Przegląd standardów łączności bezprzewodowej dla IoT

Analizowane są możliwości, jakie ze sobą niesie IoT, od rozwoju technologii i modeli biznesowych potrzebnych do jego wdrożenia, po nowe usługi, które będą świadczone dzięki Internetowi Rzeczy. Przykładami tych ostatnich są usługi dostępne w ramach telemedycyny oraz w tzw. inteligentnych miastach (smart city).

Jeśli chodzi o tę pierwszą, to oczekuje się, że może ona diametralnie zmienić relacje między pacjentami, a pracownikami służby zdrowia. Dotychczasowy model zakłada, że diagnostyka pacjenta jest wykonywana w gabinecie lekarza lub laboratorium, a monitorowanie jego stanu zdrowia oraz leczenie, w tym podawanie leków, odbywa się w szpitalu. Poza przychodnią i oddziałem szpitalnym lekarz ma w tym zakresie bardzo ograniczone możliwości. Może on wykonać jedynie proste badania, na przykład jednorazowo zmierzyć pacjentowi temperaturę, puls, ciśnienie albo użyć glukometru i przepisać leki.

Dzięki telemedycynie nie tylko diagnostyka i kontrolowanie stanu pacjenta, ale także i leczenie, będą wykonywane zdalnie, a co więcej, nawet bez udziału personelu medycznego. Umożliwi to połączenie, w ramach IoT, elektroniki noszonej, aplikacji na smartfony oraz łączności bezprzewodowej.

IoT w telemedycynie

Przykładem zastosowania Internetu Rzeczy w telemedycynie jest ciągłe badanie stężenia glukozy lub tlenu we krwi przez czujniki umieszczone na ciele pacjenta, które przesyłają wyniki na jego telefon. Tam analizuje je specjalna aplikacja. W razie przekroczenia wartości bezpiecznych o pogorszeniu się stanu zdrowia pacjenta smartfon informuje jego samego albo jego lekarza.

Inny przykład to czujniki, głównie żyroskopy oraz akcelerometry w połączeniu z lokalizatorami GPS, które są mocowane na ciele starszych osób. Ich rolą jest wykrywanie upadku, o którym za pośrednictwem smartfona powiadamiane jest pogotowie albo opiekunowie danej osoby.

Poza ratunkową funkcją telemedycyna jest przydatna w profilaktyce. Na podstawie danych z takich ciągłych pomiarów lekarz może bowiem wysnuć wnioski na temat postępów choroby. Są one również użyteczne w ocenie skutków leczenia.

Kolejny przykład to pompy insulinowe, które w oparciu o wyniki pomiarów z glukometru na ciele pacjenta automatycznie, bez jego udziału, wstrzykują mu potrzebną ilość insuliny. Oprócz tego dostępne są noszone defibrylatory, z których korzystają pacjenci zagrożeni zawałem serca. Współpracują one z czujnikami, które monitorują pracę tego organu. W razie potrzeby defibrylator automatycznie generuje sygnał elektryczny przywracający normalny rytm pracy serca.

Czym jest smart city?

Według definicji zamieszczonej w Wikipedii inteligentne miasto wykorzystuje technologie informacyjno-komunikacyjne w celu zwiększenia interaktywności i wydajności infrastruktury miejskiej i jej komponentów składowych, jak i do podniesienia świadomości wśród mieszkańców. Przewiduje się, że koncepcja ta będzie stopniowo coraz powszechniej wdrażana, przede wszystkim z konieczności.

Jak się bowiem szacuje już za około 15 lat ponad 50% ludzi na całym świecie będzie mieszkać w dużych miastach. Oznaczać to będzie, że zarządzający aglomeracjami miejskimi na większą skalę, niż do tej pory będą musieli radzić sobie z takimi problemami, jak zanieczyszczenie wody oraz powietrza, śmieci oraz korki.

Bez użycia nowoczesnych technologii będzie to trudniejsze, a jakość życia mieszkańców bardzo szybko ulegnie pogorszeniu. Dlatego pierwsze próby wykorzystania Internetu Rzeczy w rozwiązywaniu narastających miejskich "problemów" są już podejmowane.

IoT usprawnia parkowanie i wywóz śmieci

Jak oszacowano kierowcy w dużym państwie Europy Zachodniej średnio na poszukiwaniach wolnego miejsca do zaparkowania samochodu spędzają ponad 500 milionów godzin rocznie. W tym czasie marnują miliony litrów paliwa, a ich pojazdy emitują bardzo duże ilości spalin.

Aby temu zapobiec w pewnym hiszpańskim mieście, a dokładnie na parkingach w jego najbardziej zatłoczonych rejonach w centrum, rozmieszczono czujniki, które monitorują liczbę wolnych i zajętych miejsc. Informacja ta jest przesyłana do centrum zarządzania ruchem, skąd jest dalej przekazywana do systemów informacji świetlnej dla kierowców.

Z kolei w pewnym holenderskim mieście czujniki zamontowano w... koszach na śmieci. Sensory te mierzą poziom zapełnienia tych pojemników odpadkami, a wyniki pomiarów za pośrednictwem sieci komórkowej przesyłają do centrum zarządzania firmą, która zajmuje się ich opróżnianiem. Dzięki temu kierowcy śmieciarek przed wyruszeniem w objazd po mieście wiedzą, które kosze są już pełne, a w których jest jeszcze wolne miejsce.

W efekcie unika się sytuacji, w której śmieciarka, przyjeżdżając w dane miejsce w regularnych odstępach czasu, zastaje kosz niepełny albo pojemnik przepełniony. Dzięki temu, w pierwszym przypadku ogranicza się starty czasu oraz paliwa na niepotrzebne przejazdy, a w drugim poprawia czystość w mieście.

Łączność to podstawa

Aby zastosowań dla Internetu Rzeczy przybywało, a te dotychczasowe się rozwijały, za pomysłami muszą nadążać możliwości techniczne do ich realizacji. Jedną z najważniejszych kwestii jest zapewnienie łączności bezprzewodowej. W tym zakresie rywalizuje ze sobą wiele różnych specyfikacji.

Potrzeby są bowiem rozmaite. Niektóre zastosowania wymagają możliwości przesyłania dużych ilości danych, natomiast inne transmisji małych ilości informacji, ale za to z dużą częstością.

W pewnych przypadkach węzły sieci IoT mogą być zasilane z sieci energetycznej, na przykład w automatyce domowej. Zdecydowanie częściej jednak czerpią one energię z baterii. Przykładem jest elektronika noszona.

Trzeba przy tym pamiętać, że standard łączności jest zwykle wynikiem kompromisu. Na przykład im większa prędkość transmisji, tym bardziej skomplikowany protokół raz większe wymagania względem mocy obliczeniowej oraz pamięci. Z kolei im większy jest zasięg transmisji, tym większy pobór mocy.

Dlatego o miano standardu komunikacji bezprzewodowej w Internecie Rzeczy ubiega się wiele rozwiązań. Dalej charakteryzujemy najważniejsze cechy wybranych z nich: Wi-Fi, Bluetooth Low Energy, ZigBee, LoRa, Sigfox Th read oraz sieci komórkowe (NB-IoT).

Wi-Fi

WiFi zostało ogłoszone jako specyfikacja IEEE 802.11 w 1997 roku. Bardzo szybko zyskało ono na popularności jako standard łączności bezprzewodowej z Internetem w sieciach komputerowych.

Z czasem jeszcze napędzał ją fakt, że specyfikację rozwijano w taki sposób, aby była jak najlepiej dostosowana do oczekiwań użytkowników w zakresie parametrów transmisji, przede wszystkim prędkości przesyłu danych i liczby urządzeń podłączonych do sieci. W rezultacie początkowo za pośrednictwem sieci Wi-Fi z Internetem łączyły się komputery stacjonarne i laptopy, a od paru lat korzystają z niej również smartfony oraz tablety.

Początkowo, w wersji 802.11b/g rzeczywista prędkość transmisji nie przekraczała kilku Mb/s. To w większości przypadków wystarczało do przesyłu niewielkich ilości danych.

W kolejnych latach powstała wersja 802.11n. Był to bardzo ważny krok dla rozwoju nowych zastosowań Wi-Fi.

W wersji 802.11n m.in. bowiem zwiększono prędkość przesyłu danych, dopuszczono transmisję wieloantenową MIMO (Multiple Input, Multiple Output), czyli zarówno po stronie nadawczej, jak i po stronie odbiorczej oraz dopuszczono transmisję nie tylko w "zatłoczonym", nielicencjonowanym paśmie 2,4 GHz, ale i w paśmie 5 GHz. Dzięki temu wiele węzłów w sieci Internetu Rzeczy komunikuje się w sieciach Wi-Fi właśnie w wersji 802.11n.

Kolejna wersja IEEE 802.11ac, zapewnia jeszcze większą prędkość transmisji - do 1 Gb/s. Pod kątem potrzeb IoT opracowano też specyfikacje IEEE 802.11af oraz 802.11ah. W przypadku tych wersji Wi-Fi, w których transmisja realizowana jest w paśmie częstotliwości poniżej 1 GHz, nacisk położono na większy zasięg, do 1 kilometra.

Bluetooth Low Energy

Jeżeli z kolei chodzi o sieci w standardzie Bluetooth to z myślą o potrzebach Internetu Rzeczy opracowano jego wersję Low Energy. W Bluetooth Low Energy (BLE), jak w sieciach Bluetooth BR/EDR (Basic Rate/Extended Data Rate), węzły w sieci komunikują się w paśmie częstotliwości 2,4 GHz podzielonym na 40 kanałów o szerokości 2 MHz.

Aby ograniczyć wpływ zjawisk (zaników selektywnych, wielodrogowości), które pogarszają jakość sygnału, w BLE stosuje się metodę przełączania częstotliwości (frequency hopping). Polega ona na transmisji informacji w każdym z kanałów przez określony czas, na przemian.

Metodą modulacji w Bluetooth Low Energy jest GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Indeks modulacji ma wartość od 0,45 do 0,55, większą, niż w Bluetooth (0,35). Zwiększa to efektywność widmową i poprawia niezawodność transmisji.

Co nowego w BLE?

Mechanizm parowania węzłów w sieci Bluetooth Low Energy nieco zmieniono w porównaniu do tego w sieciach Bluetooth BR/EDR. W pierwszych możliwe są trzy tryby: Just Works, Out of Band i Passkey Entry. W Bluetooth BR / EDR jest jeszcze jeden: Numeric Comparison. Metoda ta sprawdza się w przypadku urządzeń, które nie mają unikalnych nazw oraz zapewnia ochronę przed atakiem typu MITM (Man in the Middle).

Dzięki większym pakietom w BLE prędkość transmisji sięga 800 kb/s, podczas gdy w wersjach 4.0 oraz 4.1 w praktyce osiągano około 300 kb/s. Szybsza transmisja to mniejsze prawdopodobieństwo zakłóceń i jej przerwania. Większe pakiety eliminują także konieczność dzielenia danych na części. To natomiast poprawia wydajność transmisji. Ponadto łącze jest krócej aktywne. To w połączeniu z tym, że nie trzeba oddzielnie przetwarzać wielu pakietów, pozwala znacznie zmniejszyć pobór prądu.

W wersji 4.2 zadanie odszyfrowania adresu przeniesiono z CPU na kontroler. Ten ostatni może też aktywować host tylko wtedy, gdy w zasięgu jest zaufane urządzenie. Zmiany te jeszcze zmniejszają pobór prądu. Bluetooth SIG (Special Interest Gorup) pracuje oprócz tego nad możliwością tworzenia sieci BLE w topologii typu mesh.

Bluetooth LE stanie się wówczas prawdziwą konkurencją dla standardu ZigBee. Przed Bluetooth Low Energy to właśnie ten ostatni, oparty na specyfikacji IEEE 802.15.4, uważano za najlepszego kandydata na standard komunikacji bezprzewodowej w sieciach Internetu Rzeczy.

ZigBee i Thread

Do zalet ZigBee, w porównaniu do konkurencji, zaliczany jest mniejszy pobór mocy, prędkość transmisji do 250 kb/s oraz właśnie możliwość organizacji węzłów w sieci w topologii typu mesh. Ta ostatnia pozwala na zwiększenie zasięgu.

Na specyfikacji IEEE 802.15.4 oparty jest również Th read. Przewaga tego standardu nad innymi wynika przede wszystkim stąd, że korzysta on z "energooszczędnej" wersji protokołu IPv6, czyli 6LoWPAN. Został on opracowany z myślą o tym, żeby za pośrednictwem protokołu IP mogły się także komunikować nawet najmniejsze urządzenia, o ograniczonej mocy obliczeniowej i zasilane bateryjnie.

Jeżeli natomiast chodzi o sieci komórkowe, to w tytułowym zastosowaniu ich największą zaletą jest globalny zasięg. Wraz z ich rozwojem eliminowane są też kolejne ograniczenia, dotychczas hamujące ich ekspansję w dziedzinie IoT.

Sieci komórkowe

Jednym z problemów było to, że powszechnie uważano, że łączność komórkowa wiąże się z dużym poborem mocy. Jest to prawdą w przypadku sieci 2G, 3G i wczesnych wersji LTE, ponieważ nie były one z założenia projektowane do komunikacji w sieciach Internetu Rzeczy, dla których możliwie jak najdłuższa praca na zasilaniu bateryjnym będzie priorytetem, czego przykładem są urządzenia elektroniki noszonej. Nie jest to już jednak prawdą, ponieważ w przypadku najnowszych wersji LTE (od Release 13) wprowadzono rozwiązania oszczędzające energię. Przykładem może być nowy standard NB-IoT.

NB-IoT

Standard NB-IoT został zatwierdzony w czerwcu 2016 przez stowarzyszenie 3GPP. Pełna nazwa standardu to LTE Cat NB1 (NB-IoT) Release 13. Łączy on wszystkie cechy, które są utożsamiane z ideą Internetu Rzeczy (IoT), a więc: wąskie pasmo radiowe, co wskazuje na zmniejszenie prędkości połączenia kosztem większej możliwej liczby jednoczesnych połączeń i zasięgu z wysoką sprawność energetyczna komunikacji.

Maksymalna szybkość komunikacji możliwa do uzyskania w tym rozwiązaniu to 200 kbps DL. Uzyskuje się ją przy zajęciu pasma o szerokości jedynie 200 kHz (przy LTE Cat. 4 jest to aż 20 MHz). Wąskopasmowa praca pozwala na zdecydowanie większe skupienie urządzeń na małym obszarze, co w przypadku IoT jest kluczowym czynnikiem.

Wysoka sprawność energetyczna modułów działających w NBIoT wynika głównie z parametru DRx, definiującego okres pomiędzy następującymi po sobie wybudzeniami modułu z głębokiego uśpienia w celu zsynchronizowania działania z siecią. Poprzez znaczne wydłużenie tego parametru można w znaczący sposób wydłużyć czas pracy z baterii. Według opracowania przygotowanego przez 3GPP, realne jest nawet 10 lat działania bez konieczności wymiany baterii o pojemności 5 Wh - co jest nieosiągalne w obecnych rozwiązaniach GSM/UMTS/LTE.

Koszty, certyfikacja, SIM

Argumentem rzekomo przemawiającym na niekorzyść sieci komórkowych jest koszt. Istnieją obawy, że nawet w przypadku, gdy ich operatorzy przygotują specjalne oferty na potrzeby IoT, wciąż sieci LTE będą zbyt drogie.

Jeżeli jednak głębiej się nad tym zastanowić, to żeby móc udostępnić je na potrzeby łączności pomiędzy węzłami w sieciach Internetu Rzeczy, operatorzy nie muszą ponosić żadnych dodatkowych kosztów związanych z infrastrukturą. Ta, która obecnie działa, i której funkcjonowanie w zasadzie opłacili już użytkownicy smartfonów, w zupełności wystarczy. Operatorom trudno więc będzie zawyżać koszty uzasadniając je koniecznością inwestycji w rozbudowę sieci. Ponadto wiele aplikacji IoT nie będzie (pojedynczo) zbyt obciążać sieci, co operatorzy również powinni wziąć pod uwagę przy ustalaniu dla nich planów cenowych.

Aby przyczynić się do popularyzacji łączności komórkowej wśród konstruktorów urządzeń na potrzeby IoT operatorzy sieci komórkowych powinni także uprościć i obniżyć koszty certyfikacji. Kolejnym ułatwieniem byłaby możliwość korzystaniu z wbudowanych kart SIM.

Sieci LPWAN

Na koniec warto wspomnieć o sieciach zaliczanych do rodziny LPWAN (Low Power Wide Area Networks). Dwie najpopularniejsze sieci tego typu to: Sigfox oraz LoRa.

W tych drugich wykorzystywana jest technika rozpraszania widma CSS (Chirp Spread Spectrum). Uzyskuje się w nich prędkość transmisji od 0,3 do 50 kbit/s. Zasięg sieci LoRa w środowisku miejskim wynosi od 2 do 5 kilometrów, natomiast w terenie otwartym może sięgać nawet 15 kilometrów (LoRa to skrót od long range). Żywotność baterii węzłów w sieciach tego typu może wynieść nawet 10 lat.

W sieciach Sigfox z kolei wykorzystywana jest technika Ultra Narrow Band. Uzyskuje się w nich prędkość transmisji od 10 b/s do 1 kbit/s, a żywotność baterii sięga 20 lat. Zasięg sieci Sigfox mieści się w przedziale od 3 do 10 kilometrów w terenie zurbanizowanym oraz w zakresie 30-50 kilometrów w terenie wiejskim.

Sieci zaliczane do kategorii LPWAN zostały zoptymalizowane pod kątem zmniejszenia poboru mocy, wydłużenia zasięgu transmisji, małej przepustowości i wykorzystania w komunikacji IoT.

Chociaż ich zaletą, która pozytywnie wpływa na koszty, jakie będą ponosić ich użytkownicy, jest fakt, że działają w nielicencjonowanym paśmie ISM, z drugiej strony w ich przypadku niezbędna infrastruktura sieciowa jest dopiero w fazie rozwoju. Koszty, jakie w związku z tym będą ponosić ich operatorzy będą z pewnością przenoszone na użytkowników.

Monika Jaworowska