Jak wprowadzić Wi-Fi do świata IoT?

Sieci Wi-Fi mogą być atrakcyjną opcją jako medium komunikacyjne w systemach internetu rzeczy IoT, jeśli planowane modyfikacje techniczne pozwolą na zwiększenie zasięgu i ograniczenie zużycia energii.

Twórcy i dostawcy technologii bezprzewodowych dążą do upowszechnienia połączeń Wi-Fi, jako podstawowego medium transmisyjnego dla urządzeń IoT (Internet of Things). Wi-Fi może stanowić atrakcyjną opcję dla IoT, dzięki wsparciu przyjaznej komunikacji IP, oferowaniu wysokich prędkości transmisji, a jednocześnie niewielkim koszcie implementacji. Problemem okazują się nieodpowiednie zasięgi we współpracy z IoT oraz duża konsumpcja energii.

Wymagania IoT

Systemy IoT można zdefiniować jako nieskomplikowane, najczęściej zasilane bateryjnie urządzenia, które będą zapewniały możliwość realizacji łączności, w celu przekazywania informacji (raportowania) oraz odbierania komunikatów sterujących, głównie z chmury. Wi-Fi powinno zostać dostosowane do IoT w zakresie warstwy kontroli dostępu do medium MAC (Media Access Control Layer) oraz fizycznej PHY (Physical Layer).

Zmiany mają na celu ułatwienie integracji oraz zwiększenie atrakcyjności Wi-Fi z punktu widzenia twórców systemów Internetu Rzeczy (IoT). Największą barierą zastosowania Wi-Fi w IoT stanowi stosunkowo niewielki zasięg oraz duże zapotrzebowanie na energię. Porównując z rozwiązaniami alternatywnymi – Zigbee, Z-wave, BLE (Bluetooth Low Energy) – sensor wykorzystujący Wi-Fi będzie działał kilkakrotnie krócej przy założeniu, że ma identyczne źródło zasilania bateryjnego.

Próby stworzenia układu 802.11b/a/g/n/ac o niskim poborze mocy, jak dotąd nie odniosły sukcesu komercyjnego. Co więcej, pojedynczy punkt dostępowy Wi-Fi nie zapewnia dobrego pokrycia zasięgiem wszystkich miejsc w nowoczesnych budynkach czy domach, składających się z wielu pięter, ścian, piwnic, a także innych nieprzyjaznych dla Wi-Fi obiektach. Jeżeli tak trudno zapewnić zadowalający zasięg Wi-Fi, to teoretycznie w ogóle nie powinno rozważać się tej technologii do zastosowania w IoT.

Nowe inicjatywy Wi-Fi dla IoT

Rozwój technologii Wi-Fi powoduje jednak, że na rynku pojawiają się nowe rozwiązania, które mogą udoskonalić integrację sieci bezprzewodowej z systemami IoT. Większość z nich musi przejść przez proces standaryzacji. Ale przemysł Wi-Fi jest znany z wprowadzania technologii na podstawie wstępnych technicznych specyfikacji (draft), jeszcze przed ostatecznym zatwierdzeniem oficjalnych standardów.

Wi-Fi HaLo

Nowa, energooszczędna i długodystansowa wersja technologii Wi-Fi, która znajdzie zastosowanie w środowiskach IoT, ma nową nazwę: Wi-Fi HaLo. Informację taką podała organizacja Wi-Fi Alliance na targach CES w Las Vegas.

Jedną z ważniejszych inicjatyw modyfikacji Wi-Fi jest zwiększenie zasięgu zdefiniowanego przez specyfikację 802.11ah. Urządzenia 802.11ah oferują zasięg zbliżony do Zigbee (wykorzystujący strukturę kratową MESH), a także czas pracy bateryjnej zbliżony do BLE. Zasięg zostaje zwiększony dzięki wykorzystaniu częstotliwości w zakresie poniżej 1 GHz (900 MHz) oraz kanałów o szerokości zaczynającej się od 1 MHz. Niewielka szerokość kanału oraz zmiany w protokołach, zredukują wymagania energetyczne 802.11ah. W rezultacie możliwe będzie osiągnięcie zasięgu do poziomu 40 metrów przy prędkości 150 kb/s (jeden strumień) oraz kilku Mb/s przy odległości ponad 80 metrów z wykorzystaniem układów wspierających dwa strumienie.

Częstotliwości poniżej 1 GHz zazwyczaj nie są globalnie dostępne do wykorzystania jako pasmo nielicencjonowane, ale mogą okazać się kluczowe w zwiększeniu zasięgu (w porównaniu do częstotliwości 2,4 GHz oraz 5 GHz). O ile technologia prezentuje się interesująco, potencjalnym problemem może okazać się czas wprowadzenia na rynek.

Specyfikacja 802.11ah stanie się standardem IEEE, ale Wi-Fi Alliance potrzebuje czasu na opracowanie testów zgodności i rozwój certyfikacji przemysłowych. Specyfikacje 802.11ah to najważniejsza innowacja wprowadzająca Wi-Fi do świata IoT. W tworzeniu standardu 802.11ah udział biorą m.in Broadcom, CSR, Huawei, Intel, LG, Marvell, NET, Panasonic, Qualcomm, Samsung, ZTE.

Inną ciekawą inicjatywą jest projekt o nazwie „Connected Home”. W tym przypadku wykorzystywany jest pośredniczący serwer proxy. Serwer pośredniczący ma za zadanie komunikować się z istniejącymi punktami dostępowymi Wi-Fi oraz urządzeniami IoT, odpowiadając w imieniu końcowych urządzeń IoT. Umożliwi to usypianie urządzeń końcowych IoT na długi czas. W ten sposób powinno uzyskać się znaczące zmniejszenie konsumpcji energii. „Connected Home” nie zwiększy zasięgu sieci, ale powinien umożliwiać urządzeniom IoT maksymalnie długą pracę w istniejącej sieci Wi-Fi, bez konieczności modyfikacji źródła zasilania.

Ciekawa idea została zaprezentowana przez IEEE. Organizacja przedstawiła rozszerzenie możliwości transmisyjnych Wi-Fi, wzorując się na technologii Zigbee. ZigBee 3.0 jest tworzony przez m.in. Atmel, Freescale, The Kroger Co., Legrand, NXP, Philips, Schneider Electric, Silicon Labs, Texas Instruments, Wincor Nixdorf, V-Mark. Idea IEEE powinna znaleźć zastosowanie w ramach połączeń wewnętrznych IoT oraz na krótkich dystansach zewnętrznych.

Zaprojektowany do pracy na częstotliwości 2,4 GHz Zigbee jest bliższy ideowo do Wi-Fi, niż 802.11ah. Zasięg Zigbee jest dość duży dzięki niewielkiej szerokości kanału RF oraz niskim prędkościom transmisji i wynosi nawet kilkadziesiąt metrów. Zigbee do poprawy parametrów pracy wykorzystuje modyfikacje warstwy fizycznej. Ideą IEEE jest natomiast zaprojektowanie rozwiązania pracującego z niskimi prędkościami jako dodatkowej formy transmisji do istniejących układów Wi-Fi. Możliwe byłoby łatwe i szybkie zaimplementowanie oraz dołączenie takiego mechanizmu do wszystkich nowych układów Wi-Fi 2,4GHz. W podobny sposób w przeszłości wprowadzono wyższe prędkości do układów Wi-Fi. Przykładem może być Atheros Super-G, zwiększający prędkość standardu 802.11g.

Warto także pamiętać o częstotliwościach telewizyjnych, gdzie propagacja jest jeszcze lepsza niż w zakresie 900 MHz. Specyfikacja IEEE 802.11ac znana także pod nazwami White-Fi oraz Super Wi-Fi, umożliwia pracę sieci bezprzewodowych w zakresie częstotliwości do 790 MHz. W tym przypadku wszystko będzie zależało od alokacji częstotliwości, które nie są dostępne do ogólnego wykorzystania. IoT nie jest podstawowym celem dla tej technologii, która powinna mieć zastosowania w sensorach na rozległym terenie oraz sieciach kontrolnych.

Wi-Fi w IoT – czy warto?

Często zapomina się o fakcie, że sukces każdej technologii łączności jest zależny od aplikacji i zastosowań. Sieci bezprzewodowe zapewniają łączność dla telefonów, tabletów oraz innych urządzeń. Tworzy to bardzo bogaty rynek dla rozwiązań Wi-Fi. Warto pamiętać, że IoT jest jedną z kilku możliwości rozwoju dla technologii bezprzewodowych o małym i średnim zasięgu, a przemysł określi czy może stanowić alternatywę dla Zigbee oraz BLE. Konkurencja na tym polu to pozytywne zjawisko.


TOP 200