Краткий путеводитель по беспроводным технологиям «Интернета вещей». Часть 3

14.10.2018 > 14:54
Краткий путеводитель по беспроводным технологиям «Интернета вещей». Часть 3
В двух предыдущих частях этого обзора были рассмотрены общие вопросы беспроводной связи применительно к «Интернету вещей» (Internet of Things, IoT) и основные технологии ближнего радиуса действия. Однако есть такая технология, которая родилась в рамках ближнего диапазона покрытия, причем почти одновременно с Bluetooth, а потом смогла шагнуть дальше — в область большего радиуса действия.

Речь идет о Wi-Fi: это достаточно широкая тема, и в связи с огромной популярностью и гибкостью применения данная технология заслуживает отдельного описания. Технология Wi-Fi, конечно, не ограничена только интересующими нас IoT-устройствами с питанием от батареи, однако имеет самое непосредственное отношение и к этой современной концепции.

Введение в Wi-Fi

Wi-Fi для IoTВ целом Wi-Fi — это не что-то единичное, а большое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. Название этой технологии возникло как производное от английского словосочетания wireless fidelity, которое сначала использовалось в рекламных целях, поскольку было созвучно давно устоявшемуся термину Hi-Fi из области звукозаписи и звуковоспроизведения, означающему нестандартную аппаратуру с высокой верностью (high fidelity) воспроизведения. Как иногда бывает в жизни, никто не думал и не гадал, но именно этот маркетинговый ход прижился как термин, и иного мы уже не представляем.

Разработка беспроводной технологии Wi-Fi началась в 1999 г., когда группа компаний, стоящих у истоков беспроводных технологий, — 3Com, Aironet (сейчас Cisco), Harris Semiconductor (сейчас Intersil), Lucent (сейчас Agere), Nokia и Symbol Technologies — основали организацию Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Именно они зарегистрировали свою новую технологию под торговой маркой Wi-Fi. В 2000 г. WECA стала частью Wi-Fi Alliance, представляющего в настоящее время промышленную группу, в которую входят более трехсот компаний — все основные производители беспроводного оборудования Wi-Fi. Удачно выбранное название технологии, как мы видим, сохранилось и стало торговой маркой теперь уже Wi-Fi Alliance. Основными задачами этого альянса являются разработка, тестирование, сертификация, поддержка и продвижение форматов беспроводной связи на основе Wi-Fi-протоколов.

Интересно, что поначалу ничто не предвещало того, во что в итоге превратится эта технология, поскольку Wi-Fi разрабатывался с весьма приземленной целью. Но, как и все хорошо, грамотно и, главное, вовремя разработанное, он успешно занял свою весьма немалую нишу на рынке беспроводной связи, причем не только т. н. широкого потребления, но и индустриального оборудования, IoT и, как уже было сказано, сетей большего радиуса действия.

Первоначально стандарт Wi-Fi был предназначен для замены сетевого кабеля и использовался в качестве канала связи между ноутбуками и принтерами. Поэтому он был разработан с высокой пропускной способностью канала передачи данных (от 10 до 50 Мбит/с) и при этом на него не накладывались особые ограничения по потребляемой мощности — что сейчас является основным требованием для IoT-устройств с питанием от батареи или аккумулятора. Кроме того, достаточно свободно определялись размеры конечного решения. С появлением «Интернета вещей» стали доступны самые разные варианты исполнения Wi-Fi-модулей — например, совсем не похожие на привычные всем нам роутеры. Но будем справедливы: проблема энерго­потребления пока остается ахиллесовой пятой многих протоколов Wi-Fi. Так, представленный на рис. 1 миниатюрный модуль при его использовании с протоколом 802.11b (CCK 1 Мбит/с, Pout = 19,5 дБм) потребляет 215 мА, в режиме 802.11n (с пакетами длиной по 1024 бит и Pout = –65 дБм) — 102 мА, а в дежурном режиме — 70 мА, что явно многовато. Тем не менее, отвечая требованиям рынка, появились и решения с пониженным энерго­потреблением. Все старые и новые протоколы, а также особенности реализации Wi-Fi будут рассмотрены ниже.

В большое и давно состоявшееся семейство Wi-Fi входит много «родственников», имена которых начинаются с IEEE 802.11. Именно благодаря тому, что все они подпадают под стандарты семейства IEEE 802.11xxx, технология Wi-Fi обеспечивает решения почти на любой вкус. Как и все удачные разработки в мире электроники, Wi-Fi эволюционирует и постоянно развивается по мере появления новых идей и технологий. В настоящее время его наиболее популярная разновидность работает в ISM-диапазонах 2,4 и 5 ГГц, но с национальными ограничениями: так, в России для этой технологии разрешены не требующие лицензирования (при выполнении ограничений по мощности) полосы частот 2400–2483,5 МГц и 5150–5350 МГц.

Несмотря на существующие проблемы, к которым мы еще вернемся, аналитики не справляют по технологии Wi-Fi поминки, а прогнозируют ей достаточно хорошие перспективы. Особенно это касается роста рынка оборудования Wi-Fi с малым собственным потреблением — применительно к интересующей нас теме IoT.

Особенности технологии Wi-Fi и ее основные протоколы

Wi-Fi для IoTПод термином Wi-Fi обычно подразумевают не столько технологии и протоколы, сколько беспроводную локальную сеть (Wireless LAN, или WLAN). Это связано с тем, что наиболее распространенное применение данной технологии — обеспечение устройствам доступа к локальной сети и Интернету без прямого подключения через Ethernet-кабель. Сети Wi-Fi почти повсеместны: они встречаются в большинстве квартир, офисов и общественных мест, и с помощью смартфона можно практически везде найти нужную точку доступа.

Поскольку непосредственное «воплощение» технологии Wi-Fi в различных формах началось с 1999 г. (сам протокол вышел в 1997 г.), то для реализации таких решений уже имеется много поставщиков — как отдельных микросхем (чипсетов), так и полностью готовых модулей, что дает разработчикам широкий выбор возможностей. Однако нельзя обольщаться: следует проявлять известную осторожность при оценке характеристик компонентов, а особенно приемника. Дело в том, что в зависимости от выбранного типа микросхем может сильно меняться производительность, а именно: диапазон частот, пропускная способность, блокировки, коэффициент ошибок при передаче пакетов и потребление мощности от батареи. Для успешного функционирования устройства необходимо применять только те компоненты, которые отвечают поставленным перед разработчиком задачам. Поскольку Wi-Fi изначально был предназначен для высокоскоростной передачи данных (10 Мбит/с), он, как правило, потребляет больше энергии, чем другие протоколы ближнего радиуса действия, поэтому при использовании основных протоколов разработчикам не удастся достичь 10-летнего срока службы в устройствах Wi-Fi для IoT со стандартными батареями без их подзарядки.

Полная версия статьи опубликована на сайте Control Engineering Россия

Все Статьи

Комментарии
Авторизоваться