Cosa cambia nell'IoT con l'arrivo del Wi-Fi 6 | Internet 4 Things

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Cosa cambia nell'IoT con l'arrivo del Wi-Fi 6

Il nuovo standard offre una evoluzione del MultiUser MIMO e tecnica OFDMA per incrementare capacità di comunicazione ed efficienza; colorazione BSS per operare in ambienti densamente occupati da reti Wi-Fi; TWT - Target Wake Time per abilitare la comunicazione con dispositivi a basso consumo energetico (Low Power device). La nascita di Matter

La tecnologia Wi-Fi è sempre più pervasiva ed è diventata spesso sinonimo di connettività, soprattutto indoor. Il suo successo risiede nella capacità di ottenere un vasto consenso nelle iniziative di standardizzazione e soprattutto nella capacità di evolversi nel tempo e maturare con lo sviluppo della tecnologia e lo sviluppo del mercato. Lo standard di riferimento per il Wi-Fi è il gruppo IEEE 802.11 (IEEE 2021), comitato appartenente alla standardizzazione delle Wireless LAN che, a partire da fine anni ‘90 del secolo scorso, ha saputo guidare l’evoluzione della tecnologia radio per accesso a internet nelle nostre case. Come illustrato in figura 1, l’evoluzione continua dello standard si è articolata in onde successive che hanno portato a cicli significativi di rilascio, che avvengono circa ogni 5 anni. Siamo arrivati ora al Wi-Fi 6.

Wi-Fi 6

Figura 1 (Braun-Dullaeus Pannen Emmerling Patent- & Rechtsanwälte 2020)

L’evoluzione dello standard Wi-Fi

Avviatasi nel 2014, la rivisitazione della versione 802.11 ha portato alla realizzazione dello standard 802.11ax che, rilasciato a fine maggio 2021 nella sua versione definitiva, ha dato il via alla adozione sul mercato di quello che è definito Wi-Fi 6. Il Wi-Fi 6 include una serie di innovazioni che rendono tale standard molto promettente per l’ambito IoT e che vedremo descritte nei prossimi paragrafi.

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Ratificato a fine 2019 lo standard 802.11ax ha avuto alcuni aggiornamenti e ha ultimato il suo iter approvativo durante fine 2020. È a partire dal 2021 che le maggiori case produttrici hanno aggiornato la produzione dei dispositivi adottando appieno la soluzione che ormai sta penetrando il mercato.

Wi-Fi 6

Figura 2 (TechPot staff 2020)

Come illustrato in figura 2, il Wi-Fi 6 ha alcune innovazioni rilevanti che lo rendono particolarmente promettente sul mercato e che si possono riassumere nelle seguenti caratteristiche:

  • Evoluzione del MultiUser MIMO e tecnica OFDMA per incrementare capacità di comunicazione ed efficienza;
  • Colorazione BSS per operare in ambienti densamente occupati da reti Wi-Fi;
  • TWT – Target Wake Time per abilitare la comunicazione con dispositivi a basso consumo energetico (Low Power device).

Vedremo nei paragrafi seguenti cosa implicano queste innovazioni, in particolare la tecnica del TWT che potrebbe avere un impatto significativo su una serie di servizi IoT che sono abilitati da dispositivi a batteria.

Wi-Fi 6: flessibilità ed efficienza anche in luoghi affollati

Il Wi-Fi 6 è progettato per sviluppare le due dimensioni di efficienza e capacità, per poter in questo modo ottimizzare l’utilizzo del Wi-Fi in luoghi affollati. Per quanto riguarda l’efficienza nell’utilizzo dello spettro, questo step è abilitato dall’uso di tecniche di OFDMA, che consente di far leva sulla tecnologia “Orthogonal Frequency-Division Multiple Access”, che permette di avere fino a 30 utenti in accesso sullo stesso canale, gestendo in modo dinamico l’allocazione sulla divisione di porzioni di spettro assegnate.

Un’altra tecnica che invece agisce incrementando la capacità di trasmissione è il cosiddetto MU-MIMO, ossia multi-user Multiple-Input Multiple-Output, ossia la capacità di comunicare utilizzando più canali contemporaneamente, per mezzo di una divisione spaziale. Va comunque considerato che l’utilizzo efficace di questa tecnologia richiede una adozione maggiore di dispositivi MIMO rispetto a quelli attualmente in atto (e quindi un cambiamento HW e non solo FW), essendo necessario una radio specifica ad antenne multiple.

Un’ultima innovazione molto interessante è rappresentata dalla colorazione BSS (Huang 2018), ossia dalla possibilità di marcare i pacchetti a livello fisico (PHY) con una “colorazione” differente, che consente una più efficiente condivisione della banda in casi di affollamento, come ad esempio aree affollate dedicate a conferenze o aeroporti. Questa colorazione consente ai livelli di accesso al canale di considerare solo interferenti effettivi e di accordare meglio parametri di meccanismi di accesso al canale come il CCA (Clear Channel Assessment), in modo da ottimizzare l’uso dello spettro condiviso.

Wi-Fi 6

Figura 3 (TechPot staff 2020)

Wi-Fi 6: verso il “beaconing” con il Target wake time

Un aspetto molto interessante del Wi-Fi 6 in ottica di evoluzione dei servizi IoT è l’adozione del Target wake time come meccanismo per l’accesso. Come rappresentato in figura 4, i dispositivi che supportano questa feature possono negoziare con l’access point un tempo di sleep e quindi ottimizzare il consumo energetico andando in “full sleep” per tutta la durata del periodo. Questa caratteristica ricorda i meccanismi di “beaconing” che sono alla base dello standard IEEE 802.15.4, usato per ZigBee, Thread, 6LowPAN.

Già definito in ambito Wi-Fi HaLow ora adottato da Wi-Fi 6 questo meccanismo potrebbe accelerare l’adozione di chipset IoT all’interno di elettrodomestici, serrature smart e altri dispositivi domestici dove diventa essenziale il basso consumo energetico.

Figura 4 (Weiss 2021)

Evoluzione della standardizzazione IoT

Il bisogno di una “lingua franca”

Oltre alla presenza di protocollo radio di qualità che possa supportare un livello fisico sempre più adatto alle condizioni richieste dal suo utilizzo, è importante considerare che la crescita di dispositivi IoT passa dall’interoperabilità non sono a livello di comunicazione radio, ma dalla armonizzazione dei protocolli applicativi che rappresentano il vero e proprio “linguaggio” della IoT. In questo contesto, anche se la intermediazione verso internet di assistenti vocali ha facilitato la comunicazione con prodotti di vendor differenti, diventa importante capire il percorso verso la definizione di protocolli applicativi standard.

Da ZigBee e Thread a Matter

Un importante sforzo verso la convergenza dei protocolli applicativi per IoT deriva dalla fusione di iniziative storicamente differenti nello standard Matter (Connectivity Standard Alliance 2021). Inizialmente nata da un progetto denominato Project Connected Home over IP (CHIP) e sponsorizzato da big player come Amazon, Apple, Google e Samsung SmartThing, questa iniziativa ha incorporato la ZigBee Alliance (rinominatasi CSA – Connectivity Standard Alliance) per dare vita ad uno standard globale basato su IP facendo leva sulla legacy dei domini applicativi standardizzati in ZigBee Alliance nel corso degli anni da parte di 300+ aziende in ambito home e building automation (tra queste Legrand e Philips).

Lo standard fa riferimento ad un approccio di definizione standard applicativo basato sulla competenza acquisita negli anni dalla definizione di standard di home e bulding automation di ZigBee, denominate in passato “ZigBee Cluster Libraries” e rese “portabili” su IP dalla iniziativa dotdot (che confluirà in Matter). Anche se la timeline per la prima ratifica del percorso di certificazione sarà presumibilmente non prima di metà 2022, il percorso di convergenza si sta rivelando interessante perché finalmente dotato di una massa critica dei grandi player, in particolare degli assistenti vocali che possono essere ormai considerati catalizzatori di soluzioni smart home.

Interessante notare come soluzioni ormai presenti nelle case di tutto il mondo, come dispositivi compatibili con Tuya e la sua SmartLife app, che sta portando l’IoT nelle case di tutto il mondo, sono parte integrante della iniziativa Matter e CSA.

Figura 5: Gitlab (Connectivity Standard Alliance 2021)

Conclusioni

Il mondo dell’IoT sta ricevendo un impulso importante dalla presenza del nuovo standard Wi-Fi 6 che potrà trovare terreno fertile di adozione grazie alle sue caratteristiche di efficienza, maggiore capacità di comunicazione e potenzialmente energy saving per abilitare dispositivi a batteria (come smart lock, interruttori etc). Iniziative di standardizzazione prima molto frammentate (ZigBee, Thread, 6LowPAN) stanno inoltre trovando convergenza in un unico progetto grazie alla iniziativa Matter di CSA (Connectivity Standard Alliance, in precedenza ZigBee Alliance). Il progetto Matter, originariamente denominato CHIP (Connected Home IP), ha come sponsor i principali player sul mercato e mira, infatti, a rendere standard non solo i livelli di trasporto ma i modelli dati applicativi per l’interazione dei dispositivi IoT domestici. Sarà opportuno vedere nei prossimi mesi lo sviluppo di queste iniziative e se il mix Wi-Fi 6 e Matter potrà veramente facilitare l’adozione di nuovi servizi IoT.

Bibliografia

Braun-Dullaeus Pannen Emmerling Patent- & Rechtsanwälte. 2020. “Wi-Fi 6: Key Innovations and their Contributors -Part 1-.” Wi-Fi 6: Key Innovations and their Contributors -Part 1-. https://www.juve-patent.com/sponsored/wi-fi-6-key-innovations-and-their-contributors-part-1/.

Connectivity Standard Alliance. 2021. “Matter.” Build With Matter. https://buildwithmatter.com/.

Huang, Dennis. 2018. “Wi-Fi 6 fundamentals: Basic Service Set Coloring (BSS Coloring).” CommScope. https://www.commscope.com/blog/2018/wi-fi-6-fundamentals-basic-service-set-coloring-bss-coloring/.

IEEE. 2021. “IEEE 802.11, The Working Group Setting the Standards for Wireless LANs.” IEEE 802. https://www.ieee802.org/11/.

TechPot staff. 2020. “Wi-Fi 6 Explained: The Next Generation of Wi-Fi.” TechSpot. https://www.techspot.com/article/1769-wi-fi-6-explained/.

Weiss, Lior. 2021. “The Low-Power Advantage of Wi-Fi 6/6E: TWT Explained.” Celeno. https://www.celeno.com/blog/the-low-power-advantage-of-wi-fi-6/6e-twt-explained.

Wi-Fi Org and Richard Edgar. 2020. “Wi-Fi 6 is set to change the future of IoT—Here’s why.” Wi-Fi Org. https://www.wi-fi.org/beacon/richard-edgar/wi-fi-6-is-set-to-change-the-future-of-iot-here-s-why.

 

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