Ασύρματες τεχνολογίες IEEE 802.11ah σε συστήματα “Διαδικτύου των Αντικειμένων” (Internet of things)

Abstract

Η εποχή του Internet of Things (IoT) χαρακτηρίζεται από εκατομμύρια συσκευές συνδεδεμένες στο δίκτυο. Υπάρχουν δύο κατηγορίες τεχνολογιών επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για εφαρμογές M2M. Το πρώτο είναι το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων (WSN) που χρησιμοποιείται για τη διασύνδεση πολλών κόμβων αισθητήρων κατανεμημένων σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Το δεύτερο είναι ένα κανονικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας που χρησιμοποιείται για απομονωμένους κόμβους για να επιτρέψει στην πύλη του WSN να φτάσει στο διαδίκτυο. Πολλές τεχνολογίες επικοινωνίας, όπως Zigbee, Bluetooth, LoWPAN και 802.15.4, έχουν χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση δεδομένων σε ένα σύστημα M2M. Η ομάδα εργασίας IEEE 802.11ah (TGah) δημιουργήθηκε το 2010. Κυκλοφόρησε μια νέα τυποποίηση του WiFi, που ονομάζεται Wi-Fi Halow, για να υποστηρίξει την ασύρματη επικοινωνία M2M για να καλύψει το χάσμα μεταξύ του υπάρχοντος δικτύου κινητής τηλεφωνίας 3ης γενιάς (3GPP) και Ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Η τεχνολογία IEEE 802.11ah χρησιμοποιεί μη αδειοδοτημένο πρότυπο παγκόσμιου ασύρματου τοπικού δικτύου (WLAN) κάτω από 1 GHz για μελλοντική επικοινωνία M2M για την υποστήριξη μιας ευρείας σειράς σεναρίων. Υποστηρίζει μεγάλο αριθμό συσκευών (έως 8.191 συσκευές) για σύνδεση σε ένα σημείο πρόσβασης (AP). Άλλα πλεονεκτήματα του IEEE 802.11ah περιλαμβάνουν την αποδοτική κατανάλωση ενέργειας, την κάλυψη μεγάλης εμβέλειας, τους ρυθμούς δεδομένων έως και 100 kbps και την υψηλή απόδοση . Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι να εξεταστούν τα χαρακτηριστικά και ο τρόπος λειτουργίας των πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται στο δίκτυο των πραγμάτων- internet of things. Η εργασία εστιάζει στην λειτουργία του πρωτοκόλλου 802.11ah. Το 802.11ah είναι ένα πρωτόκολλο επιπέδου ασύρματης επικοινωνίας PHY και MAC. Στο επίπεδο MAC, το 802.11ah εισάγει μηχανισμούς όπως η οργάνωση του συστήματος που θα εξηγηθούν περαιτέρω στην επόμενη ενότητα. Σε σχέση με την ανάλυση προσομοίωσης του Σχεδίου Διαμόρφωσης και Κωδικοποίησης (MCS) σε διάφορα περιβάλλοντα, μπορεί να υποτεθεί ότι το MCS 08 με εύρος ζώνης 2 MHz είναι κατάλληλο για τοποθεσία υψηλής πυκνότητας σε αστικές περιοχές. Εν τω μεταξύ, MCS 0 με εύρος ζώνης 1 MHz κατάλληλο για τοποθεσία χαμηλής πυκνότητας (αγροτική περιοχή). Αρχικά στο θεωρητικό μέρος της εργασίας θα γίνει εκτενής ανασκόπηση της βιβλιογραφίας σχετικά με το διαδίκτυο των πραγμάτων και τα βασικά πρωτόκολλα επικοινωνίας που επιτρέπουν την επικοινωνία των συσκευών IOT. Στην συνέχεια στο εμπειρικό μέρος της εργασίας παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης του πρωτοκόλλου 802.11ah με σκοπό να γίνει κατανοητός ο τρόπος λειτουργίας του. The era of the Internet of Things (IoT) is characterized by millions of devices connected to the network. There are two classes of communication technologies currently used for M2M applications. The first is wireless sensor network (WSN) which is used to interconnect many sensor nodes distributed in a certain area. The second is a regular cellular network used for isolated nodes to allow the gateway of the WSN to reach the internet. Many communication technologies, such as Zigbee, Bluetooth, LoWPAN, and 802.15.4, have been used to transmit data in an M2M system. The IEEE 802.11ah (TGah) working group was formed in 2010. A new WiFi standard, called Wi-Fi Halow, was launched to support M2M wireless communication to bridge the gap between the existing 3rd generation mobile network (3GPP) and Wireless Sensor Network. IEEE 802.11ah technology uses an unlicensed worldwide wireless local area network (WLAN) standard below 1 GHz for future M2M communication to support a wide range of scenarios. It supports a large number of devices (up to 8,191 devices) to connect to one access point (AP). Other advantages of IEEE 802.11ah include energy efficiency, long-range coverage, data rates up to 100 kbps, and high throughput. The purpose of this paper is to examine the characteristics and the mode of operation of the protocols used in the internet of things network. This Thesis focuses on the operation of the 802.11ah protocol. 802.11ah is a wireless PHY and MAC layer protocol. At the MAC layer, 802.11ah introduces mechanisms such as system organization that will be further explained in the next section. Regarding the simulation analysis of Modulation and Coding Scheme (MCS) in various environments, it can be assumed that MCS 08 with 2 MHz bandwidth is suitable for high density location in urban areas. Meanwhile, MCS 0 with 1 MHz bandwidth suitable for low density location (rural area). Initially, in the theoretical part of the paper, an extensive literature review will be made regarding the Internet of Things and the basic communication protocols that allow the communication of IOT devices. Then, in the empirical part of the work, the simulation results of the 802.11ah protocol are presented in order to understand its mode of operation.