

Korzyści z kolorowania BSS, to m.in. maksymalizacja efektywność i wydajność sieci, zmniejszenie zakłóceń i kolizji. Technika ta zapobiega niepożądanemu czasowi aktywności urządzeń.

2,4 GHz vs. 5 GHz

Wi-Fi 6 obsługuje oba pasma: 2,4 GHz oraz 5 GHz. 2,4 GHz oferuje lepszy zasięg, a 5 GHz zapewnia wyższą przepustowość. Jakiej więc częstotliwości należy użyć w produkcie końcowym? Kluczowe aspekty do rozważenia zostały zilustrowane na rysunku 7.