Implementação do protocolo IEEE 802.11ah através de rádio definido por software

Abstract

O crescente uso de redes conhecidas como Internet das Coisas (IoT) constitui oportunidade para um vasto campo de pesquisa e desenvolvimento, onde diversos protocolos oferecem soluções práticas distintas. Entre estes, o protocolo IEEE 802.11ah é uma alternativa de livre implementação que utiliza uma faixa de espectro não licenciada abaixo de 1 GHz. Este trabalho oferece contribuições para a implementação de técnicas de comunicação adequadas a redes de sensores sem fio (WSN) baseadas no padrão IEEE 802.11ah (Wi-Fi HaLow). De forma a facilitar trabalhos futuros de pesquisa e devido a baixa disponibilidade de dispositivos comerciais, uma plataforma de rádio definido por software foi utilizada para realizar a implementação de um enlace em camada física a partir da especificação do protocolo e de uma implementação pré-existente que comtempla as características de modulação fundamentais do protocolo. Foram conduzidos testes e experimentos de bancada para avaliar o desempenho dos dispositivos, em situações de interferência e ruído. As condições de interferência foram um sinal senoidal, um sinal LoRa e um sinal O-QPSK derivado do protocolo IEEE 802.15.4, uma vez que ocupam a mesma banda de frequências do protocolo avaliado. Também foi avaliada a rejeição a sinais interferente IEEE 802.11ah sobrepostos no mesmo canal, em canal adjacente e em canal não adjacente. As simulações e experimentos geraram um conjunto de dados que foram analisados conforme os requisitos da especificação e da literatura, atendendo o desempenho especificado. Os valores limites para estas interferências são demonstrados em termos de diferenças de potências. O código-fonte será disponibilizado publicamente, para servir de base a trabalhos futuros que tenham por objetivo avaliar o desempenho do protocolo IEEE 802.11ah sob outros aspectos ou provar ideias teóricas inovadoras que, embora propostas e demonstradas de forma simulada, por vezes não encontram comprovação em hardware.

The Internet of Things (IoT) environment is an expanding field with many competing standards solving various communication challenges. However, interesting theoretical propositions, demonstrated in simulations during research, end up not getting a quick implementation in hardware. This work provides contributions towards an implementation of the IEEE 802.11ah (Wi-Fi HaLow) standard, an extension of the Wi-Fi protocol focused on providing IoT-like connectivity on midrange sites (up to 1 km). A softwaredefined radio plataform, programmed with open-source software, is used to provide an extensible code base, derived from existing works. Simulation and experimental measurements were conducted towards evaluating the performance and limitations in interference and noise environments. As interference, sinusoidal, LoRa and IEEE 802.15.4 O-QPSK derived signals were used as to evaluate the minimum difference of powers necessary to garantee the IEEE 802.11ah signal is received and correctly decoded with 90 % packet delivery rate. Adjacent, non adjacent and same channel rejection were also evaluated. All results agree with the requirements presented in the standard. We make the source code freely available in the Internet as to enable future modifications and derived works.