Nedávno jsem na různých jiných zdrojích a na svém blogu mluvil o tom, že ZigBee je mrtvé a že je na čase pohřbít stevardku. Abychom se s Thread, který pracuje nad IPv6 a 6LoWPAN, nemuseli snažit tvářit, že všechno je v pořádku, stačilo by lépe přizpůsobené Bluetooth (LE). O tom ale ještě někdy povím. Dnes se zaměříme na to, jak si pracovní skupina výboru po důkladném zamyšlení potřetí po 802.11ah uvědomila, že je čas přidat do standardů 802.11 plnohodnotnou variantu něčeho jako LRLP (Long-Range Low-Power) podle vzoru LoRA. Ale to se ukázalo jako neproveditelné bez toho, aby se porušila svatá kráva zpětné kompatibility. Nakonec se od Long-Range ustoupilo a zůstalo pouze Low-Power, což je také velmi dobré. Vznikl mix 802.11 + 802.15.4 neboli jednoduše Wi-Fi + ZigBee. To znamená, že nová technologie není konkurencí pro řešení LoraWAN, naopak byla vytvořena, aby je doplňovala.
Takže začneme s nejdůležitějším — nyní by měla mít zařízení podporující 802.11ba dva rádiové moduly. Zřejmě po pohledu na 802.11ah/ax s jejich technologií Target Wake Time (TWT) inženýři usoudili, že to nestačí, a je třeba radikálně snížit spotřebu energie. Standard proto předpokládá rozdělení na dva různé typy rádií — Primary Communication Radio (PCR) a Wake-Up Radio (WUR). Pokud s prvním je vše jasné, to je hlavní rádio, které vysílá a přijímá data, u druhého je to trochu složitější. WUR je v podstatě převážně zařízení pro naslouchání (RX), které podle záměru má spotřebovávat velmi málo energie při provozu. Jeho hlavním úkolem je přijmout signál probuzení od AP a aktivovat PCR. Tento přístup tedy výrazně snižuje dobu studeného startu a umožňuje probouzet zařízení v určenou dobu s maximální přesností. To je velmi užitečné, když máte například nejen deset zařízení, ale sto deset a potřebujete během krátké doby vyměnit data s každým z nich. Navíc logika frekvence a periodicity probouzení přechází na stranu AP. Pokud v LoRAWAN se aplikuje metoda PUSH, kdy výkonná zařízení se sama probouzejí a něco přenášejí do vzduchu, a po zbytek času spí, zde naopak AP rozhoduje, kdy a které zařízení by se mělo probudit, a samotná výkonná zařízení… ne vždy spí.
Nyní přejdeme k formátům rámců a zajištění kompatibility. Pokud byl 802.11ah jako první pokus navržen pro pásma 868/915 MHz, nebo jednoduše SUB-1GHz, 802.11ba je již určeno pro pásma 2.4GHz a 5GHz. U předchozích "nových" standardů byla kompatibilita zajištěna pomocí preambule, která byla srozumitelná starším zařízením. To znamená, že výpočty byly vždy založeny na tom, že starší zařízení nemusí mít nutně schopnost rozpoznat celý rámec, stačí, když pochopí, kdy tento rámec začne a jak dlouho bude trvat přenos. Tyto informace získávají právě z preambule. 802.11ba se nestal výjimkou, protože schéma bylo ověřeno a osvědčeno (náklady nyní pomíjíme).
Výsledkem je, že rámec 802.11ba vypadá nějak takto:
Non-HT preambule a krátký fragment OFDM s modulací BPSK umožňuje všem zařízením 802.11a/g/n/ac/ax zaznamenat začátek přenosu tohoto rámce a nezasahovat, přičemž přejdou do režimu poslechu. Po preambuli následuje pole synchronizace (SYNC), které v podstatě odpovídá L-STF/L-LTF. Slouží k tomu, aby umožnilo nastavit frekvenci a synchronizovat přijímač zařízení. A právě v tomto okamžiku přenosové zařízení přechází na jinou šířku kanálu 4 MHz. Proč? Všechno je velmi jednoduché. Je to nezbytné k tomu, aby se mohla snížit výkon a dosáhnout srovnatelného poměru signálu k šumu (SINR). Nebo ponechat výkon při stejné hodnotě a dosáhnout významného zvýšení dosahu přenosu. Řekl bych, že je to velmi elegantní řešení, které navíc výrazně snižuje požadavky na zdroje napájení. Připomeňme si například populární ESP8266. V režimu přenosu s využitím bitrate 54 Mbps a výkonem 16dBm spotřebovává 196 mA, což je extrémně vysoké pro něco jako CR2032. Pokud snížíme šířku kanálu pětkrát a výkon vysílače pětkrát, prakticky neztratíme na dosahu přenosu, ale proud spotřeby se sníží třeba na přibližně 50 mA. Není to, že by to bylo kritické právě ze strany AP, která přenáší rámec pro WUR, ale i tak je to dobré. A pro STA už to dává smysl, protože nižší spotřeba umožňuje používat něco jako CR2032 nebo baterie určené k dlouhému uchovávání energie s nízkými nominálními vybíjecími proudy. Samozřejmě, nic se neděje bezplatně a snížení šířky kanálu způsobí snížení kanálové rychlosti s prodloužením doby přenosu jednoho rámce.
Mimochodem, o kanálové rychlosti. Standard v aktuální podobě předpokládá dvě varianty 62,5 Kbps a 250 Kbps. Cítíte, že se zde míchá ZigBee? Není to náhoda, protože má šířku kanálu 2 MHz místo 4 MHz, ale jiný typ modulace s větší spektrální hustotou. V důsledku toho by měl být dosah zařízení 802.11ba větší, což je pro scénáře IoT uvnitř prostor velmi výhodné.
Počkejte chvíli… Nutit všechny stanice v okolí mlčet, přičemž použijete jen 4 MHz z pásma 20 MHz… „TO JE ALE MRHÁNÍ!“ – řeknete vy a budete mít pravdu. Ale ne, TOHLE JE SKUTEČNÉ MRHÁNÍ!
Standard zahrnuje možnost používat podkanály 40 MHz a 80 MHz. Přičemž bitraty každého podkanálu mohou být různé, a aby se shodovaly v čase přenosu, na konec rámce se přidává Padding. To znamená, že zařízení může obsadit vzdušný čas na všech 80 MHz, ale použít ho pouze na 16 MHz. To už je skutečné mrhání.
Mimochodem, okolní Wi-Fi zařízení nemají šanci pochopit, co se šíří ve vzduchu. Protože pro kódování 802.11ba rámců se NEPOUŽÍVÁ obvyklé OFDM. Ano, takhle se aliance vzdala něčeho, co bezchybně fungovalo mnoho let. Místo klasického OFDM se používá modulace Multi-Carrier (MC)-OOK. Kanál 4MHz je rozdělen na 16(?) podnosných, z nichž každá využívá manchesterské kódování. Přičemž samo pole DATA je navíc logicky rozděleno na úseky po 4 μs nebo 2 μs v závislosti na bitratu, a v každém takovém úseku může být za jedničku zodpovědná nízká nebo vysoká úroveň kódování. Takovéto řešení pro vyhnutí se dlouhé posloupnosti nul nebo jedniček. Scrambling na minimální úrovni.
Úroveň MAC je také extrémně zjednodušená. Obsahuje pouze následující pole:
- Ovládání rámce
Může mít hodnoty Beacon, WuP, Discovery nebo jakoukoli jinou dle výběru dodavatele.
Beacon slouží pro synchronizaci času, WuP je určeno pro probuzení jednoho nebo skupiny zařízení, a Discovery pracuje v opačném směru od STA k AP a slouží k nalezení přístupových bodů podporujících 802.11ba. Také v tomto poli se přenáší délka rámce, pokud přesahuje 48 bitů. - ID
V závislosti na typu rámce může identifikovat AP, nebo STA či skupinu STA, pro kterou je tento rámec určen. (Ano, je možné probouzet zařízení ve skupinách, tomu se říká groupcast wake-ups a je to docela legrační).
- Typ závislý (TD)
Poměrně flexibilní pole. Právě v něm může být přenášeno přesné časové údaje, signál o aktualizaci firmwaru/konfigurace s číslem verze nebo něco užitečného, co by mělo STA vědět.
- Kontrolní pole rámce (FCS)
Tady je vše jednoduché. To je kontrolní suma
Ale aby technologie fungovala, nestačí pouze odeslat snímek ve správném formátu. STA a AP se musí dohodnout. STA hlásí své parametry, včetně času potřebného pro inicializaci PCR. Celé dohodování probíhá pomocí běžných rámců 802.11, po čemž může STA odpojit PCR a přejít do režimu aktivace WUR. A může dokonce i trochu spát, pokud má možnost. Protože pokud je to možné, je lepší toho využít.
Dále začíná ještě malé vymačkávání vzácných miliampérhodin známé jako WUR Duty Cycle. Na tom není nic složitého, STA a AP se podle podobných pravidel jako u TWT dohodnou na spánkovém harmonogramu. Poté STA většinou spí, občas zapíná WUR, aby poslouchalo: "Nepřišlo mi něco užitečného?". A pouze v případě potřeby probouzí hlavní rádiový modul pro výměnu provozu.
Radikálně to mění situaci v porovnání s TWT a U-APSD, že?
A teď důležitý nuance, na kterou se hned nemyslí. WUR nemusí nutně fungovat na stejné frekvenci jako hlavní modul. Naopak, je žádoucí a doporučuje se, aby fungoval na jiném kanálu. V takovém případě funkčnost 802.11ba nijak nenarušuje práci sítě a naopak může být použita k distribuci užitečných informací. Location, Neighbour List a mnohé další v rámci jiných standardů 802.11, jako například 802.11k/v. A jaké výhody se otevírají pro Mesh sítě… Ale to je téma na samostatný článek.
Co se týče osudu samotného standardu jako dokumentu, . To znamená, že v tomto roce lze očekávat skutečný standard nebo alespoň první realizace. A jak moc se rozšíří — to ukáže pouze čas.
Takové věci… (c) .
Doporučená literatura pro prostudování:
Zdroj: habr.com
