Еще в те времена, когда полоса 5 ГГц была открыта для не лицензированного использования Wi-Fi, многие предсказывали гибель 2,4 ГГц. Полоса 5 ГГц обеспечивает гораздо более высокие скорости передачи данных благодаря увеличенной полосе пропускания, доступной на более высокой частоте. Были введены каналы диапазоном до 160 МГц (и индустрия рассматривает возможность внедрения каналов с частотой 320 МГц), тогда как вся полоса 2,4 ГГц имеет диапазон всего около 80 МГц.
Поскольку FCC и другие регулирующие органы стремятся открыть полосу 6 ГГц для использования Wi-Fi, нет никаких сомнений в том, что потребительский аппетит к более высокой пропускной способности и более высокой скорости будет удовлетворяться на более высоких частотах. Тем не менее, устройства Интернет вещей (IoT) не заботятся о пропускной способности.
С относительно небольшим количеством передаваемой информации, потребление энергии является их основным фокусом. В конце концов, затраты на оплату труда, связанные с заменой аккумуляторов миллионов или миллиардов устройств IoT, установленных на каждом мыслимом продукте, чрезмерно высоки.
Чтобы сберечь энергию и продлить срок службы батареи, активные датчики пытаются сократить время передачи, поскольку их усилитель мощности потребляет больше энергии, чем что-либо еще в системе. Они также уменьшают мощность передачи (дальность) по мере увеличения потребляемой мощности с выходной мощностью радиостанции.
Таким образом, сети IoT предпочитают более низкие частоты, которые распространяются дальше. Как правило, они полагаются на распределенную (mesh) архитектуру, чтобы гарантировать, что данные достигнут ближайшего приемника, который передаст эти данные следующему. И они предпочитают избегать абсолютно ненужных повторных передач, поскольку они ускоряют разрядку аккумулятора.
Повторные передачи и помехи
Зачем устройству IoT повторная передача данных? Оно должно было бы повторить передачу, если отправленный пакет не достигает своего адресата. Если это происходит из-за того, что адресат находится слишком далеко, это просто плохое проектирование и настройка сети. Скорее всего, пакеты будут потеряны из-за помех.
Диапазон 2,4 ГГц чрезвычайно перегружен точками доступа Wi-Fi и другими устройствами, излучающими энергию (рисунок ниже). Тем не менее, методы скачкообразной перестройки частоты, выбора канала, модуляции, сигналов, исправления ошибок на уровне протокола и других механизмов предназначены для противодействия влиянию помех. Тем не менее, ни один из этих методов не поможет, если источник помех слишком силен.
Регуляторы накладывают ограничения на максимальные уровни мощности, которые устройство может излучать в нелицензированных (ISM) диапазонах. Это сделано именно для того, чтобы избежать монополизации спектра одним устройством (и чтобы устройство не «зажарило» нас, людей). Таким образом, внешние помехи, хотя они, безусловно, существуют и потенциально могут налагать свой отпечаток на качество сигнала, — это именно то, для чего предназначены устройства интернет вещей.
Но что происходит, когда приемник (как правило, IoT-концентратор или IoT-хаб) получает энергию прямо в своей антенне? Это было бы равносильно тому, что вы кричите, пытаясь услышать шепот издалека, но вы не сможете услышать шепот. Но зачем кому-то «кричать» в «ушах» IoT-хаба? Концентраторы IoT могут быть автономными устройствами, но, скорее всего, они будут интегрированы в точки доступа Wi-Fi, чтобы избежать необходимости в отдельной проводке.
BLE, Zigbee и другие протоколы связи
Проверьте рынок. Все крупные поставщики корпоративных Wi-Fi имеют приемники BLE (Bluetooth Low Energy), интегрированные в их портфель продуктов. И все основные поставщики услуг развертывают точки доступа Wi-Fi, которые включают в себя приемники IoT в форме радиомодулей BLE или Zigbee. Это также относится к потребительским решениям, таким как Google Wi-Fi.
Да, при передаче по Wi-Fi на частоте 2,4 ГГц приемник IoT насыщается. Неважно, что радиопередатчик интернет вещей работает на другом канале или что оно применяет любые другие методы предотвращения помех. Это насыщение. Период. Любые входящие данные будут потеряны, и отправляющее информацию устройство IoT должно будет повторно передать ее. Это проблема? Может быть нет, если у вас есть один датчик уровня канализации в выгребной яме. Но если IoT применяется в сложных системах автоматизации дома, промышленных предприятий и в том, что называется промышленные интернет вещей (IIoT), это будет серьезной проблемой.
На самом деле, помехи между Wi-Fi и Bluetooth уже являются серьезной проблемой. Сегодня это наиболее заметно, когда потоковое аудио на основе Wi-Fi и Bluetooth пытается сосуществовать. Wi-Fi 2,4 ГГц регулируется до абсолютной минимальной пропускной способности при использовании совмещенного приемника Bluetooth. И это, вероятно, будет растущей проблемой, поскольку устройства персонального помощника будут дублироваться как «удлинители» Wi-Fi, или когда точки доступа Wi-Fi будут более распространенными в автомобилях, где водитель в значительной степени полагается на потоковую передачу звука Bluetooth, при разговоре по гарнитуре.
Гашение собственных помех
Есть решение. Оно называется гашением собственных помех. «Собственных» означает, что помеха исходит от локального источника, а не от удаленного. Это важно, потому что метод подавления собственных помех основан на точной копии сигнала помехи, который может быть легко предоставлен, если мы сможем подключить к нему локальный провод. Система «вычитает» этот источник помех из сигнала, поступающего в приемник, чтобы гарантировать, что в приемник попадает только чистый желаемый сигнал (рисунок ниже).
Это не так просто, потому что помехи имеют очень плохую «привычку» меняться, когда кто-то ставит передатчик перед металлическим шкафом или холодильником. Другими словами, помехи, даже локальные, влияют на окружающую среду. Kumu Networks разработала функцию подавления собственных помех, которая предназначена для адаптации к окружающей среде и «подавления» или «вычитания» мешающего шума из желаемого сигнала. Это позволяет Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee и другим протоколам сосуществовать в одной и той же очень узкой полосе 2,4 ГГц, даже если эти радиостанции расположены в одном корпусе.
