Je WiFi vhodné na komunikáciu pre smart home zariadenia?

„WiFi je komunikačný protokol, definovaný podľa noriem IEEE 802.11, ktorý bol vyvinutý na bezdrôtovú komunikáciu medzi zariadeniami.“

WiFi je často jasnou voľbou pre internet vecí (IoT – Internet of Things), ale jeho obmedzenia viedli ku vzniku niekoľko ďalších bezdrôtových protokolov (napr. ZigBee, Z-Wave, Bluetooth a iné) ako aj k pridaniu dvoch nových WiFi špecifikácií, 802.11ah a 802.11ax.

Zariadenia, ktoré majú slúžiť na IoT majú rôzne požiadavky na konektivitu: dosah, rýchlosť prenosu dát, energetická účinnosť a náklady na výrobu zariadenia. Keďže WiFi je najrozšírenejší bezdrôtový protokol na svete s pokrytím takmer kdekoľvek, je logické prečo výrobcovia zariadení IoT volia WiFi pre komunikáciu.

Ale nie vždy je to vhodná voľba. V tomto článku vám vysvetlíme dôležitú úlohu, ktorú môže hrať WiFi ako aj dva nové WiFi štandardy: 802.11ah a 802.11ax.

Dosah

Požiadavky na dosah sa môžu pohybovať od veľmi krátkych vzdialeností (napr. pri prepojení smart hodiniek s telefónom) až po niekoľko kilometrov (napr. meteostanice, zariadenia pre poľnohospodárstvo).

WiFi počas existencie prešiel cez niekoľko úrovní v zlepšení dosahu, ale z pohľadu IoT je vždy obmedzený, keďže vo vnútri budovy dosah môže byť medzi 10-30m (v závislosti od konštrukcie budovy, použitých stavebných materiálov ako aj od vysielacieho výkonu antény).

Rýchlosť prenosu dát

Požiadavky na prenos údajov pre IoT zariadenia sa líšia od malých, prerušovaných užitočných dát (napr. merače spotreby energie, pohybové senzory, spínacie zástrčky), až po veľké množstvá nepretržitých údajov (napr. streamovanie videa alebo vysokokvalitného zvuku v reálnom čase).

WiFi ako protokol je najmä vhodný pri posielaní nepretržitých dát veľkého množstva, keďže frekvencia rádiových vĺn pre WiFi je 2,4GHz alebo 5GHz. Čím väčšia frekvencia, tým viac dát sa prenáša za sekundu, ale na úkor dosahu.

Energetická účinnosť

Došli sme k tej najdôležitejšej otázke: Ako je WiFi energeticky účinná hlavne z pohľadu IoT zariadení? IoT zariadenia síce vyžadujú neustále pripojenie, ale nemusia mať vždy nepretržitý prístup k zdroju energie. Očakáva sa, že zariadenia internetu vecí budú energeticky úsporné, niekedy až do takej miery, že dokážu na jednu gombíkovú batériu fungovať až niekoľko rokov.

A práve tu je problém. Keď WiFi ako štandard sa ratifikoval, nikto neriešil spotrebu energie pri komunikácii. Vtedy IoT zariadenia v takej miere, ako to poznáme dnes, ešte neexistovali.

WiFi je energetický náročný protokol a nie je najvhodnejší pre IoT zariadenia, hlavne pre tie, ktoré sa musia napájať batériami.

Možno sa to zmení dobou, keďže vývoj batériových technológií je neustály, ale konkurenčné bezdrôtové protokoly sa tiež vyvíjajú.  A to je len jedna z nevýhod WiFi v porovnaní s konkurenčnými technológiami pre IoT.

Medzi ďalšie faktory, ktoré ovplyvňujú používanie technológií pripojenia IoT, patria:

1. Náklady na vývoj a výrobu zariadení a podpora infraštruktúry

2. Jednoduchosť nasadenia, uvedenia do prevádzky a ovládanie

3. Spoľahlivosť a bezpečnosť

4. Škálovateľnosť

Technológie pripojenia IoT

Na bezdrôtovú komunikáciu IoT zariadení sa vyvinulo množstvo štandardizovaných (Bluetooth, ZigBee, Z-Wave, Thread, EnOcean) ako aj uzavretých (do nedávna každý výrobca mala vlastné: Chacon, DSC, Jablotron,…) technológií / protokolov.

Každý protokol má svoje výhody a obmedzenia. Tie najdôležitejšie výhody jednotlivých protokolov v porovnaní s WiFi sú:

Úloha WiFi v IoT

Ako sme vám písali v článku vyššie, WiFi alebo 802.11 je bezdrôtový protokol, ktorý bol originálne vytvorený s cieľom nahradiť Ethernet (káblová sieť) pomocou bezdrôtovej komunikácie cez nelicencované pásma 2,4GHz a neskôr 5GHz.

Jeho cieľom bolo poskytnúť bezdrôtové pripojenie na krátku vzdialenosť s jednoduchou implementáciou, jednoduchým použitím a s interoperabilitou medzi výrobcami.

Pri minimálnych  nákladoch sa nekládol dôraz na energetickú účinnosť, keďže očakávaným využitím pri vzniku bola hlavne komunikácia medzi stolovými počítačmi.

Vzhľadom na dlhú existenciu, neustálemu vývoju WiFi technológie a širokej dostupnosti WiFi, veľa výrobcov pre svoje IoT zariadenia zvolí práve technológiu WiFi.

Výhody a nevýhody WiFi v IoT

Použitie WiFi štandardu 802.11a / b / g / n / ac pre IoT zariadenia má nasledovné hlavné výhody a nevýhody:

Na elimináciu niektorých nedostatkov organizácia IEEE uviedol špecifikácie 802.11ah (WiFi HaLow) a 802.11ax (HEW):

WiFi HaLow (802.11ah)

Technológia WiFi HaLow je založená na štandarde IEEE802.11ah, ktorá bola ratifikovaná v októbri 2016. Technológia bola zavedená konkrétne na riešenie problémov týkajúcich sa dosahu a výkonu IoT zariadení založených na báze WiFi.

Štandard 802.11ah používa nelicencované frekvenčné pásmo 902-928 MHz (USA) a 863-868 MHz (EU) na poskytovanie rozšíreného dosahu s nízkymi požiadavkami na energiu. Spotreba energie sa ďalej optimalizuje pomocou preddefinovaných intervalov zobudenia a uspania a dosah signálu sa môže vyšplhať aj na viac ako jeden kilometer. Štandard umožňuje zoskupenie staníc pre minimalizáciu interferencie pre vylepšenie dosahu.

Má to však jeden háčik. Štandard 802.11ah vyžaduje špecializované bezdrôtové prístupové body (alebo rádiá vo vnútri prístupových bodov) ako aj nový hardvér vo vnútri IoT zariadení. Práve preto aj keď bol protokol ratifikovaný ešte v októbri 2016, výrobcovia IoT zariadení nemali záujem, čo sa prejavilo v skutočnosti, že bežní ľudia o protokole ani nepočuli.

HEW (802.11ax)

Nadchádzajúci štandard nazývaný ako Vysokovýkonná bezdrôtová technológia (HEW –  High Efficiency Wireles) (ratifikovaná pod IEEE 802.11ax) pridáva množstvo funkcií špecificky určené pre internet vecí.

Rovnako ako predchádzajúci štandard 802.11ah, aj IEEE 802.11ax podporuje funkcie cielených intervalov zobudenia a funkcie zoskupovania staníc, ktoré pomôžu IoT zariadením byť energeticky úsporný a vyhýbať sa interferenciám.

Okrem týchto funkcií však HEW podporuje aj funkcie:

• viac-kanálové MIMO schopnosti pri posielaní dát
• menšie (78,125 kHz) medzery medzi kanálmi
• simultánne posielanie dát v 40 MHz pásme pre až 18 klientom súčasne

Či technológia HEW bude, alebo nebude úspešná, záleží len na tom, koľko bude stáť vývoj a výroba IoT zariadení podporujúcich protokol IEEE 802.11ax a ako rýchlo dané zariadenia a prístupové body (Access Points) sa rozšíria na trhu.

Zhrnutie

Štandardná WiFi technológia (založená na niektorom zo štandardov 802.11a / b / g / n / ac) v dnešnej dobe nie je najlepšou technológiou pre internet vecí.

Na druhej strane však použitie WiFi technológie pre dané IoT zariadenia má veľký prínos, keďže WiFi technológia je najviac dostupná bezdrôtová technológia na svete.

Medzi typické prípady použitia WiFi ako technológie na komunikáciu patria oblasti:

• automatizácia špecifických funkcií budov a domácnosti
• monitorovanie a správa využitia energie
• vykurovacie systémy
• elektrické zásuvky

Inštitúcia IEEE niekoľko rokov dozadu ratifikovala WiFi HaLow, založený na štandarde 802.11ah, ktorý bol špeciálne navrhnutý pre internet vecí, ale do dnešnej doby sme sa so zariadeniami takej technológie veľmi nestretli, keďže na fungovanie je potrebná samostatná infraštruktúra (v porovnaní so štandardnou sieťou WiFi) a špecializované zariadenia.

Trend vyzerá podobne aj s druhým štandardom v podobe HEW, ktorá síce vyzerá sľubne, avšak v praktickom živote sme sa ešte s týmto zariadením nestretli. Napriek tomu, že niektorí výrobcovia, ako aj samotná inštitúcia IEEE sa snažia technológiu WiFi neustále zlepšovať, existujú efektívnejšie, robustnejšie a rozšírenejšie štandardy, ktoré sú oveľa vhodnejšie pre internet vecí (ako napr. ZigBee, Z-Wave, Bluetooth alebo Thread) a v konečnom dôsledku sú podporované svetovými spoločnosťami (Philips, Legrand, Siemens, Samsung, LG) už dlhé roky.

Chcete vedieť, prečo je ZigBee alebo Z-Wave lepšie pre internet vecí? Prečítajte si naše články: