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