Как выбрать беспроводную технологию

Педер Ранд (Peder Rand)

Великолепные идеи для устройств, подключённых к облакам, появляются каждый день. Выбор правильной беспроводной технологии для связи вашего устройства с сетью Интернет может оказаться непростой задачей на фрагментированном рынке стандартов и технологий. Положительный момент заключается в том, что выбор приемлемых вариантов для вашей системы ежегодно увеличивается. Эта статья помогает выбрать верное направление на основании некоторых фундаментальных свойств используемых технологий.

Инфраструктурные устройства

Устройства, функции которых естественным образом принадлежат дому/зданию/объекту, а не человеку, являются инфраструктурными устройствами. Мы можем их условно разделить на относящиеся к инфраструктуре дома/здания и относящиеся к инфраструктуре вне зданий, ввиду разных требований к дальности действия этих двух видов устройств.

Вы можете рассчитывать на зону охвата Wi-Fi и доступ в Интернет через эту сеть? Если да, то обычно Wi-Fi — самый простой и дешёвый способ подключить ваше устройство к сети Интернет. В настоящее время имеются наборы микросхем Wi-Fi, которые в некоторых системах могут проработать год на двух батарейках типа AA, например семейство SimpleLink Wi-Fi CC3200/CC3100, разработанное корпорацией Texas Instruments. Преимущество Wi-Fi перед другими рассматриваемыми далее протоколами в том, что он может обеспечить очень высокую пропускную способность, когда это требуется, по умолчанию поддерживает все популярные протоколы Интернета и обеспечивает безопасное соединение. Рассмотрим, например, систему дверного видеозвонка, в которой устройство обычно бездействует, но пару раз за день должно подключаться к сети Интернет и отправлять видеосигнал на ваш телефон, чтобы показать, кто стоит у двери. Любая система, работающая от батареек более шести месяцев, вероятно, будет приемлемой, и обычно такие системы продаются как автономные, не требующие взаимодействия напрямую с другими устройствами в доме. Так как идентификационные данные конечного пользователя Wi-Fi известны при производстве вашего устройства, вам нужно найти продуманный способ конфигурирования сетевых настроек Wi-Fi для конечного пользователя. Наиболее широко распространённым способом для устройств «Интернета вещей» (IoT) является использование режима точки доступа, когда узел IoT сначала конфигурируется как точка доступа, которую вы можете использовать для подключения своего телефона и конфигурирования. После того как закончена конфигурация с идентификационными данными локальной сети Wi-Fi, устройство перезагружается в режиме станции и подключается к локальной сети. Этот процесс требует нескольких этапов, включая отсоединение телефона пользователя от локальной сети. Другим широко распространенным вариантом является использование безопасной настройки Wi-Fi (WPS) либо с помощью кнопки, либо с помощью персонального идентификационного кода. Такой подход проще для пользователя, но требует поддержки WPS в маршрутизаторе Wi-Fi и доступа к маршрутизатору. Также имеется широкий спектр фирменных, или даже внеполосных, способов выделения ресурсов.

Если вы не можете рассчитывать на зону охвата Wi-Fi или в вашей сети есть устройства, имеющие слишком сильные ограничения по энергопотреблению для Wi-Fi, вам следует поискать альтернативы. Есть ли в вашей сети узлы, питающиеся от электросети, которые распределены по всему дому, помимо узлов с ограниченным энергопотреблением? Примером может служить сеть освещения. В этом случае вам следует рассмотреть малопотребляющую ячеистую сеть с частотой 2,4 ГГц, такую как ZigBee или 6LoWPAN. Их преимущество в том, что они способны поддерживать узлы с очень ограниченным энергопотреблением, охватывая при этом весь дом или здание в ISM-диапазоне 2,4 ГГц, который используется во всём мире (диапазон для промышленного, научного и медицинского оборудования).

Использовать 6LoWPAN или не использовать 6LoWPAN?

Решение использовать или не использовать IPv6-адресацию вплоть до малопотребляющих конечных узлов (6LoWPAN) зависит от того, сколько интеллектуальности вы хотите иметь в своём шлюзе, и от возможностей конечных устройств.

Если ваш шлюз имеет полный набор устройств прикладного уровня в сети и их функций, а также шифрует и дешифрует все сообщения, то 6LoWPAN не имеет большого смысла. Обычно это имеет смысл, если вы строите сеть, которая должна продолжать функционировать, когда соединения с сетью Интернет нет. К таким сетям относятся сети освещения или автоматизации дома, от которых ожидают, что выключатели освещения и функции аварийной сигнализации будут работать, даже если соединения с сетью интернет нет. Тогда шлюз должен демонстрировать всю полноту сетевых функциональных возможностей для облачного сервера с интерфейсом для конкретного приложения.

 Интеллектуальность приложений в облаке

Рисунок 1. Интеллектуальность приложений в облаке

С другой стороны, если услуга, которую предоставляет ваша сеть, не имеет большой ценности без соединения с сетью Интернет, вы можете использовать 6LoWPAN с намного более простым приложением в вашем шлюзе и заставить его просто передавать сообщения между вашими конечными узлами и сетью Интернет, почти так же, как это делает ваш маршрутизатор Wi-Fi. Преимущество заключается в том, что аутентификация и шифрование могут быть сквозными для всего тракта, так что данные не нужно дешифровать и вновь шифровать в шлюзе. Это означает, что шлюз не должен быть доверенной стороной в вашей прикладной системе, и в будущем можно представить себе один шлюз, обслуживающий множество разных прикладных систем от разных поставщиков. Обязанность по установлению соединения https или аналогичного соединения переносится на конечный узел.

 Интеллектуальность приложений в шлюзе

Рисунок 2. Интеллектуальность приложений в шлюзе

Вам нужна функциональная совместимость на уровне приложений?

Возвращаясь к примеру беспроводной сети освещения и выбирая, просто для примера, Wi-Fi, заметим, что стандарт не регламентирует, как осветительный прибор должен устанавливать соединение с сервером или как должно выглядеть сообщение «включить». Это означает, что два осветительных прибора Wi-Fi, вероятно, не будут функционально совместимы на локальном уровне. Невозможно ожидать, что если вы приобретаете выключатель света Wi-Fi от одного поставщика, он будет успешно управлять осветительным прибором от другого поставщика, не прибегая к трансляции через сервер, учитывающий особенности конкретных приложений. ZigBee — один из немногих инфраструктурных протоколов, в котором предпринята попытка обеспечить сертифицированные функционально совместимые продукты на прикладном уровне. Это смелая попытка, и без проблем тут не обошлось, но в некоторых профилях удалось добиться значительной степени адаптации.

Ячеистая или не ячеистая?

Одна из проблем, связанных с ячеистыми сетями, заключается в том, что топология сети сложна и требует выявления маршрута с использованием восстановления, адресации, алгоритмов маршрутизации mesh over или mesh under и механизмов передачи для работы с мобильными узлами, которые физически и топологически перемещаются по сети. Это значительно увеличивает требования к памяти в узлах маршрутизации и существенно усложняет испытание и отладку.

Хорошей альтернативой в сетях с центральным узлом/шлюзом является использование простой топологии типа «звезда» с радиусом действия, охватывающим весь дом/здание. Чтобы получить требуемую зону охвата и обеспечить прохождение малопотребляющей сети через стены и перекрытия, идеально подходят частоты до 1 ГГц. Диапазоны 868 МГц в Европе и 915 МГц в Северной Америке обеспечивают хороший компромисс между прохождением через стены, скоростью передачи данных и требуемым размером антенны для применения внутри помещений. Так, например, строится большинство сетей аварийной сигнализации и обеспечения безопасности.

Новшество заключается в том, что есть устройства, которые поддерживают физические уровни стандартов для работы в диапазоне ниже 1 ГГц на основе IEEE 802.15.4g. Физический уровень модуляции FSK сам по себе не нов. Фактически он, вероятно, относится к самым распространённым физическим уровням малопотребляющих радиосистем, но до сих пор он не был стандартизован для использования в решениях IoT. Преимущество выбора решения на основе стандартов в том, что несколько поставщиков предлагают совместимые решения, что даёт свободу выбора поставщика и даже открывает возможность приобретать элементы аппаратного обеспечения для вашей сети у сторонних поставщиков (например, интернет-шлюз).

Группа Bluetooth SIG сообщила, что добавит в свою версию стандарта 2016 функциональные возможности, которые сделают Bluetooth Smart более подходящим для инфраструктурных приложений, таких как приложения сетей дальнего радиуса действия и ячеистых сетей. Это, вероятно, сделает его претендентом на место в домах и зданиях в будущем.

Наружные установки

Вопросы, рассматриваемые в отношении наружных установок, во многом схожи с теми, что относятся к установкам в помещениях. Можно ли получить требуемый радиус действия при имеющихся энергетических характеристиках? Можно ли воспользоваться преимуществом имеющейся инфраструктуры?

Если вы можете рассчитывать на зону охвата сотовой сети, готовы нести расходы на связь и соответствуете требованиям к энергетическим характеристикам, самым простым способом подключить узел к сети Интернет будет подключение через сотовый модем. Если в вашей сети есть узлы, которые, ввиду стоимости, конструктивных параметров или энергетических характеристик, не должны напрямую подключаться к вышке сотовой связи, в качестве неплохого варианта следует рассмотреть гибридное решение. Для уличного/городского освещения, систем мониторинга параметров окружающей среды и тому подобных систем общим решением является построение сети с одним или несколькими узлами концентраторов/шлюзов, которые включают в себя малопотребляющий РЧ-интерфейс большого радиуса действия, а также сотовый модем для соединения с сетью Интернет. Тогда остальные устройства в сети соединяются с концентратором с помощью сети радиосвязи в диапазоне ниже 1 ГГц с возможностью ячеистой маршрутизации или без неё. В случае сети уличного освещения концентратор может локально управлять осветительными приборами на основе входных сигналов от датчиков, а набор его правил и график работы могут обновляться с облачного сервера через сеть сотовой связи. Стандартизованное решение должно быть построено на основе сети IEEE 802.15.4g с топологией «звезда» или аналогичного физического уровня со стеком ячеистой сети поверх него. Реализация с открытым исходным кодом имеется, например, в операционной системе Contiki OS и стеке 6LoWPAN.

Альтернативами сотовым инфраструктурам являются новые малопотребляющие инфраструктурные абонентские сети большого радиуса действия, такие как SIGFOX. Конечные узлы могут быть реализованы с помощью малопотребляющих несложных узкополосных устройств радиосвязи, и зона охвата таких сетей быстро растёт. Пропускная способность данных ограничена, но вы получите простой способ передачи небольших объёмов данных состояния и конфигурации на свой узел и с него.

Персональные устройства

Если ваше устройство является персональным, переносным или носимым, естественным образом следует рассмотреть телефон в качестве идеального шлюза для связи с сетью Интернет. Телефоны обычно поддерживают Bluetooth BR/EDR и Bluetooth Smart помимо своих возможностей связи с помощью Wi-Fi и модема. Если ваша прикладная система предполагает передачу потоков аудиосигналов, Bluetooth BR/EDR является идеальным вариантом с его высокой пропускной способностью и готовностью к использованию решений A2DP. Если у вас нет высоких требований к пропускной способности (пропускная способность менее ~150 кбит/с), правильным решением будет Bluetooth Smart. Он обеспечивает функциональную совместимость на уровне приложений для нескольких стандартизованных приложений, таких как пульсометр, но что более важно — он обеспечивает полную свободу и гибкость для определения своего собственного профиля с услугами и характеристиками, которые подходят для вашего приложения. Тогда всё, что вам нужно сделать, это написать приложение для телефона, которое обеспечивает некоторый набор локальных функциональных возможностей и поддерживает связь с облачной службой в фоновом режиме (очень похоже на то, как это делают маршрутизаторы не 6LoWPAN для инфраструктурных систем). Хорошим примером системы датчиков, подключённых к облаку через телефон, может служить платформа SimpleLink SensorTag.

Замечания по реализации

Вне зависимости от беспроводной технологии, на которой вы остановите свой выбор, если вы не собираетесь реализовать сразу большое количество блоков и у вас нет никаких особых требований к конструктивным параметрам устройств, хорошей идеей всегда является приобретение предварительно сертифицированного модуля. Вы получите неплохие рабочие характеристики РЧ-связи, а более высокая цена блоков оправдает себя тем, что не нужно будет заниматься настройкой РЧ-оборудования, проводить испытания на соответствие нормативным требованиям данного региона (Европейского института стандартов связи — ETSI, Федеральной комиссии по связи США — FCC) и т. д. За счёт Wi-Fi и других стандартов можно даже сэкономить, поскольку не придётся проводить полную сертификацию на соответствие стандартам.