В конце прошлого века компьютеры вытеснили людей из многих сфер деятельности, связанных с выполнением рутинных операций. Объединенные интернетом, компьютеры разрушили границы распространения информации.

В начале 2000-х социальные сети и мобильные гаджеты объединили людей со всего света: заменив личное общение, они подарили нам сеть, которую правильней было бы назвать «Интернет людей».

Оба явления, компьютеры и интернет, непредсказуемо изменили даже привычки людей, побуждая нас проверять по утрам почту до чистки зубов. Без сомнения, дальнейшее стремление автоматизировать все, что только можно, кардинально изменит экономику, политику и личную жизнь. Аналитики считают, что следующая революция в области ИКТ будет связана с интернетом вещей – экосистемы миллиардов автономных устройств: датчиков, контроллеров, станков, приборов и т.д. О масштабе революции говорит тот факт, что, по прогнозам, общее число устройств в такой сети достигнет 50 миллиардов к 2020 году. Очевидно, лучший способ для подключения такого огромного количества устройств – беспроводная сеть.

В то время как футурологи предсказывают нашу жизнь в 2020 году, инженеры и исследователи задают вопрос, а смогут ли современные беспроводные технологии выдержать такое огромное число устройств, большинство из которых питаются от аккумуляторных батарей.

Хотя на сегодняшний день уже существует ряд технологий персональных беспроводных сетей на основе RFID, ZigBee, Bluetooth, поддерживающих работу устройств с низким энергопотреблением, их возможности ограничены количеством устройств в одной сети, пропускной способностью, радиусом действия и другими параметрами. С другой стороны, технологии городских и региональных сетей, такие как сегодняшние WiMAX и LTE, также не подходят для интернета вещей из-за большого потребления энергии и относительно высокой стоимости использования. Вот почему 3GPP, IEEE и другие международные организации сегодня заняты тем, что пытаются адаптировать свои технологии для нужд интернета вещей.

Рассмотрим, к примеру, IEEE и сети стандарта IEEE 802.11, известные под маркой Wi-Fi. Эта беспроводная технология первоначально была создана для высокоскоростного соединения ограниченного числа станций, расположенных в помещении на небольшом расстоянии между собой. Поэтому она оказывается не эффективной для передачи коротких сообщений большим числом удаленных друг от друга устройств интернета вещей. Для удовлетворения требования интернета вещей Комитет IEEE 802 LAN/MAN Standard Committee (LMSC) создал группу IEEE 802.11ah (Task Group ah, TGah), целью которой является расширение области применения сетей IEEE 802.11 путем разработки энергоэффективного протокола, позволяющего тысячам станций, расположенным как в помещении, так и вне его, работать в одной и той же частотно-пространственной области.

В данной серии статей мы рассмотрим деятельность TGah и ее задачи, а также основные механизмы, которые войдут в дополнение IEEE 802.11ah (.11ah). Работа над .11ah должна завершиться уже в начале 2016 г., а это значит, что примерно через год на рынке появятся первые устройства, работающие по новой технологии.

Сценарии использования

В 2010 году, изучив свойства диапозона <1 ГГц (S1G), Комитет определяет этот диапазон перспективным для Wi-Fi устройств, работающих вне помещений. Однако из-за нехватки доступного спектра, S1G не позволяет использовать широкие полосы, особенно >20 МГц, введенные в .11n и .11ac. Тем не менее, сигнально-кодовые конструкции (СКК), разработанные в .11ac и адаптированные к узким каналам .11ah, способны обеспечивать сотни МБ/c, если канальные условия являются достаточно хорошими.

В то же время, S1G имеет определенно лучшие характеристики распространения радиоволн в уличных сценариях по сравнению с традиционным для Wi-Fi диапазоном 2.4 и 5 ГГц, что увеличивает радиус области покрытия до 1 км при стандартной мощности передачи 200 мВт. Эффективные СКК и благоприятные характеристики распространения радиоволн позволяют использовать S1G для построения сенсорных сетей, которые превосходят ZigBee, Bluetooth, NFC и т.д. в пропускной способности и зоне покрытия, оставаясь при этом очень энергоэффективными.

Таким образом, основная группа сценариев использования .11ah выглядит следующим образом:

• интеллектуальные счетчики (газ, вода и энергопотребление);
• интеллектуальные энергосистемы (Smart-grid, для России с ее недрами это малоактуально, а вот на Западе...);
• мониторинг окружающей среды и сельскохозяйственных угодий (температура, влажность, ветер, уровень воды, загрязнение окружающей среды, состояние животных, обнаружение лесных пожаров и т.д.);
• автоматизация производственных процессов (добыча и переработка нефти, руды; химическая и фармацевтическая промышленность и т.д.);
• системы здравоохранения / фитнес-система (удаленное измерение кровяного давления, частоты сердечных сокращений, веса);
• система ухода за пожилыми людьми и новорожденными;
• умный дом.

Во всех этих приложениях точка доступа (access point, AP) охватывает сотни или даже тысячи устройств — датчиков или контроллеров, которые время от времени передают короткие пакеты. Огромное количество станций, борющихся за доступ к каналу, приводит к коллизиям, а использование стандартных пакетов для передачи коротких сообщений увеличивает накладные расходы, обусловленные относительно длинными заголовками пакетов. Несмотря на то, что требуемая совокупная пропускная способность в рассматриваемых сценариях не превышает 1 Мбит/c, все эти особенности снижают эффективность использования канальных ресурсов. Не менее важной проблемой является необходимость снижения энергопотребления, так как датчики, в основном, питаются от батареек.

Широко используемые в промышленности беспроводные устройства IEEE 802.15.4g могут работать от батареи в течение длительного времени, однако дальность и доступные скорости передачи данных очень низкие. Поэтому вторая группа сценариев представляет собой построение транспортной сети связи между датчиками IEEE 802.15.4g и удаленными серверами. Маршрутизаторы IEEE 802.15.4g собирают данные с устройств и ретранслируют их к серверам по сети .11ah. Иными словами, .11ah расширяет область покрытия сети .15.4g. Кроме того, так как скорости IEEE 802.15.4g недостаточны для передачи видеопотоков, IEEE 802.11ah также может быть использован в этих сценариях для передачи изображения с камер наблюдения.

Высокая пропускная способность и большая область покрытия делают S1G привлекательным для увеличения области покрытия точки доступа Wi-Fi и для снижения загрузки мобильных сетей (mobile traffic offloading), что является успешным решением проблемы операторов связи, возникшей в связи с постоянно возрастающим объемом мобильного трафика. Хотя в сетях .11n и .11ac скорости передачи данных сравнимы со скоростью передачи данных в сети LTE (или даже еще выше), эти технологии едва ли могут быть использованы для разгрузки мобильных сетей вне помещений из-за малого радиуса радиовидимости. В отличие от них, IEEE 802.11ah будет весьма полезен, особенно в странах с широким доступным каналом S1G, например, США.

Таблица ниже содержит основные требования описанных выше сценариев использования:

Физический уровень

Изучив регулирование в диапазоне S1G в различных странах, TGah столкнулся с двумя проблемами.

Первая проблема заключается в том, что полосы, доступные в S1G для промышленной, научной и медицинской связи, различаются в зависимости от страны. Текущая версия проекта стандарта определяет, какие каналы должны быть использованы в Соединенных Штатах, Европе, Японии, Китае, Южной Корее и Сингапуре.

Вторая проблема заключается в дефиците свободных частот. Поэтому каналы, используемые в .11ah, в 10 раз уже, чем в .11ac (одном из последних дополнений к стандарту Wi-Fi): 1, 2, 4, 8 и 16 МГц (Только 1 и 2 МГц являются обязательными). Более того, физический уровень стандартa IEEE 802.11ah унаследован от .11ac и адаптирован к доступным полосам S1G.

Для каналов >= 2 МГц СКК представляют собой в 10 раз замедленные СКК стандарта .11ac, то есть, длительность OFDM символов в .11ah в 10 раз больше, чем в .11ac, в то время как количество поднесущих в каналах .11ah то же, что и в соответствующих каналах .11ac. Например, оба канала — 2 МГц в .11ah и 20 МГц в .11ac — содержат 64 поднесущих, из которых только 52 передают данные. Для канала 1 МГц общее число поднесущих в два раза ниже, но только 24 из них (что меньше, чем 52/2) передают данные.

.11ah наследует от стандарта .11ac 10 СКК (называемые MCS0, ..., MCS9) с различными скоростями и надежностью. Чтобы расширить радиус действия канала 1 МГц, стандарт определяет новую СКК MCS10, которая представляет собой не что иное, как модификацию MCS0 с двукратным повторением, повышающим надежность передачи. Предварительные исследования показывают, что, благодаря MCS0, вне помещений .11ah позволит передавать данные в канале 1 МГц на мощности 200mW на расстояние, существенно превышающее 1 км.

Доступные скорости передачи данных для различных каналов и СКК перечислены в таблице ниже:



Приведенные скорости могут быть улучшены за счет уменьшения длительности символа OFDM и использования нескольких пространственных потоков (MIMO).

Так, продолжительность обычного символа OFDM в сетях .11ah составляет 40 мкс, 20% из которых представляет собой защитный интервал, содержащий избыточные данные и предотвращающий межсимвольную интерференцию. IEEE 802.11ah позволяет в два раза укоротить защитный интервал, что на 11% увеличивает скорость передачи данных.

Станции IEEE 802.11ah могут использовать до 4-х пространственных потоков. Как известно, N пространственных потоков в N раз увеличивают скорость передачи данных. Таким образом, максимальная скорость передачи данных в сетях .11ah достигает почти 350 Мбит/c. Однако 350 Мбит/c – это максимальная скорость передачи данных, измеренная на физическом уровне. На самом деле, если не менять протоколы канального уровня, то скорость передачи данных, скажем, на сетевом уровне будет существенно меньше.

Почему это происходит и как TGah изменила протоколы канального уровня, чтобы снизить протокольные потери, будет рассказано в следующей статье.