Беспроводные сети с модуляцией «чужого сигнала»

В новостных лентах название предмета этой записи звучало менее внятно, чаще всего как «пассивный Wi-Fi» (позаимствованное из статьи авторов разработки). К сожалению, новость промелькнула и осталась почти незамеченной. К сожалению потому, что такой инженерный подход к решению задачи построения больших энергоэффективных беспроводных сетей мало что технически очень интересен, он ещё и реализуем «в кремнии и металле» доступными сегодня технологическими средствами. И безусловно очень красив.

Итак, есть задача – на локальном участке пространства создать беспроводную сеть, соединяющую N устройств. Сделать это надо так, чтобы развёртывание N устройств было максимально дешёвым, обслуживание – тоже, при этом должны соблюдаться требования к безопасности сети и, конечно, вся сеть должна соответствовать сугубо техническим (в том числе и IT) критериям (пропускная способность etc).

Решение задачи, очевидно, зависит от размеров локального участка пространства. Они могут варьироваться от десятков метров (smart house, ритейл, музеи и библиотеки etc) до тысяч километров. «Неважных» участков в этом диапазоне размеров, очевидно, нет. Больше того. При территориальном размере беспроводной сети порядка десятков метров ничего, упрощающего задачу, нет.

Давайте внимательно присмотримся к состоянию рынка, удовлетворяющего потребности в беспроводных сетях малого радиуса (десятки метров). Беспроводных технологий, созданных именно для решения такой задачи, было и есть очень много. Стандарты и конкретные решения уже успели пройти пару этапов эволюционного развития. Созданы и коммерчески доступны «многопротокольные» чуть ли не однокристальные реализации беспроводных каналов. И что в итоге?

Вы можете увидеть – что, поискав в своих беспроводных маршрутизаторах, смартфонах, умных часах и планшетах образца 2016 года какой-то беспроводной интерфейс, основанный на 802.15.4, например. Не отыскивается такой? Нет ни ZigBee, ни EnOcean, ни 6LoWPAN, ни Thread? А ведь стандарту 802.15.4 скоро будет 13 лет. Со всем, надстроенным над 802.15.4, производится вроде как очень немало  продуктов. И всё это – как раз для построения беспроводных сетей устройств на участках пространства размером порядка десятков метров. При этом все технологии доказанно работоспособны и уже дёшевы на уровне реализующей компонентной базы. Но производители терминалов и маршрутизаторов не спешат всё это использовать. В чём причина?

Можно выдумывать много ответов на поставленный вопрос. Но самый простой и очевидный будет самым правильным - источники питания узлов беспроводной сети. Они необходимы, чтобы снизить стоимость развёртывания сети (иначе или узлы можно размещать только там, где есть доступ к питанию, или придётся вносить очень дорогие изменения в локальный участок пространства). И их надо периодически заменять, что означает – за их состоянием надо постоянно следить etc.

Эту логику подтверждает опыт серийных производителей beacons (в контексте записи – Bluetooth LE маячков). Именно эти производители раньше всех поняли реальные потребности пользователей и особенности «больших инсталляций на малых участках пространства» и стали выпускать… одноразовые маячки, в которых батарея вообще не меняется. Отработал маячок своё (определение этого факта – отдельная задача), на его место просто устанавливается новый.

Для Bluetooth LE маячков, хоть они и попадают в категорию «беспроводных сетей», с учётом специфики их фундаментальной функциональности (а они по сути ничего не делают, кроме как периодически «выбрасывают в эфир» крохотные пакетики данных), такой подход возможен и оказался оправдан спецификой их использования. В общем случае же полная замена узлов беспроводной сети или невозможна, или настолько дорога, что эксплуатация сети утрачивает всякий смысл. Снижение энергопотребления узлов сети всеми прямыми мыслимыми способами, конечно, даёт какой-то эффект, но он далёк и от маркетинговых обещаний, и от маркетинговых же ожиданий.

И вот появляется совершенно новое и технически очень красивое решение.

Предложенное решение задачи основывается на хорошо известном принципе «разделяй и властвуй». Заодно оно демонстрирует и саму возможность применения принципа – буквально 15 лет назад так применить этот принцип было технически невозможно из-за стоимости элементной базы.

Разделению подверглось классическое для всех радио-цифровых устройств фундаментальное единение цифровой и аналоговой частей.

В качестве примера такого единения можно привести фактически однокристальную реализацию Wi-Fi контроллера, являющуюся основой популярного встраиваемого модуля ESP8266. Причина такого выбора заключается только в доступности этого модуля и очень низкой конечной цене для встраиваемых Wi-Fi контроллеров. Более дорогие, промышленного назначения, аналоги, на уровне внутренней архитектуры фактически ничем не отличаются. Кроме того, разработчики документации ESP8266 как по заказу разделили цветами аналоговую (голубая) и цифровую (желтая) фрагменты архитектуры:

 
Для изучавших радиоприёмные и передающие устройства никаких неожиданностей в такой архитектуре нет, в контексте этой записи нам важнее другое – чтобы классический Wi-Fi адаптер работал, в нём должны быть генератор или синтезатор несущей частоты, аналоговый приёмник, аналоговый передатчик, аналоговые ключи, подсоединяющие или выход передатчика, или вход приёмника к одной антенне, усилители, фильтры, схемы согласования реактивных сопротивлений etc.

Каким бы ни был Wi-Fi адаптер, всё это аналоговое в нём обязано быть. И всё это аналоговое требует много энергии. По меркам встраиваемых устройств с автономным источником питания – непозволительно много энергии. Например, тот же популярный модуль ESP8266 в режиме передачи требует ток порядка 400 mA (миллиампер, 0,4 ампера, при напряжении питания порядка 3,3V потребляемая мощность более 1 ватта), что даже при самом хитром построении подсистемы батарейного питания и батареях большой ёмкости делает его нерациональным.

Предыдущий абзац содержит утверждения, справедливые для классической внутренней архитектуры Wi-Fi адаптеров. Решение же, основанное на принципе «разделяй и властвуй» предусматривает выделение в отдельное устройство (ему трудно даже придумать название, пусть это будет «излучатель») синтезатора несущих частот, усилителя для получения радиосигнала достаточной мощности и некоторых дополнительных схем (для реализации механизмов доступа к сети), а в множество отдельных устройств – хитрые модуляторы радиосигнала «излучателя», у которых аналоговый тракт состоит из фактически одного ключа (грубо говоря – высокочастотного транзистора, работающего в ключевом режиме).

Если не вдаваться в технические детали, принцип работы такой Wi-Fi системы в целом заключается в постоянной «накачке» локального участка пространства электромагнитными волнами подключенным к стационарному источнику «излучателем», и в изменении «пассивными» устройствами этих волн в реальном времени (по временным меркам периода несущей частоты Wi-Fi сигнала). То есть, многочисленные «узловые» устройства сами ничего не излучают, они изменяют сигнал одного единственного передатчика.

Зачем всё это? Начнём не с самого главного. Во-вторых, это даёт возможность использовать обычные Wi-Fi роутеры и контроллеры, которые сейчас есть во всём «пользовательско-терминальном». Никаких изменений уже существующего и работающего не требуется. А вот, во-первых, – энергопотребление. Разработчики заявляют подтверждённое потребление «пассивным» узлом такой системы при передаче со скоростью 1 Mbps на уровне 14,5 микроватт (сравните с 1 ваттом ESP8266). Это в тысячи раз меньше, чем требуется даже специально созданным для микропотребления системам на основе 802.15.4 при работе «на передачу».

Расписывать детали реализации в этой записи не буду, они слишком «радиочастотные» для неспецифического издания (да и особых тайн из проекта «пассивного Wi-Fi» никто не делает). Ограничусь только небольшим замечанием – разработанные узлы беспроводной сети фактически полностью цифровые (исключение – дешёвый высокочастотный арсенид-галлиевый ключ производства Analog Devices). И сравнительно несложные.

Но вот на что хочу обратить внимание – по сути, проект является самым настоящим «хаком» высочайшего уровня. В нём всё – от высокоуровневой архитектуры с разделением устройств на «излучатель» и потребляющие микроватты «модуляторы», до механизмов прямой цифровой модуляции несущего сигнала «модуляторами», является «хаком». Всё работает «вообще не так, как задумывалось», но в итоге – работает, и «хакинг» позволил добиться параметров, абсолютно недостижимых при других подходах. В этом смысле проект «пассивного Wi-Fi» является показательным – это уже не уровень «хакинга», хорошо знакомый многим по всевозможным тематическим сообществам. Это уровень серьёзного инженерного подхода. Потому очень рекомендую всем заинтересованным ознакомиться с проектом самостоятельно и детально. Это очень красивая и глубокая инженерная работа, вызывающая уважение. И надо учитывать, что проект уже коммерциализируется компанией Jeeva Wireless.

И, конечно, что не следует забывать, что проект открывает целое новое направление.

Кто сказал, что на принципе «излучатель-модуляторы» обязательно должен работать Wi-Fi? Совершенно необязательно. В проекте решили заведомо сложную задачу – адаптировали абсолютно непредназначенный для такой высокоуровневой архитектуры Wi-Fi. Только это соображение позволяет утверждать, что потребляемые узлами "пассивного Wi-Fi" микроватты - не предел.

Но никто не запрещает создать «ещё одну беспроводную сеть IoT», учитывающую особенности такой модели. Первый шаг к этому сделан. Точно так же никто не запрещает в подобной системе «накачивать» энергией «излучателя» узлы-модуляторы, полностью избавившись от источников питания в них. Теперь это сугубо инженерные, а не исследовательские, задачи.