Низкочастотный Wi-Fi для Интернета вещей

В последние годы технологии Интернета вещей стремительно развиваются, и вместе с ними растут требования к применяемым ими технологиям беспроводной связи: тысячи «умных» устройств — от заводских датчиков до городских сенсоров — должны обмениваться данными как на близкие, так и на дальние расстояния быстро, надежно и энергоэффективно. Для решения этих задач в 2016 году был представлен новый стандарт Wi-Fi – IEEE 802.11ah, названный Wi-Fi HaLow. Для адаптации под требования приложений Интернета вещей Wi-Fi HaLow работает в субгигагерцовом диапазоне частот (~900 МГц), что позволяет увеличить радиус распространения до нескольких километров, поддерживает одновременное подключение более восьми тысяч устройств и предлагает новые механизмы для быстрой, надежной и энергоэффективной передачи данных.

Коллектив Лаборатории беспроводных сетей активно исследует ключевые механизмы Wi-Fi HaLow — окно ограниченного доступа (от англ.: Restricted Access Window, RAW), пробуждение по расписанию (от англ.: Target Wake Time, TWT) и механизмы быстрого присоединения (от англ.: Distributed Authentication Control, DAC и Centralized Authentication Control, CAC). С помощью механизма RAW сенсоры могут передавать данные внутри специально выделенных интервалов времени, недоступных для передач остальных устройств. Такое обособление помогает сенсорам передавать данные быстрее и надежнее. С помощью механизма TWT вне этих интервалов сенсоры могут переходить в «спящий режим» для экономии энергии. Оптимизация расписаний таких интервалов, их длительности, а также распределение сенсоров по группам является нетривиальной задачей. Сотрудники Лаборатории решили ее с помощью методов математического моделирования и нашли параметры механизмов RAW и TWT, обеспечивающие наилучшие показатели метрик – например, средней задержки, энергопотребления или их квантилей – при заданном ограничении на долю занятого канального времени. Полученные результаты могут использоваться производителями как практические рекомендации по развертыванию сетей Wi-Fi HaLow и настройке механизмов TWT и RAW.

Отдельно остановимся на проблеме присоединения к сети. Несмотря на то, что в сетях Интернета вещей часто присутствует большое количество устройств, точка доступа может управлять передачами данных в сети при помощи эффективного расписания, распределяя передачи при помощи механизмов TWT и RAW. Проблема возникает в случае, если, например, точка доступа перезагрузится, и все устройства одновременно должны будут начать подключение к сети. В такой ситуации точка доступа еще ничего не знает о станциях, поэтому не может составить явное расписание для их передач. Для решения этой проблемы в стандарте Wi-Fi HaLow представлены механизмы CAC и DAC, однако стандарт не регламентирует, как использовать данные механизмы, какие выбирать параметры в зависимости от сценария. Для решения данной проблемы сотрудники Лаборатории исследовали данные механизмы, сценарии их применимости, а для механизма CAC также разработали адаптивный алгоритм управления процессом присоединения, способный эффективно обслуживать любое количество присоединяющихся устройств.

Отметим, что решения, разработанные на основе методов математического моделирования, перед реализацией в пользовательских устройствах требуют проверки на реальном оборудовании. В настоящее время сотрудники Лаборатории занимаются практической реализацией и оптимизацией механизма RAW на реальных устройствах, а также работают над синтезом полученных теоретических и практических знаний.