Internet
Rzeczy (Internet of Things – IoT) to koncepcja powszechnie przedstawiana jako
kolejny etap komputerowej i sieciowej rewolucji, w kierunku rozproszenia
modułów sieciowych i samych informacji, gdzie każdy obiekt w świecie
rzeczywistym może automatycznie łączyć się z siecią i komunikować się z
dowolnym innym modułem do niej podłączonym. IoT obejmuje obecnie
szereg technologii i obszarów badawczych, które mają na celu wykorzystanie i
rozszerzenie istniejącej sieci Internet, jako platformy komunikacyjnej również
dla różnego typu obiektów, urządzeń i modułów występujących w otoczeniu
człowieka.
Zmianie ulega obecnie tradycyjna koncepcja struktury i zasad
funkcjonowania sieci Internet, rozumianej jako połączenia większych lub
mniejszych serwerów danych z terminalami użytkowników końcowych, w kierunku
połączonych w sieci „inteligentnych” obiektów (Smart Object), wymieniających
dane między sobą i w razie potrzeby lub na żądanie, prowadzących interakcję z użytkownikami.
Koncepcja funkcjonowania musi opierać się zatem na trzech
podstawowych założeniach:
- zdolności wzajemnej identyfikacji (każdy
obiekt odnajduje i identyfikuje inne obiekty w sieci), - komunikacji każdy z
każdym (permanentna wymiana danych), - interakcji (wszystkie obiekty mogą ze
sobą współpracować).
Według danych z
najnowszego Ericsson Mobility Report 28 miliardów różnego typu urządzeń będzie połączonych
z siecią w 2021 roku, z czego 16 miliardów będzie należało do kategorii
Internetu Rzeczy (ang. Internet of Things, IoT). Do obsługi komunikacji w IoT
będą wykorzystywane technologie typu Low Power Wide Area (LPWA), które
umożliwiają świadczenie usług komunikacyjnych i przesyłanie danych na duże
odległości przy obniżonym zużyciu energii. Dziś jednak powstają w tym zakresie różne standardy
rozwiązań. Część z nich pracuje w oparciu o pasma nielicencjonowane
(Sigfox, LoRa), część licencjonowane (LTE-M, NB- IoT).
Moduły pracujące
w sieciach Lora (Long Range Radio) czy Sigfox mogą transmitować dane na duże
odległości (do kilkunastu kilometrów w obszarze niezabudowanym) i przy bardzo
małym poborze prądu umożliwiającym pracę na jednej baterii przez nawet 7-8 lat.
Są to uniwersalne sieci o strukturze podobnej do używanej w telefonii
komórkowej, czyli zbudowanej w topologii gwiazdy i wykorzystujące jako centra
komunikacyjne dla komponentów sieci stacje przekaźnikowe BTS. Od sieci 2G, 3G i
4G odróżniają je używane protokoły, które zapewniają im gorszą przepustowość,
ale lepsze parametry w zakresie odporności na zakłócenia i zaniki sygnału.
Sieci te charakteryzuje optymalizacja na niski pobór mocy, niewielkie szybkości
transferu danych i wykorzystanie w aplikacjach M2M i IoT. Pracują na
częstotliwościach należących do pasma ISM, dzięki czemu są bezpłatne (ISM z
ang. Industrial, Scientific and Medical; najczęściej są to pasma 433, 868 i
2400 MHz, które mogą być używane bez pozwolenia radiowego).
Standard LoRa
umożliwia transmisję danych z prędkością od 0,3 do 22 kb/s, natomiast Sigfox
wykorzystuje technologię UMB (Ultra Narrow Band), co sprawia, że nadaje się do
transmisji jeszcze mniejszych pakietów danych z prędkością od 10 b/s do 1000
b/s. Typowy pobór prądu przez modem Sigfox w trybie aktywnym wynosi od 20 do 70
mA, a trybie uśpienia jest praktycznie pomijalnie mały. Tak nieduży pobór prądu
sprawia, że urządzenie brzegowe może pracować przez całe lata na zasilaniu
bateryjnym, zwłaszcza przy okazjonalnym zapotrzebowaniu na dane. Aktualnie
jednak zasięg tych sieci jest ograniczony w znacznej mierze do sieci Sigfox
wdrożonych np. w dużych miastach w Europie Zachodniej, przeważnie w krajach
Beneluksu, Francji, Portugalii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii.
Innym
rozwiązaniem jest Narrowband-IoT (NB-IoT) nowo zatwierdzony standard
komunikacji komórkowej, którego głównym celem jest sprostanie wszystkim
oczekiwaniom i wymogom Internetu Rzeczy. Standard NB-IoT został zatwierdzony w czerwcu 2016, zaledwie
po 9 miesiącach pracy, przez stowarzyszenie 3GPP, które zrzesza najbardziej
liczące się organizacje zajmujące się tworzeniem rozwiązań telekomunikacyjnych.
Duże tempo prac wskazuje istnienie ogromnego popytu na tego typu usługę. Pełna
nazwa standardu to LTE Cat NB1 Release 13. Łączy on wszystkie cechy, które są
utożsamiane z ideą Internetu
Rzeczy, a więc:
- wąskie pasmo radiowe, co wskazuje na zmniejszenie
prędkości połączenia kosztem większej możliwej liczby jednoczesnych
połączeń i zasięgu, - wysoka sprawność energetyczna komunikacji,
- szeroka dostępność i niski koszt modułów.
NB-IoT obsługuje
dużą liczbę połączeń na stację bazową, zapewnia głęboką penetrację wewnątrz
pomieszczeń i dodatkowe 20 decybeli w porównaniu z sygnałem GPRS, a jej moduły
mają żywotność baterii do 10 lat dzięki niskiemu zużyciu energii. Dodatkowo,
kosztuje znacznie mniej niż inne technologie M2M/IoT.
Moduły
działające w standardzie NB-IoT wyróżniają się od aktualnie dostępnych modułów
LTE przede wszystkim:
- zużyciem energii (dużo
niższe z uwagi na konieczność wieloletniego działania aplikacji bez
wymiany baterii), - niską transmisją danych (ale w zupełności wystarczającą
do aplikacji IoT – tracking, smart metering itp.), - wielkością (rozmiary
zmniejszą się do rozmiarów modułów 2G).
Sam standard
zakłada bardzo wąskie wykorzystanie pasma (na poziomie kilkuset kH) –
wielokrotnie węższego, niż standardowe LTE wyższych kategorii – przez co stacje
bazowe będą mogły obsłużyć dużo więcej modułów na wyznaczonym obszarze. Urządzenia z NB-IoT będą
mogły być wykorzystywane zarówno w ramach dzisiejszej infrastruktury LTE oraz
jako niezależna usługa, w zamyśle mająca docelowo zastąpić technologię GSM.
Przewidziane zostały 3 tryby pracy:
- stand alone – na osobnej infrastrukturze,
- guard band – wykorzystujący zarezerwowane obszary
widma między pasmami w obrębie LTE, pierwotnie istniejące w celu
przeciwdziałania zakłóceniom międzykanałowym, - in-band – wykorzystujący wąską część standardowego
pasma LTE.
Jednym z
pierwszych modułów komunikacyjnych, który będzie dostępny na rynku dla NB-IoT, jest BC95 firmy Quectel. Ma on
wymiary 19,9×23,6×2,2 mm i został umieszczony w obudowie LCC. Jest on
funkcjonalnie podobny do popularnego modułu M95 i jak można się domyślać, oba
te moduły będą w tej samej ścieżce migracyjnej, to znaczy będzie można w prosty
sposób przygotować aplikację do obsługi obu modułów wymiennie. Próbki modułów powinny być dostępne na
początku 2017 roku. W pierwszej kolejności zostaną one przekazane operatorom,
aby mogli odpowiednio przygotować infrastrukturę. Kolejne próbki zostaną
przekazane do testowania klientom. Warto więc odnotować, że moduły NB-IoT będą
charakteryzować się dużo mniejszą złożonością (patrz tabela), a przez to ich
cena będzie zbliżona do obecnych cen modułów 2G.
Porównanie modułów NB-IoT z modułami 2G
Źródło: ElektronikaB2B: W oczekiwaniu na
komórkową rewolucję w IoT
Moduł BC95
Źródło: ElektronikaB2B: W oczekiwaniu na
komórkową rewolucję w IoT
Kolejnym standardem komunikacji jest LTE kategorii M (LTE-M).
LTE-M i NB-IoT, wzajemnie się uzupełniają i odpowiadają na złożoność wymagań i
scenariuszy wdrożeń przypadków użycia LPWA (Low Power Wide Area) IoT jak najlepiej wykorzystując
istniejące sieci. Interoperacyjność jest bardzo ważna w IoT – na przykład, 5G
to nowa technologia, która łączy nowe i istniejące technologie dostępu
radiowego i oprócz polepszania szerokopasmowych usług mobilnych odpowiada na
potrzeby rosnącej gamy przypadków użycia IoT. Według najnowszego raportu Ericsson Mobility Report
2016, sieci LTE obejmą 75% ludności na świecie do 2022 roku. Technologia LTE
już teraz jest szczególnie dobrze przystosowana do wspierania zastosowań o
wysokiej wydajności i krótkim czasie oczekiwania. Wymagania niższej mocy,
kosztów i skomplikowania towarzyszące NB-IoT i LTE-M doprowadzą do rozszerzenia
technologii komórkowych na więcej nowych zastosowań.
Jak czytamy w komunikacie prasowym Ericssona z 06 stycznia
2016 „LTE-M wspiera szeroki zakres
zastosowań IoT, takich jak system monitorowania miejsca pobytu dziecka,
aplikacje medyczne do ciągłego monitorowania ciśnienia krwi i rozwiązania
bezpieczeństwa do zdalnej kontroli zamków. Nowo zdefiniowana kategoria NB-IoT
obejmuje natomiast tanie zastosowania IoT, takie jak systemy pomiarowe i monitorowanie
czujników, z większymi kosztami i zaletami zasięgu niż LTE-M. Razem, NB-IoT i
LTE-M poszerzą LTE o więcej zróżnicowanych zastosowań. LTE-M stosuje
dynamiczny, wspólny podział środków, by obsłużyć ponad 1 milion połączeń na
komórkę. NB-IoT ma najbardziej elastyczne możliwości wdrożeń, dzięki
zastosowaniu specjalnego nośnika (200 kHz), który może zostać wykorzystany
wewnątrzpasmowo, w paśmie ochronnym, lub samodzielnie. Każdy nośnik NB-IoT może
obsłużyć do 200 000 połączeń, których ilość może zostać z łatwością zwiększona
poprzez dodanie kolejnych nośników zgodnie z zapotrzebowaniem pojemności”.
Podsumowując, do obsługi komunikacji w IoT będą
wykorzystywane technologie typu Low Power Wide Area (LPWA),
które umożliwiają świadczenie usług komunikacyjnych i przesyłanie danych na
duże odległości przy obniżonym zużyciu energii. W tym obszarze obecnie duże
pole do zagospodarowania mają twórcy różnych standardów, który z nich znajdzie
się w powszechnym zastosowaniu jest sprawą otwartą.
Autor: dr Łukasz Kryśkiewicz, pracownik Ministerstwa Cyfryzacji
Źródła:
BC95 – moduł komórkowy NarrowBand
IoT (MB-IoT), http://quectel-pl.com/bc95-modul-komorkowy-narrowband-iot-mb-iot/
Narrowband-IoT: wsparcie Internetu
rzeczy, http://biznes.t-mobile.pl/pl/artykuly/105-internet-rzeczy-i-smart-cities/570-narrowband-iot-wsparcie-internetu-rzeczy
Ericsson upowszechnia Internet
Rzeczy (IoT) na dużą skalę dla Vodafone, AT&T i Verizon
http://media.ericsson.pl/pr/306764/ericsson-upowszechnia-internet-rzeczy-iot-na-duza-skale-dla-vodafone-at-t-i-verizon
W oczekiwaniu na komórkową
rewolucję w IoT, http://elektronikab2b.pl/technika/30626-w-oczekiwaniu-na-komorkowa-rewolucje-w-iot#.WHy_BrClIpg
Platforma Visible Things.
Elastyczność wyzwań i wyborów w IoT, http://ep.com.pl/artykuly/11044-Platforma_Visible_Things_Elastycznosc_wyzwan_i_wyborow_w_IoT.html
Nowoczesne technologie łączności dla IoT, http://ep.com.pl/artykuly/10418-Nowoczesne_technologie_lacznosci_dla_IoT.html
Wielka wojna standardów w Internecie Rzeczy, http://www.telko.in/wielka-wojna-standardow-w-internecie-rzeczy
