in English

Architektura Wi-Fi, jej implementacje i aplikacje

Technologia Wi-Fi jest współcześnie wszechobecna. Na Świecie pracuje w tej chwili więcej urządzeń Wi-Fi, niż wynosi populacja Ziemi i ponad połowa ruchu internetowego przechodzi przez sieci Wi-Fi. Niewątpliwie nie doszłoby do tego, gdyby za użytkowaniem Wi-Fi nie stały liczne korzyści. W niniejszym artykule przyglądamy się im, pokazujemy co umożliwia nam Wi-Fi oraz prezentujemy najnowsze urządzenia, które zwiększają korzyści płynące z użytkowania sieci Wi-Fi.

Na wstępie warto wspomnieć o jednej rzeczy, która jest błędnie kojarzona z Wi-Fi. Wbrew popularnej opinii, Wi-Fi nie jest skrótem od „Wireless Fidelity”. W rzeczywistości Wi-Fi nie jest skrótem od czegokolwiek. Jest to marka, wymyślona na potrzeby Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) w 1999 roku, zaraz po tym, gdy grupa ta ustanowiła sobie za cel popularyzację pojedynczego, międzynarodowego standardu szybkich, bezprzewodowych sieci lokalnych. W 2000 roku grupa oficjalnie zaaprobowała nazwę Wi-Fi® i ogłosiła zmianę swojej nazwy na Wi-Fi Alliance.

Ilustracja 1. Logo Wi-Fi Alliance. Źródło: Wikipedia

Dlaczego opracowano Wi-Fi?

Korzenie Wi-Fi sięgają 1985 roku, kiedy to FCC – amerykańska organizacja rządowa, odpowiadająca za regulację rynku telekomunikacyjnego, zdecydowała się udostępnić kilka pasm spektrum radiowego do nielicencjonowanego użytku. Były to tak zwane „pasma śmieciowe”, w okolicach częstotliwości 900 MHz, 2,4 GHz i 5,8 GHz, a więc już wykorzystywane przez sprzęt AGD, taki jak mikrofalówki. Stąd wszelkie próby prowadzenia komunikacji w tych pasmach i tak musiały wiązać się z koniecznością ochrony łącza przed interferencjami powodowanymi przez sprzęt domowy. Rozwiązaniem stało się stosowanie techniki rozpraszania spektrum, która polega na przesyle sygnału z użyciem wielu różnych częstotliwości, zamiast jednej konkretnej. Technika ta czyni sygnał radiowy trudniejszym do wykrycia (a więc i użytecznym w zastosowaniach wojskowych), ale też mniej podatnym na interferencje.

W 1988 roku, NCR Corporation zaczęła badać możliwość wykorzystania nielicencjonowanego pasma radiowego do komunikacji bezprzewodowej pomiędzy kasami w sklepach. Zaproponowali oni organizacji IEEE opracowanie nowego standardu. To właśnie te działania poskutkowały utworzeniem komitetu 802.11 w ramach IEEE. W 1997 roku komitet ten opublikował podstawową wersję nowego standardu komunikacji z przepustowością 2 Mb/s i zastosowaniem techniki rozpraszania widma. W grudniu 1999 roku i styczniu 2000 roku zaproponowano dwie odmiany: 802.11b, pracujące na częstotliwości 2,4 GHz i 802.11a na 5,8 GHz. Dalsze prace nad tą technologią oraz dołączenie do starań kolejnych organizacji spowodowało utworzenie grupy WECA, która przekształciła się w Wi-Fi Alliance, tak jak to zostało opisane wcześniej.

Wi-Fi zaczęło odgrywać ważną rolę na rynku począwszy od 1999 roku, kiedy to firma Apple wprowadziła Wi-Fi pod nazwą AirPort, jako opcjonalny interfejs w swojej nowej rodzinie komputerów iBook. Inni producenci komputerów szybko poszli w jej kroki i Wi-Fi zaczęło się popularyzować wśród zwykłych konsumentów. Do dziś Wi-Fi pozostaje dominującym standardem domowych sieci bezprzewodowych. Gdy szerokopasmowa łączność internetowa stała się powszechna i routery pojawiły się w większości nowoczesnych domów, to właśnie Wi-Fi pozwoliło domownikom na korzystanie z Internetu, niezależnie czy siedzą przy swoich komputerach stacjonarnych, czy też poruszają się po mieszkaniu z tabletem lub smartfonem. Ostatnio, wraz ze wzrostem popularności IoT, sieci Wi-Fi stały się jeszcze bardziej użyteczne, gdyż coraz więcej urządzeń, takich jak Amazon Alexa czy systemy inteligentnego sterowania oświetleniem, korzysta z tej technologii.

Jednocześnie ewoluował też sam standard Wi-Fi. Oprócz dominującego udziału w sieciach domowych i publicznych punktach dostępu do Internetu, stał się też atrakcyjny dla szerokiego rodzaju urządzeń IoT oraz dla twórców rozwijających różnorakie nowoczesne aplikacje. Poniżej przyglądamy się temu rozwojowi, wnikając w architekturę Wi-Fi oraz to, jak zmieniała się w ramach kolejnych rewizji. Możemy z łatwością zobaczyć, jak pokonuje ona pierwotne bariery, które stały na drodze do szerszego stosowania w IoT i jak staje się coraz bardziej atrakcyjna. Następnie zademonstrujemy kilka przykładów modułów Wi-Fi, dostępnych już teraz dla projektantów elektroniki.

Architektura Wi-Fi

Standard IEEE 802.11 definiuje każde urządzenie, czy to komputer, czy smartfon, jako stację
Stacje przenośne i mobilne można od siebie odróżnić
Podstawowy zestaw usług - Basic Service Set (BSS)
Sieci IBSSs i ad-hoc
Połączone ze sobą BSS i system dystrybucji - Distribution System (DS)
Punkty dostępowe
Tworzenie dużych, złożonych sieci poprzez łączenie BSSów i DSów w ESSy (Extended Service Set)
Fundamentalna cecha 802.11: możliwość połączenia sieci bezprzewodowej do istniejących sieci kablowych za pomocą odpowiednich bramek.
Usługi, jakie musza być obsługiwane przez BSSy:

Usługi stacji - Station Services (SS)
Autentykacja
Deautentykacja
Zapewnienie prywatności
Dostarczanie usługi MAC Service Data Unit (MSDU)

Zadania systemu DSS:

Asocjacja
Ponowna asocjacja
Deasocjacja
Dystrybucja
Integracja

Protokół IEEE 802.11

Protokół 802.11 bazuje na modelu OSI. Komitet IEEE 802 określił dwie oddzielne warstwy: kontroli łącza na poziomie logicznym (LLC – Logical Link Control) oraz dostępu do medium MAC – Media Access Control) - obie w warstwie łącza danych. Standard IEEE 802.11 określa specyfikację warstwy fizycznej i MAC, które komunikują się z warstwą LCC.

Wszystkie komponenty architektury 802.11 albo podlegają pod warstwę MAC wewnątrz warstwy łącza danych, albo pod warstwę fizyczną.

Ewolucja standardów rodziny IEEE 802.11

802.11

802.11a

802.11b

802.11g

802.11n

802.11ac

Strona internetowa Wi-Fi Alliance prezentuje wiele przyszłych standardów, które znajdują się w trakcie rozwoju. Tu pokazujemy tylko kilka najbardziej interesujących przykładów.

Wi-Fi Agile Multiband – lepsze wykorzystanie zasobów. Obejmuje wiele dalszych standardów, takich jak: 802.11k, 802.11v, 802.11u i 802.11r.

Wi-Fi HaLow – rozwiązanie dalekiego zasięgu i małej mocy, przeznaczone do użycia w aplikacjach inteligentnych domów, łączących się ze sobą pojazdów, cyfrowych systemów monitorowania stanu zdrowia, w przemyśle, handlu detalicznym, rolnictwie i inteligentnych miastach.

Wi-Fi Miracast – pozwala na swobodne przesyłanie treści multimedialnych pomiędzy urządzeniami Miracast.

Porównanie standardów Wi-Fi

Wraz z ewolucją specyfikacji Wi-Fi, jej wydajność, zarówno mierzona pod kątem przepustowości, jak i zasięgu, rosła, zgodnie z poniższa tabelą, opracowaną przez JP Electron:

Ilustracja 2. Porównanie standardów Wi-Fi

W powyższej tabeli zaznaczono poprawioną wydajność standardów 802.11n i 802.11ac względem starszych rozwiązań. Jak widać, różnica jest znacząca i to dzięki niej powstało wiele nowych możliwości zastosowania Wi-Fi tam, gdzie 802.11b i 802.11g nie byłyby wystarczające.

Przykładowo, firma Cisco, korzystając ze standardu 802.11n, osiąga nawet 6-krotnie większą przepustowość w swoich rozwiązaniach, niż przy użyciu technologii w wersjach 802.11a/b/g. Dodatkowo, 802.11n pozwala uzyskać większą niezawodność połączenia, niezwykle istotną w przypadku aplikacji biznesowych i multimedialnych.

Wi-Fi jest bardzo ważne w przypadku smartfonów, które zużywają statystycznie 200 razy więcej danych, niż komórki starszego typu. IEEE 802.11n pozwala obsłużyć rosnącą liczbę nowych urządzeń, przy jednoczesnym obniżeniu całkowitych kosztów posiadania infrastruktury sieciowej i bez pogarszania wydajności sieci.

Wi-Fi Alliance promuje znak Wi-Fi CERTIFIED™ n, który bazuje na standardzie 802.11n i pozwala mieć pewność, że dane urządzenie przeszło rygorystyczne testy i spełnia wymagania tego standardu. Urządzenia z logotypem Wi-Fi CERTIFIED n są w stanie dostarczać 5 razy większej przepustowości i pracować nawet przy dwukrotnie większym zasięgu niż korzystające ze starszej wersji interfejsu. Przepustowość tych rozwiązań jest wystarczająca dla wielu wymagających aplikacji, takich jak słuchanie muzyki, gry komputerowe i oglądanie materiałów wideo i to przy wielu użytkownikach korzystających z sieci jednocześnie.

Produkty z logo Wi-Fi CERTIFIED n obsługują najnowszej generacji zabezpieczenia – WPA2 (Wi-Fi Protected Access), dzięki czemu można mieć pewność, że urządzenia z tym logotypem zapewniają wysoki poziom bezpieczeństwa.

Tymczasem znak Wi-Fi CERTIFIED™ ac bazuje na standardzie 802.11ac, najnowszej już spopularyzowanej generacji Wi-Fi, która pozwala osiągnąć przepustowości na poziomie gigabitów na sekundę. Oznacza to, że umożliwia oglądanie wideo w rozdzielczościach Ultra HD lub 4K, przesyłanie plików multimedialnych oraz szybkie przekazywanie innych materiałów do tabletów, urządzeń z grami itd. Logo Wi-Fi CERTIFIED ac oznacza też lepsze zarządzanie mocą i mniejsze opóźnienia, dzięki czemu pozwala sprawniej obsługiwać obecne aplikacje i tworzy pole do popisu dla twórców nowych rozwiązań, zarówno domowych, jak i korporacyjnych.

Nowopowstające rozwiązania sprawiają, że Wi-Fi staje się świetnym medium komunikacyjnym dla szerokiej grupy produktów IoT i idealnie sprawdzi się do przekazywania danych z sensorów przez routery aż do Internetu. Mniej więcej rok temu Wi-Fi Alliance ogłosiło nowszą wersję standardu: 802.11ah i nazwało ją „HaLow™”. I o ile certyfikacja pod kątem zgodności z tym standardem nie będzie dostępna jeszcze do 2018 roku, na rynku już teraz zaczęły pojawiać się produkty które spełniają wymagania nowej specyfikacji. HaLow zostało opracowane specjalnie pod kątem aplikacji IoT i pracuje na częstotliwości 900 MHz, a do tego jest zoptymalizowane pod kątem przesyłu małych pakietów danych z urządzeń o małym poborze mocy – np. z sensorów IoT. Pod tymi względami bardzo przypomina więc takie energooszczędne technologie, jak Bluetooth, ale na tym kończą się podobieństwa.

Oprócz tego, że HaLow łączy się bezpośrednio z Internetem, co odróżnia ten standard od niektórych innych interfejsów, ma też znacznie większy zasięg. Niektóre szacunki wskazują, że może on sięgać nawet kilometra, podczas gdy większość innych rozwiązań niskiej mocy jest ograniczone do 100 m czy nawet mniej. HaLow jest także bardziej odporne na trudne warunki środowiskowe, ponieważ korzysta z niskiej częstotliwości, która łatwiej przenika przez bariery, takie jak liczne ściany z betonu, które obecnie skutecznie blokują sygnały Wi-Fi.

HaLow to idealne rozwiązanie do łączenia sensorów, które wymagają jednocześnie małego poboru mocy, a przy tym długiego zasięgu transmisji. Co więcej, obecnie istniejące standardy komunikacji (w tym najnowszy komercyjnie dostępny 802.11ac Wave 2) również mogą posłużyć do łączenia elementów IoT, ale wymagających większej przepustowości. Dobrze sprawdzą się w aplikacjach zdalnego monitoringu i sterowania. Oznacza to, że możliwe staje się tworzenie urządzeń wspierających wiele odmian Wi-Fi i pracujących nie tylko zgodnie z HaLow na 900 MHz, ale też w pasmach 2,4 GHz i 5 GHz.

Wi-Fi i Internet Rzeczy

Co do zasady, obsługa Wi-Fi może zostać zaimplementowana w urządzeniach wykorzystywanych w przemyśle, transporcie, systemach miejskich i innych aplikacjach IoT, a nie tylko w sieciach domowych. W przypadku poszczególnych rozwiązań liczą się inne priorytety. Czasem jest to szybkość transmisji, czasem zasięg, a bywa że i pobór mocy czy koszt. Niewielkie wymiary, szybkie nawiązywanie połączenia i wysoka skalowalność mogą również mieć znaczenie. Poniżej prezentujemy, jak rozwiązano te kwestie w przypadku Wi-Fi.

Niski koszt:

Dawniej wysoki koszt układów Wi-Fi znacznie zmalał ze względu na istotny wzrost produkcji tych podzespołów.
Duża funkcjonalność - bezpieczeństwo, zarządzanie mocą, niezawodność oraz dostępne sprawdzone firmware i sterowniki czynią to rozwiązanie bardziej opłacalnym.
W niektórych przypadkach interfejs Wi-Fi jest zintegrowany z mikrokontrolerami.

Niski pobór mocy:

Tańsze i bardziej energooszczędne rozwiązania bazują na 802.11n i 802.11ac i wykorzystują np. pojedyncze strumienie danych.
Stosowane układy scalone są wykonywane w nowoczesnych procesach technologicznych, pozwalających uzyskać mały pobór mocy.

Niewielkie wymiary:

Nowoczesne procesy powodują, że całe rozwiązania są nie tylko małe, ale też mogą być odporne na niekorzystne warunki pracy.

Krótki czas nawiązywania połączenia:

O ile w starszych wersjach standardu był to problem, w 802.11ai rozwiązano tę kwestię.

Duża skalowalność:

Wi-Fi może stanowić medium komunikacyjne dla aplikacji złożonych nawet z dziesiątek milionów węzłów, rozmieszczonych na bardzo dużej przestrzeni, zarówno dzięki dużemu zasięgowi komunikacji pomiędzy węzłami, jak i poprzez zastosowanie odpowiednich topologii.

Oprócz powyższych czynników znaczenie mają też pozostałe, korzystne cechy technologii Wi-Fi, takie jak komunikacja bazująca na protokole IP, bezpieczeństwo, łatwość zapewnienia spójności sieci oraz możliwość wykorzystania obecnej infrastruktury i dosyć swobodnego wyboru pasma radiowego pracy.

Wdrażanie Wi-Fi w aplikacjach IoT

Wi-Fi powstało by zapewnić urządzeniom mobilnym, takim jak laptopy, telefony i tablety, łatwy sposób na łączenie się z Internetem. Jednakże wszystkie te urządzenia zawierają wyświetlacz i klawiaturę. To dzięki nim proces nawiązywania pierwszego połączenia i zapewniania bezpieczeństwa był prosty. Tymczasem w przypadku urządzeń IoT, takich jak sensory, sprawa nie jest taka prosta. Nie mają one ani wyświetlacza ani klawiatury.

Jednym z rozwiązań jest skorzystanie z Wi-Fi Protected Setup (WPS) – jedynym obecnie dostępnym standardem podłączania urządzeń nieposiadających wyświetlacza do sieci Wi-Fi. Został on wprowadzony przez Wi-Fi Alliance w 2006 roku, jako łatwa i bezpieczna metoda łączenia bez konieczności pamiętania i wpisywania długich haseł. Standard ten definiuje dwie obowiązkowe metody do użycia przez punkty dostępowe go obsługujące: z użyciem numeru PIN, lub poprzez naciśnięcie przycisku (PBC).

Oczywistą wadą rozwiązania z PINem jest to, że nie będzie ona działać na urządzeniach bez wyświetlaczy i choćby numerycznych klawiatur. Natomiast w metodzie PBC należy nacisnąć przycisk zarówno na punkcie dostępowym i podłączanym urządzeniu. Po naciśnięciu na pierwszym z nich, drugie ma dwie minuty na swobodne nawiązanie połączenia.

Przykłady podzespołów do Wi-Fi

Aby stworzyć sieć Wi-Fi konieczne jest użycie określonych komponentów sprzętowych, niezależnie czy podłączane mają być laptopy, telefony komórkowe, czy sensory IoT. Podzespoły te można podzielić na dwie kategorie: adaptery Wi-Fi pozwalające urządzeniom na łączenie się z siecią oraz punkty dostępowe, które pośredniczą w komunikacji pomiędzy Wi-Fi a Internetem. Poniżej podano kilka praktycznych przykładów wdrożenia tych funkcji.

Bezprzewodowe adaptery sieciowe

Dziś obsługę bezprzewodowego interfejsu sieciowego można już zintegrować wewnątrz mikrokontrolera, ale wielu producentów dostarcza oddzielne układy do zlutowania, lub nawet moduły USB, które najłatwiej podłączyć do urządzenia. Poniżej kilka przykładów:

Texas Instruments CC3220 – układ scalony, zawierający zintegrowany rdzeń mikrokontrolera ARM Cortex-M4 i kontroler sieci 802.11bgn.

Stworzony z myślą o Internecie Rzeczy, SimpleLink CC3220 to tak zwany bezprzewodowy mikrokontroler, w którym zintegrowano wydajny rdzeń ARM Cortex-M4, dzięki czemu możliwe jest przygotowanie kompletnego urządzenia w oparciu o jeden układ scalony. Wbudowana obsługa Wi-Fi, możliwość komunikacji z Internetem i wsparcie protokołów bezpieczeństwa sprawiają, że projektant nie musi mieć doświadczenia w rozwijaniu produktów z Wi-Fi, by szybko zacząć prace. CC3320 to kompletna platforma, wraz z którą dostarczane jest oprogramowanie, przykładowe aplikacje, narzędzia, podręczniki, projekty referencyjne oraz wsparcie ze strony społeczności TI E2E™. Układ jest dostępny w obudowie QFN.

Warto wspomnieć też o zestawie deweloperskim SimpleLink Wi-Fi CC3220 LaunchPad, przeznaczonym do testowania rozwiązań opartych o CC3220. Zawiera on wbudowany układ FTDI oraz sensory, dzięki czemu można go bezpośrednio i szybko podłączyć do komputera PC i od razu korzystać z bogatych możliwości za pomocą takich środowisk jak Code Composer Studio™ i IAR Embedded Workbench.

Ilustracja 3. Zestaw Deweloperski CC3220SF-LAUNCHXL Zestaw Deweloperski

Adapter USB LM Technologies LM808 Wi-Fi 433 Mbps

Moduł ten pozwala na szybkie dodanie obsługi Wi-Fi 802.11ac i a/b/g/n poprzez interfejs USB.

Ilustracja 4. Adapter USB LM808 Wi-Fi 433 Mbps Adapter USB LM808 Wi-Fi 433 Mbps

Moduł GainSpan GS1011MEP Wi-Fi

Pozwala producentom urządzeń na dodanie obsługi Wi-Fi do ich produktów. Obsługuje dwa porty UART i dwa SPI. Pobiera bardzo mało mocy.

Ilustracja 5. Moduł Wi-Fi GS1011

Moduł Wi-Fi GS1011

Punkty dostępowe

Punkty dostępowe służą do przenoszenia ruchu z sieci Wi-Fi o względnie krótkim zasięgu na większe dystanse – a więc do Internetu. Za łącza długodystansowe może posłużyć Ethernet przewodowy, sieci komórkowe, albo inne protokoły bezprzewodowe, takie jak np. LoRaWAN. Punkty dostępowe mogą pełnić rolę modemów, routerów lub bramek. Modemy są zazwyczaj połączone za pomocą interfejsu szeregowego do pojedynczego urządzenia, podczas gdy routery pozwalają wielu urządzeniom na dzielenie połączenia internetowego. Bramki to najczęściej urządzenia bardziej złożone, na których pracują pełnoprawne systemy operacyjne, takie jak Windows lub Linux.

Bramka Avnet VT-SK-001-A01 Wi-Fi/Bluetooth

Dostarczany przez Avnet zestaw VT-SK-001-A01 służy do ewaluacji rozwiązań Visible Things – platformy dla firm rozwijających najbardziej nowoczesne aplikacje IoT. Stanowi ona połączenie sprzętu i oprogramowania wbudowanego, które pozwala podłączać inteligentne sensory do chmury. Zestaw zawiera płytki STM7F746 ARM Cortex-M7 WIFI/BT i Silicon Labs BGM111, z czego ta druga ma liczne czujniki i interfejs Bluetooth. Płytka pełniąca rolę bramki odpowiada za całą komunikację z chmurą poprzez Wi-Fi oraz z płytką czujnikową, zgodnie ze standardem Bluetooth Smart. Ta druga zawiera m.in. czujnik ruchu, temperatury i wilgotności oraz światła i zbliżeniowy. W zestawie znalazła się także zintegrowana antena oraz kabel ze złączem mini-USB. Dodatkowo dostępny jest moduł GSM z wbudowaną kartą SIM, lub złączem na kartę SIM, które umożliwiają komunikację z chmurą poprzez sieć komórkową.

Ilustracja 6. Bramka Avnet WIFI/BT Dual Mode GatewayBramka Avnet WIFI/BT Dual Mode Gateway

Zestaw Digi International XKA2C-Z7T-W Development kit: z ZigBee do Wi-Fi

W istocie jest to raczej bramka ZigBee niż Wi-Fi, ale pozwala rozszerzyć komunikację Wi-Fi o obsługę ZigBee.
Pozwala inżynierom łączyć sieci ZigBee z Internetem dostępnym przez Wi-Fi za pomocą bramek XBee.

Ilustracja 7. Zestaw deweloperski ZigBee to Wi-FiZigBee to Wi-Fi zestaw deweloperski

Podsumowanie

Wi-Fi zaczęło zyskiwać popularność w 1999 roku, gdy Apple wykorzystało ten interfejs w komputerach iBook do łączenia ich z Internetem. Była to odpowiednia technologia, która pojawiła się w odpowiednim czasie, gdyż właśnie wtedy na świecie dynamicznie popularyzował się szybki, szerokopasmowy, domowy dostęp do Internetu.

Od tego czasu popularność interfejsu rosła, a on ewoluował, stając się nie tylko wszechotaczający, ale też oferując wiele różnych odmian, dopasowanych do szerokiego rodzaju aplikacji – znacznie szerszego, niż początkowo planowano.

Opisywanie wszystkich tych wariantów wykracza poza zakres tego artykułu, ale można je znaleźć na stronie internetowej Wi-Fi Alliance.

Ponieważ Wi-Fi jest w stanie spełniać potrzeby prostszych, jak i bardziej wymagających aplikacji, kompletne sieci mogą składać się z różnych podsieci Wi-Fi. Będzie to szczególnie korzystne rozwiązanie w przypadku systemów IoT, gdzie Wi-Fi może zarówno służyć jako interfejs komunikacyjny pomiędzy sensorami i aktuatorami, jak i do łączenia bramek z Internetem.

Popularność standardu wynika również z łatwości dostępu do niego oraz szerokiego wyboru zestawów deweloperskich, zarówno na potrzeby tworzenia urządzeń końcowych sieci, jak i punktów dostępowych.