Niedawno opowiadałem na różnych platformach i na swoim blogu, że ZigBee jest martwy i pora już pochować stewardessę. Aby zachować dobrą minę do złej gry z Thread, działającym na IPv6 i 6LowPan, wystarczy bardziej przystosowane Bluetooth (LE). Ale o tym opowiem innym razem. Dziś mowa będzie o tym, jak w grupie roboczej komitetu dobrze się zastanowili po raz drugi po 802.11ah i postanowili, że nadszedł czas, aby dodać do zbioru standardów 802.11 pełnoprawną wersję czegoś w rodzaju LRLP (Long-Range Low-Power) na podobieństwo LoRA. Okazało się to jednak niemożliwe bez zniszczenia świętej krowy kompatybilności wstecznej. W efekcie zrezygnowano z Long-Range i pozostało tylko Low-Power, co również jest bardzo dobre. Powstała mieszanka 802.11 + 802.15.4, czyli po prostu Wi-Fi + ZigBee. Można więc powiedzieć, że nowa technologia nie jest konkurencją dla rozwiązań LoraWAN, a wręcz przeciwnie, została stworzona, aby je uzupełniać.
Zacznijmy od najważniejszego — urządzenia wspierające 802.11ba muszą mieć teraz dwa moduły radiowe. Wygląda na to, że po przyjrzeniu się 802.11ah/ax z ich technologią Target Wake Time (TWT), inżynierowie stwierdzili, że to za mało i konieczne jest radykalne obniżenie zużycia energii. W tym celu standard przewiduje podział na dwa różne typy radiów — Primary Communication Radio (PCR) i Wake-Up Radio (WUR). W przypadku pierwszego wszystko jest jasne, to główne radio, które przesyła i odbiera dane, ale z drugim nie jest to takie proste. W rzeczywistości WUR to przede wszystkim urządzenie nasłuchujące (RX), które ma zużywać bardzo mało energii w trakcie pracy. Jego głównym zadaniem jest odbieranie sygnału budzenia od AP i włączanie PCR. Innymi słowy, taka metoda znacznie zmniejsza czas zimnego startu i pozwala na precyzyjne budzenie urządzeń o określonej porze. Jest to bardzo przydatne, gdy masz, powiedzmy, nie dziesięć urządzeń, a sto dziesięć i musisz w krótkim czasie wymienić dane z każdym z nich. Dodatkowo, logika częstotliwości i okresowości budzenia przechodzi na stronę AP. W przypadku, gdy w LoRAWAN stosuje się metodologię PUSH, w której urządzenia wykonawcze same się budzą i coś przesyłają, podczas gdy przez resztę czasu śpią, to w tym przypadku jest wręcz przeciwnie — AP decyduje, kiedy i które urządzenie powinno się obudzić, a same urządzenia wykonawcze… nie zawsze śpią.
Przejdźmy teraz do formatów ramek i zapewnienia kompatybilności. Jeśli 802.11ah jako pierwsza próba była tworzona dla zakresów 868/915 MHz, czyli po prostu SUB-1GHz, to 802.11ba już jest przeznaczona dla zakresów 2.4GHz i 5GHz. W poprzednich „nowych” standardach kompatybilność osiągano dzięki preambule zrozumiałej dla starszych urządzeń. Oznacza to, że założenie zawsze było takie, że starszym urządzeniom nie jest potrzebna możliwość rozpoznawania całej ramki, wystarczy, że zrozumieją, kiedy ta ramka się rozpocznie i jak długo będzie trwała transmisja. Właśnie te informacje czerpią z preambuły. 802.11ba nie stała się wyjątkiem, ponieważ schemat jest sprawdzony i wypróbowany (kwestia kosztów na razie pozostaje pominięta).
W rezultacie ramka 802.11ba wygląda tak:
Preambuła Non-HT i krótki fragment OFDM z modulacją BPSK pozwala wszystkim urządzeniom 802.11a/g/n/ac/ax usłyszeć początek transmisji tego ramki i nie wtrącać się, przechodząc w tryb nasłuchiwania. Po preambule następuje pole synchronizacji (SYNC), które zasadniczo jest analogiczne do L-STF/L-LTF. Służy ono do dostosowania częstotliwości i synchronizacji odbiornika urządzenia. I to właśnie w tym momencie urządzenie nadające przechodzi na inną szerokość kanału wynoszącą 4 MHz. Po co? Wszystko jest bardzo proste. To konieczne, aby zmniejszyć moc i osiągnąć porównywalny stosunek sygnału do szumów (SINR). Można też pozostawić moc na tym samym poziomie i uzyskać znaczne zwiększenie zasięgu transmisji. Powiedziałbym, że to dość eleganckie rozwiązanie, które pozwala znacznie obniżyć wymagania względem źródeł zasilania. Przypomnijmy na przykład popularny ESP8266. W trybie nadawania z wykorzystaniem przepływności 54 Mbps i mocą 16dBm pobiera 196 mA, co jest bardzo dużo dla czegoś takiego jak CR2032. Jeśli pięciokrotnie zmniejszymy szerokość kanału i pięciokrotnie zmniejszymy moc nadajnika, praktycznie nie stracimy na zasięgu, a pobór prądu spadnie do około 50 mA. Nie żeby to miało kluczowe znaczenie dla AP, które przesyła ramkę do WUR, ale i tak nie jest źle. Natomiast dla STA ma to już sens, ponieważ mniejsze zużycie energii umożliwia korzystanie z baterii CR2032 lub akumulatorów zaprojektowanych do długoterminowego przechowywania energii przy niskich nominalnych prądach rozładowania. Oczywiście, nic nie jest za darmo, a zmniejszenie szerokości kanału spowoduje spadek szybkości kanałowej przy wydłużeniu czasu transmisji jednego ramki.
A propos szybkości kanałowej. Standard w obecnej formie przewiduje dwa warianty 62.5 Kbps i 250 Kbps. Czujecie, że przypomina to ZigBee? To nie przypadek, ponieważ jego szerokość kanału wynosi 2 MHz zamiast 4 MHz, ale z innym typem modulacji o większej gęstości spektralnej. W rezultacie zasięg urządzeń 802.11ba powinien być większy, co jest korzystne dla scenariuszy IoT wewnątrz budynków.
Chwileczkę… Zmuszać wszystkie stacje w okolicy do milczenia, używając tylko 4 MHz z pasma 20 MHz… "TO JEST MARNOTRAWSTWO!" — powiecie i macie rację. Ale nie, TO JEST PRAWDZIWE MARNOTRAWSTWO!
Standard przewiduje możliwość używania podkanałów 40 MHz i 80 MHz. Przy tym bitrate każdego podkanału może być inny, a aby synchronizować transmisję czasową, na końcu ramki dodawany jest padding. Oznacza to, że urządzenie może zajmować czas transmisji na wszystkich 80 MHz, a używać tylko 16 MHz. To już prawdziwe marnotrawstwo.
Zresztą, otaczające urządzenia Wi-Fi nie mają żadnych szans, aby zrozumieć, co jest emitowane w eterze. Ponieważ do kodowania ramki 802.11ba NIE używa się znanego im OFDM. Tak, właśnie tak sojusz zrezygnował z czegoś, co działało niezawodnie przez wiele lat. Zamiast klasycznego OFDM stosuje się modulację Multi-Carrier (MC)-OOK. Kanał 4 MHz dzieli się na 16(?) nośnych, z których każda wykorzystuje kodowanie Manchester. Przy tym samo pole DATA jest także logicznie podzielone na segmenty o długości 4 μs lub 2 μs w zależności od bitrate'u, a w każdym z takich segmentów jednostka może być reprezentowana przez niski lub wysoki poziom kodowania. Takie rozwiązanie ma na celu uniknięcie długich ciągów zer lub jedynek. Scrambling na minimalnych poziomach.
Poziom MAC również został niezwykle uproszczony. Zawiera tylko następujące pola:
- Kontrola Ramki
Może przyjmować wartości Beacon, WuP, Discovery lub dowolne inne wybrane przez dostawcę.
Beacon służy do synchronizacji czasu, WuP przeznaczone są do budzenia jednego lub grupy urządzeń, a Discovery działa w odwrotnym kierunku, od STA do AP, i jest stworzony do wyszukiwania punktów dostępu obsługujących 802.11ba. W tym polu przekazywana jest także długość ramki, jeśli przekracza 48 bitów. - ID
W zależności od typu ramki może identyfikować AP, STA lub grupę STA, do której skierowana jest dana ramka. (Tak, można budzić urządzenia grupowo, to nazywa się grupowymi budzeniami i jest całkiem fajne).
- Typ Zależny (TD)
Dość elastyczne pole. W nim mogą być przekazywane dokładne czasy, sygnał o aktualizacji oprogramowania/konfiguracji z numerem wersji lub coś przydatnego, o czym STA warto wiedzieć.
- Pole Kontroli Ramki (FCS)
Tutaj wszystko jest proste. To suma kontrolna.
Jednak aby technologia działała, nie wystarczy tylko wysłać klatkę w odpowiednim formacie. STA i AP muszą się porozumieć. STA przekazuje swoje parametry, w tym czas potrzebny do inicjalizacji PCR. Wszystkie ustalenia odbywają się za pomocą standardowych ramek 802.11, po czym STA może wyłączyć PCR i przejść w tryb aktywacji WUR. Może nawet trochę zasnąć, jeśli to możliwe. Bo jeśli jest taka możliwość, lepiej z niej skorzystać.
Następnie zaczyna się jeszcze niewielkie wyciskanie cennych miliamperogodzin pod nazwą WUR Duty Cycle. Nic trudnego, po prostu STA i AP, podobnie jak miało to miejsce w przypadku TWT, ustalają harmonogram snu. Po tym STA przeważnie śpi, sporadycznie włączając WUR, aby posłuchać: „Czy nie przyszło coś dla mnie?” A tylko w razie potrzeby budzi główny moduł radiowy do wymiany danych.
Radikalnie zmienia sytuację w porównaniu do TWT i U-APSD, prawda?
A teraz ważny niuans, o którym nie od razu myślisz. WUR nie musi działać na tej samej częstotliwości, co główny moduł. Przeciwnie, wskazane i zalecane jest, aby działał na innym kanale. W takim przypadku funkcjonalność 802.11ba w żaden sposób nie przeszkadza w działaniu sieci, a wręcz może być wykorzystywana do przesyłania przydatnych informacji. Lokalizacja, lista sąsiadów i wiele innych w ramach innych standardów 802.11, na przykład 802.11k/v. A jakie korzyści otwierają się dla sieci Mesh… Ale to temat na osobny artykuł.
Jeśli chodzi o przyszłość samego standardu jako dokumentu, . To znaczy, że w tym roku można oczekiwać prawdziwego standardu lub przynajmniej pierwszych wdrożeń. A na ile się rozpowszechni — czas pokaże.
Takie są fakty… (c) .
Zalecana literatura do zapoznania się:
Źródło: habr.com
