802.11ba (WUR) või kuidas ristata ussi ja siili

Mõni aeg tagasi rääkisin mitmetes teistes allikates ja oma blogis sellest, et ZigBee on surnud ja seda oleks aeg maetud. Et mängida Thread'iga, mis töötab IPv6 ja 6LowPan'i peal, on piisavalt sobiv Bluetooth (LE). Kuid sellest räägin ma mingil muul ajal. Täna arutame, kuidas komitee töörühmas mõeldi teist korda 802.11ah pärast ja otsustati, et on aeg lisada 802.11 standardite hulka täislahendus millegi nagu LRLP (Long-Range Low-Power) jaoks, sarnaselt LoRA-le. Kuid see osutus teostatavaks vaid siis, kui loobuda tagasipööratavale ühilduvusele. Lõpuks loobuti Long-Range'ist ja jäi alles ainult Low-Power, mis on samuti väga hea. Tekkis segu 802.11 + 802.15.4 ehk lihtsustatult Wi-Fi + ZigBee. Seega võib öelda, et uus tehnoloogia ei ole konkurent LoraWAN lahendustele, vaid pigem mõeldud nende täiendamiseks.

Nii et alustame kõige olulisemast — nüüd peavad 802.11ba toetavad seadmed sisaldama kahte raadiosagedust. Tundub, et pärast 802.11ah/ax'i vaadates, kus on tehnoloogia Target Wake Time (TWT), otsustasid insenerid, et sellest oli ikkagi vähe ja energiatarvet tuleb radikaalselt vähendada. Seetõttu näeb standard ette kahe erineva raadio tüübi eraldamise — Primary Communication Radio (PCR) ja Wake-Up Radio (WUR). Kui esimese kohta on kõik selge, see on peamine raadio, mis edastab ja vastu võtab andmeid, siis teise puhul pole kõik nii selge. Tegelikult esindab WUR enamikult nn kuulamisseadet (RX) ja peaks tarbima väga vähe energiat. Selle peamine ülesanne on saada äratussignaal AP-lt ja aktiveerida PCR. See tähendus vähendab külmsõiduki käivitamise aega ja võimaldab seadmeid äratada täpselt määratud ajal. See on äärmiselt kasulik, kui teil on näiteks mitte kümme seadet, vaid sada kümme ja peate igaühega kiiresti andmeid vahetama. Lisaks sellele liigub äratamise sageduse ja perioodi loogika AP poole. Kui näiteks LoRAWAN-is kasutatakse PUSH meetodit, kus täitmis seadmed ärkavad ja edastavad midagi eetrisse ning magavad ülejäänud aja, siis sellisel juhul otsustab AP vastupidiselt, millal ja milline seade peaks ärkama, samas kui enamik täitmis seadmeid... ei maga alati.

Nüüd liigume raamiformaatide ja ühilduvuse tagamise juurde. Kui 802.11ah kui esimene katse loodi 868/915 MHz või lihtsalt SUB-1GHz jaoks, siis 802.11ba on juba ette nähtud 2.4GHz ja 5GHz vahemikele. Eelnevates "uutes" standardites saavutati ühilduvus preambuli kaudu, mis oli arusaadav vanematele seadmetele. See tähendab, et alati arvati, et vanematel seadmetel ei ole tingimata vajalik kogu raami tuvastamine, neil piisab teada, millal see raami algab ja kui kaua edastamine kestab. Just selle teabe nad võtavadki preambuli alt. 802.11ba ei olnud erand, kuna skeem on tõestatud ja välja töötatud (kulus küsimuse jätame hetkel kõrvale).

Seega näeb 802.11ba raam välja umbes selline:

Non-HT preambul ja lühike OFDM, millel on BPSK modulaator, võimaldab kõigil seadmetel 802.11a/g/n/ac/ax kuulda selle kaadripöörduse algust ja mitte sekkuda, minnes raadiosagedusele keskendumise režiimi. Preambule järgneb sünkroniseerimisväli (SYNC), mis on põhimõtteliselt L-STF/L-LTF analoog. See on vajalik seadme vastuvõtja sageduse kohandamiseks ja sünkroniseerimiseks. Ja just sel hetkel muudab edastav seade kanalilaiene tõttu 4MHz. Miks? Kõik on lihtne. See on vajalik, et vähendada võimsust ja saavutada võrreldav signaali ja mürataseme suhe (SINR). Või jätta võimsus samaks ja saavutada märkimisväärne edastusulatus. Ütleksin, et see on üsna elegantne lahendus, mis aitab oluliselt vähendada toiteallikate nõudeid. Tuletame meelde näiteks populaarset ESP8266. Edastamisrežiimis, kasutades 54 Mbps bitikiirus ja 16dBm võimsust, tarbib see 196 mA, mis on liiga palju näiteks CR2032 jaoks. Kui vähendada kanalilaiene viie korda ja edastaja võimsust viie korda, kaotame edastusulatuses peaaegu järsult, kuid tarbimist vähendatakse umbes 50 mA-ni. See pole küll kriitiline AP poolt, kes edastab WUR kaadrit, kuid ikkagi on see väga hea. Kuid STA jaoks on see juba mõttekas, kuna madalam tarbimine võimaldab kasutada näiteks CR2032 või akusid, mis on mõeldud pikaajalise energiavajaduse rahuldamiseks madalate voolutugevustega. Loomulikult ei ole tasuta midagi ja kanalilaiuse vähenemine toob endaga kaasa kanalikiirus ja kaadripöörduse aega.

Muide, kanalikiirusest. Standard käesolevas vormis näeb ette kahte varianti 62.5 Kbps ja 250 Kbps. Kas tunned, et ZigBee on kohal? See pole juhus, kuna selle kanalilaine on 2 MHz hoopis, mitte 4 MHz, kuid nõuab suurt spektridensust muud tüüpi modulatsiooniga. Lõppkokkuvõttes peaks 802.11ba seadmete ulatus olema suurem, mis siseruumides IoT stsenaariumide jaoks on just vajalik.

Kuid oota... Sundida kõiki jaamu ümber vaikima, kasutades ainult 4 MHz 20 MHz spektrist... "SEE ON RAJATAV INIMHINDA!" — ütlete te ja teil on õigus. Kuid ei, see on TÕELINE RAJATAV INIMHINDA!

Standardi kohaselt on lubatud 40 MHz ja 80 MHz alakanalite kasutamine. Sel juhul võivad iga alakanali bittide määrad olla erinevad, ja et ajaliselt ühtida, lisatakse kaadri lõppu Padding. See tähendab, et seade võib hõivata eetris aega kõikidel 80 MHz, kuid kasutada seda vaid 16 MHz. See on tõeliselt raiskav.

Muide, ümbritsevad Wi-Fi seadmed ei saa aru sellest, mis toimub eetris. Kuna 802.11ba kaadrite kodeerimiseks EI KASUTATA harjumuspärast OFDM-i. Jah, üllatav, kuidas liit on loobunud sellest, mis on aastaid usaldusväärselt töötanud. Klassikalise OFDM asemel kasutatakse Multi-Carrier (MC)-OOK modulatsiooni. 4 MHz kanal jaguneb 16(?) alakanaliks, millest igaühel on Manchesteri kodeerimine. Samuti on andmeväli loogiliselt jagatud 4 μs ja 2 μs lõikudeks sõltuvalt bitikiirusest, ning igas sellises lõigus võib vastutav olla madal või kõrge kodeerimistaseme tase. Selline lahendus vältimaks pikki nullide või ühtede jadasid. Minimummus on skramblerdatud.

MAC tase on samuti vähenenud. See sisaldab ainult järgmisi välju:

• Frame Control

  Võib võtta väärtusi Beacon, WuP, Discovery või iga muu valikupakkumise.
  Beacon teenib ajasünkroonimiseks, WuP on ettenähtud ühe või grupi seadmete äratamiseks, ja Discovery töötab STA-st AP-le, et leida punkte, mis toetavad 802.11ba. Samuti edastatakse selles väljas kaadri pikkus, kui see ületab 48 bitti.

• ID

  Sõltuvalt kaadri tüübist saab tuvastada AP, STA või STA gruppi, kellele see kaader suunatud on. (Jah, seadmeid saab äratada rühmades, seda nimetatakse groupcast wake-ups ja on piisavalt lahe).

• Tüübist sõltuv (TD)

  Väga paindlik väli. Just seal saab edastada täpset aega, signaali tarkvarauuendamise/keskkonna kohta versiooni numbriga või midagi kasulikku, millest STA peaks olema teadlik.

• Frame Checksum Field (FCS)
  Siin on kõik lihtne. See on kontrollsumma.

Kuid et tehnoloogia toimiks, ei piisa lihtsalt õigeformaadist kaadrist saatmisest. STA ja AP peavad kokku leppima. STA edastab oma parameetrid, sealhulgas aja, mis on vajalik PCR-i initsiatsiooniks. Kõik kooskõlastamine toimub tavapäraste 802.11 raamide abil, pärast mida võib STA PCR-i välja lülitada ja minna WUR aktiveerimisrežiimi. Võib-olla suudab isegi veidi magada, kui see on võimalik. Sest kui see on võimalik, siis tasub seda ära kasutada.
Siit algab veel üks natuke väärtuslike milliampere-tunnide väljapigistamine nimega WUR Duty Cycle. Midagi keerulist ei ole, lihtsalt STA ja AP leppivad kokku une ajakavas, sarnaselt sellele, kuidas see toimus TWT puhul. Pärast seda magab STA peamiselt, aeg-ajalt lülitades WUR-i sisse, et kuulata: „Kas on midagi kasulikku minu jaoks tulnud?” Ja ainult vajadusel äratab peamise raadiomoduli liikluse vahetamiseks.

See muudab olukorra radikaalselt võrreldes TWT ja U-APSD-ga, kas pole?

Ja nüüd oluline nüanss, mille üle ei pruugi kohe mõelda. WUR ei pea tingimata töötama samal sagedusel nagu peamine moodul. Vastupidi, on soovitatav ja soovitatav, et see töötaks teisel kanalil. Sellisel juhul ei sega 802.11ba funktsionaalsus võrgu toimimist ja võib vastupidi olla kasulik teabe edastamiseks. Asukoht, naaberlainete loend ja palju muud muu 802.11 standardite raames, näiteks 802.11k/v. Ja millised eelised avanevad Mesh-võrkudele… Aga see on teema eraldi artiklile.

Mis puutub standardi enda saatusesse kui dokumendi, siis hetkel on juba valmis Draft 6.0, mille heakskiitmisprotsent on 96%. See tähendab, et tänavu võib oodata tõelist standardit või vähemalt esimesi realiseerimisi. Kuidas see levinud saab - seda näitab ainult aeg.

Nii et sellised lood… (c) EvilWirelesMan.

Soovitatav kirjandus tutvumiseks:

IEEE 802.11ba — Äärmiselt madala energiaga Wi-Fi massiivsete asjade Internetiks — väljakutsed, avatud küsimused, jõudluse hindamine

IEEE 802.11ba: Madala energiatarbega ärkamise raadio rohelisele IoT-le

IEEE 802.11-toega ärkamise raadio: kasutusjuhtumid ja rakendused

Allikas: habr.com