IoT z zastosowaniem Wi-Fi 6

IoT z zastosowaniem Wi-Fi 6

Zastosowanie Wi-Fi w rozwiązaniach IoT ma wiele zalet – pozwala na integrację z istniejącą siecią oraz urządzeniami takimi jak router czy modem Wi-Fi, więc nie jest wymagany żaden dodatkowy koncentrator/brama; natywny protokół IP do komunikacji internetowej można łatwo zastosować na różnych platformach sprzętowych i programowych. Wszystko to istotnie redukuje koszty i przyspiesza wdrażanie projektów. W artykule opisujemy wybrane możliwości nowej wersji tego standardu komunikacyjnego – Wi-Fi 6.

Standard Wi-Fi oferuje wiele funkcjonalności – umożliwia rozszerzenie zasięgu, pozwala na optymalizację zużycia energii dla przedłużenia żywotności baterii, oferuje dużą przepustowość i możliwość korzystania z energooszczędnego pasma 2,4 GHz. Istotna jest też większa wygoda użytkownika i interoperacyjność, którą przynosi nowy protokół Matter oraz integracja i łączność ekosystemu z chmurą. Warto też wspomnieć o możliwości korzystania z Bluetooth Low Energy wraz z Wi-Fi, uproszczonym dodawaniu urządzeń, wykrywaniu zbliżeniowym i łączności z czujnikami. Czego więcej można oczekiwać?

Nowy standard

Nowa wersja standardu Wi-Fi wprowadziła funkcje, które na nowo definiują komunikację w zastosowaniach IoT o małym poborze mocy (rysunek 1).

Rysunek 1. Podsumowanie kluczowych różnic między standardami Wi-Fi

Wi-Fi 6 zmienia się w taki sposób, aby obsłużyć masowe aplikacje IoT (rysunek 2), zapewniając:

  • znacznie mniejsze zużycie energii, co wydłuża żywotność baterii,
  • możliwość obsługi większej liczby 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 pasma 2,4 GHz i kanałów 20 MHz dla niskiego zużycia energii i dużego zasięgu,
  • bezpieczeństwo (WPA3) i kompatybilność wsteczna z poprzednimi generacjami urządzeń Wi-Fi.
Rysunek 2. Przykład zastosowania Wi-Fi 6 w aplikacjach IoT

Wi-Fi 6 dla IoT

Aby umożliwić powszechne stosowanie Wi-Fi w IoT, nowy standard Wi-Fi 6 wprowadza istotne zmiany (rysunek 3). Nowe rozwiązania pozwalają spełnić wymagania IoT w zakresie małego zużycia energii.

Rysunek 3. Kluczowe cechy Wi-Fi 6 dla IoT

OFDMA zamiast OFDM

Modulacja OFDMA umożliwia jednoczesną komunikację z wieloma urządzeniami oraz zapewnia lepszą wydajność widmową i przepustowość, a ponadto:

  • kanały są podzielone na podkanały znane jako jednostki zasobów (RU),
  • umożliwia dalsze dostosowywanie użycia 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 (rysunek 4),
  • zapewniono większą wydajność w przypadku krótkich ramek danych (stanowiących znaczną część całego ruchu).
Rysunek 4. Działanie funkcji OFDMA

Zaawansowane oszczędzanie energii

Funkcja TWT (docelowy czas w stanie wybudzenia) umożliwia bezprzewodowym punktom dostępowym i urządzeniom negocjowanie i definiowanie określonych czasów dostępu do medium (rysunek 5).

Rysunek 5. Działanie funkcji TWT

Działa na bazie dwóch metod:

  • indywidualny TWT – każde urządzenie może negocjować czas uśpienia z AP,
  • rozgłaszany TWT – AP określa okres uśpienia dla całej grupy urządzeń.
  • Indywidualny TWT jest idealny dla urządzeń IoT zasilanych bateryjnie.

Uplink z obsługą wielu użytkowników

Standard Wi-Fi 5 wprowadził MU-MIMO, ale tylko dla downlink 4×4. Standard Wi-Fi 6 podwoił ten parametr do 8×8 i dodał obsługę uplink (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 (rysunek 6), równoważą przepustowość, poprawiają zasięg i zmniejszają opóźnienia.

Rysunek 6. Techniki MU-MIMO i OFDMA w Wi-Fi 6

Kolorowanie BSS

Kolorowanie podstawowego zestawu usług (BSS) umożliwia dodatkowe ponowne użycie kanałów przestrzennych. Do każdego unikatowego BSS-a (podstawowego zestawu usług) przypisywany jest określony tzw. kolor podkanału. Kanał jest blokowany tylko wtedy, gdy kolor jest taki sam – pozwala to na jednoczesne przesyłanie danych do wielu urządzeń w zatłoczonych obszarach (rysunek 7). Korzyści z kolorowania BSS to m.in. większa efektywność i wydajność sieci, zmniejszenie zakłóceń i kolizji. Technika ta zapobiega niepożądanemu czasowi aktywności urządzeń.

Rysunek 7. Technika „kolorowania” BSS

2,4 GHz vs 5 GHz

Standard Wi-Fi 6 obsługuje oba pasma: 2,4 GHz oraz 5 GHz. Niższe pasmo oferuje lepszy zasięg, a wyższe zapewnia lepszą przepustowość. Jakiej więc częstotliwości należy użyć w produkcie końcowym? Kluczowe aspekty do rozważenia zostały zilustrowane na rysunku 8.

Rysunek 8. Zalety i wady pasm 2,4 GHz oraz 5 GHz dla IoT

Hardware

Komponenty wspierające stare Wi-Fi oraz nowy standard są dostępne w ofercie firmy Silicon Labs.

Rysunek 9. Podsumowanie oferty układów Wi-Fi SoC firmy Silicon Labs

Porównanie parametrów wybranych układów pokazano na rysunku 9.

Kamil Prus

Więcej informacji:
 
Computer Controls, tel. +48 660 141 060, kamil.prus@ccontrols.pl, www.ccontrols.pl
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
sierpień 2023

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik maj 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje maj 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna maj 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów