В эпоху развития умных (автоматизированных) домов наиболее популярными протоколами радиосвязи устройств стали wi-fi, zigbee и z-wave. В этом посте пойдет речь о первых двух и о том какие требования необходимо соблюдать при настройке обеих сетей. Наиболее актуальной эта небольшая статья будет для жителей многоквартирных/многоэтажных домов, т.к. уровень «шума» от роутеров в каждой квартире максимально велик, однако часть проблем касается и жителей загородных домов, хоть и в меньшей степени.

Начну с описания базовых различий протоколов, а потом расскажу как все настроить, чтобы и wi-fi давал хорошие результаты скорости загрузки/отдачи и zigbee устройства работали без задержек и несработок автоматизаций.

В чем же сходство и, одновременно, разница между wi-fi и zigbee?

  • Стандарт IEEE: Wi-Fi был стандартизирован в соответствии со стандартом IEEE 802.11.x. Существует несколько версий протокола, где x заменяется на a, b, g, n, ac и т.д., которые являются различными версиями Wi-Fi. Zigbee стандартизирован в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4.
  • Альянс: Wi-Fi управляется и сертифицируется Wi-Fi Alliance, независимой группой, состоящей из нескольких компаний, занимающихся электроникой и связью. По тем же причинам существует Zigbee Alliance, который использует процессы разработки и сертификации продуктов на основе Zigbee.
  • Сроки разработки: Wi-Fi появилась в качестве альтернативы для облегчения работы кассовых аппаратов в 1985 году. Сообщество по стандартизации было создано в 1990 году, а сам стандарт в 1997 году. С другой стороны, Zigbee был придуман в 1999 году, когда выяснилось, что для некоторых устройств Wi-Fi и Bluetooth не были подготовлены. Он был запущен в 2004 году.
  • Рабочая частота: известно, что Wi-Fi работает на частоте 2,4 ГГц и 5 ГГц, хотя в последнее время появились разработки, в которых Wi-Fi работает на частоте 60 ГГц. Zigbee, работает на частотах 900–928 ​​МГц и 2,4 ГГц. Кроме того, протокол Zigbee имеет специфическую частоту 868 МГц для европейских стран.
  • Пропускная способность канала: связи на основе протокола Zigbee имеют пропускную способность канала 1 МГц, в то время как каналы Wi-Fi имеют пропускную способность 0,3, 0,6 или 2 МГц.
  • Диапазон сети: Zigbee ограничен беспроводными персональными сетями (WPAN), достигая 10-30 метров в обычных устройствах. В последнее время было несколько устройств, которые имеют тенденцию достигать дальность покрытия до 100 метров. Wi-Fi обслуживает сети PAN и WLAN со средней дальностью от 30 до 100 метров.
  • Скорость передачи данных: сети Wi-Fi, хотя и быстрее, чем zigbee с точки зрения передачи данных, демонстрируют различия в скорости внутри стандарта IEEE 802.11.x. Сети Wi-Fi, определенные в стандарте 802.11b, имеют максимальную скорость передачи данных 11 Мбит/сек, в то время как версии a и c имеют максимальную скорость передачи данных 54 Мбит/сек. Максимальная скорость в сетях zigbee составляет всего 250 кбит/сек, что заметно медленнее самых низких показателей Wi-Fi.
  • Время передачи 1 бита: его можно определить как время, необходимое для передачи одного бита с заданной скоростью передачи данных. Время передачи 1 бита в zigbee составляет 4 микросекунды, а в Wi-Fi 0,00185 микросекунды.
  • Потребление энергии: Wi-Fi, хотя теперь и имеет версию с низким энергопотреблением, не стал известен как энергосберегающая сеть. Устройства на основе Wi-Fi нуждаются в хорошей резервной батарее, если вы хотите использовать их более 10 часов или около того. С другой стороны, протокол Zigbee был разработан для «собери и забудь», его потребление энергии крайне минимально и работа устройств на нем, следовательно, может продолжаться неделями, месяцами, а иногда и годами. В целом, сети на основе Zigbee потребляют 1/4 энергии, потребляемой сетями Wi-Fi.
  • Сетевые элементы: в стандартной двухточечной сети две станции могут быть связаны друг с другом. Маршрутизатор Wi-Fi также необходим в некоторых местах, где необходимо подключить несколько устройств друг к другу и/или подключиться к Интернету. В Zigbee сетевые элементы можно разделить на три типа: координатор Zigbee, роутер Zigbee, конечное устройство Zigbee.
  • Размер сети: одна сеть на основе Wi-Fi может иметь размер сети до 2007 узлов, тогда как сети на основе Zigbee могут иметь более 65 000 узлов в одной такой сети.
  • Безопасность сети: протоколы Zigbee используют методы Advanced Encryption Security (AES) для шифрования и методы CCB-CCM для безопасности сети. С другой стороны, сети на основе Wi-Fi используют протоколы WEP, WPA и WPA2 для шифрования и безопасности сети соответственно.
  • Приложения: Wi-Fi является предпочтительным выбором для сети, основанной на интернет-соединении, и в настоящее время также рекомендуется беспроводное подключение различных медиа/развлекательных устройств. Wi-Fi можно найти в обмене данными между компьютером и модемом, потоковой передаче музыки и видео по телевизору через компьютер или мультимедийное устройство с поддержкой Wi-Fi. Протокол Zigbee был специально разработан для обмена данными, и он более распространен в беспроводных сенсорных сетях, таких как системы домашней автоматизации или системы координации промышленного оборудования.

Так в чем же проблема сосуществования обоих протоколов одновременно?

Оба протокола ZigBee и WiFi работают в полосе 2,4 ГГц и находятся в одном и том же частотном пространстве. При развертывании WiFi и ZigBee в одних и тех же помещениях (квартира, дом, офис и т..д.) требуется тщательно планировать использование конкретных частот, чтобы они не мешали друг другу.

Работа сетей ZigBee и WiFi на одной частоте приведет к тому, что они будут мешать друг другу, а под удар обычно попадает сеть ZigBee, что влечет за собой нестабильность сработки автоматизаций и приборов на этом протоколе.

В ZigBee используется нумерация каналов с 11 по 26, а в WiFi с 1 по 13. На первый взгляд может показаться, что если просто не использовать 11,12 и 13 каналы, то проблем с перекрытием частот не будет, но это, к сожалению, совсем неверно. Во-первых у данных стандартов не совпадает нумерация, во-вторых, если зигби каналы не задевают друга, то каналы wi-fi теряет уровень сигнала на протяжении 6-7 каналов в каждую сторону.

Wi-Fi каналы.
Наложение ZigBee каналов на Wi-Fi.

Как видим из второго изображения, все не так просто как могло показаться на первый взгляд. Три непересекающихся канала WiFi (1, 6 и 11) используют те же частоты, что и каналы ZigBee 11-22.

Каналы ZigBee 25-26 также не застрахованы, потому что они могут быть задеты в лепестке боковой полосы канала WiFi 11. Канал 26 ZigBee обычно относительно не зависит от WiFi, но многие устройства ZigBee не поддерживают его.

Интерференция.

Когда сеть WiFi находится на том же канале, что и сеть ZigBee, сеть Wi-Fi обычно создает помехи сети ZigBee.

Интерференция боковой полосы.

Сигнатура 802.11 g/n в спектре состоит из двух компонентов: квадратный участок 20 МГц, содержащий боковые полосы радиочастотной волны и боковые лепестки на каждой стороне, которые являются нормальным побочным эффектом.

Боковые лепестки канала могут не передавать данные Wi-Fi, но они вполне способны заглушить передачу данных в ZigBee.

Боковые лепестки канала обычно заметны только тогда, когда вы очень близки к устройству, которое активно передает данные (попробуйте выполнить тест скорости или потоковое видео высокой четкости). Это особенно заметно, когда ваш координатор ZigBee и точка доступа Wi-Fi находятся в непосредственной близости друг от друга.

Так как же распланировать каналы?

При развертывании сетей ZigBee и Wi-Fi в одной среде планирование каналов для мирного сосуществования является ключевым фактором.

Обычно мы имеем три Wi-Fi канала для работы (1, 6 и 11), но чтобы освободить место для ZigBee, мы можем отказаться, например, от 11-го канала.

Когда мы размещаем наши Wi-Fi точки доступа по всему дому, необходимо чтобы точки доступа на одном и том же канале были как можно дальше друг от друга, чтобы избежать помех внутри канала Wi-Fi. По сути, это создает план повторного использования с двумя каналами, который не так эффективен, как план повторного использования с тремя каналами, но он будет работать, чтобы освободить место для устройств на ZigBee.

Двухканальный план повторного использования Wi-Fi точек доступа.

Эта концепция может быть применена практически к любому варианту двух каналов из 1, 6 и 11. Вы можете разместить WiFi-оборудование на каналах 1 и 11, или 6 и 11, или в любом варианте, пока вы освобождаете место для устройств на ZigBee, чтобы разместить их на чистом канале.

Не забываем про соседей и их Wi-Fi точки доступа.

У большинства людей есть соседи, и они обычно используют свои собственные беспроводные сети, которые имеют непредсказуемые каналы. Поэтому при развертывании беспроводных сетей WI-FI вместе с ZigBee рекомендую использовать Wi-Fi Explorer (Достаточно версии Lite), чтобы:

  • Определить, какие каналы используют соседи;
  • Выбрать лучшие каналы для своей сети Wi-Fi;
  • Развернуть сети ZigBee на каналах, которые не получают помехи от вашего или соседних WiFi точек доступа.
Не забываем выбрать сканирование только 2.4 Ghz диапазона.

Статья подготовлена при помощи материалов MetaGeek и Engineers garage.