Standardy komunikacji bezprzewodowej dla urządzeń IoT

| Technika

Rozwój Internetu Rzeczy (IoT) powoduje, że coraz więcej różnego typu urządzeń korzysta z bezprzewodowej łączności z Internetem, począwszy od elektroniki osobistej, przez rozmaite czujniki aż do układów przemysłowych. Zróżnicowanie urządzeń, ich przeznaczenia, sposobu konstrukcji oraz warunków pracy wymusza stosowanie różnych standardów komunikacji, najlepiej dopasowanych do rzeczywistych potrzeb. Warto zapoznać się z najbardziej popularnymi rozwiązaniami, aby w konkretnej sytuacji móc świadomie dokonać wyboru najodpowiedniejszego z nich.

Standardy komunikacji bezprzewodowej dla urządzeń IoT

Wybór najbardziej optymalnego ze wszystkich dostępnych na rynku standardów bezprzewodowej komunikacji może stanowić duże wyzwanie. Podczas oceny oraz porównania właściwości różnych protokołów konieczne jest uwzględnienie wielu parametrów, które nie zawsze są łatwo mierzalne.

O użyteczności danego rozwiązania decyduje bowiem nie tylko maksymalny zasięg czy szybkość transmisji, ale również m.in. koszt oraz sposób pozyskania i utrzymania infrastruktury, niezawodność oraz dostępność gotowych implementacji.

Dostępne pasma częstotliwości

Rys. 1. Przydział nielicencjonowanego pasma ISM w różnych rejonach świata

Transmisja radiowa na całym świecie podlega zarządzaniu i regulacji przez powołane do tego celu wykwalifikowane instytucje - w Polsce jest to Urząd Komunikacji Elektronicznej (UKE), na terenie całej Europy CEPT (Conference of Postal and Telecommunications Administrations), zaś w Stanach Zjednoczonych FCC (Federal Communications Commission).

Organizacje te zarządzają widmem elektromagnetycznym na przydzielonym sobie obszarze, czyli udzielają określonym podmiotom zgody na transmisję sygnału w określonym zakresie częstotliwości - pozyskanie takiej zgody wiąże się zaś zazwyczaj z wniesieniem przez potencjalnego nadawcę odpowiedniej opłaty.

Decyzją Sektora Radiokomunikacji Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (ITU-R) niektóre zakresy częstotliwości zarezerwowane zostały do bezpłatnego i swobodnego wykorzystania na potrzeby zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych (tzw. pasmo ISM - industrial, scientific and medical).

Pasmo ISM jest pasmem nielicencjonowanym, wykorzystywanym nie tylko przez popularne standardy komunikacji bezprzewodowej (np. Wi-Fi, Bluetooth), ale także urządzenia do zdalnego sterowania. Na rysunku 1 przedstawiono dostępność pasma ISM w różnych regionach świata.

W zależności od obszaru niektóre dostępne częstotliwości mogą się nieco różnić (np. 868 MHz w Europie i 915 MHz w Stanach Zjednoczonych), zaś globalnie do bezpłatnego użytku przeznaczono częstotliwość 2,4 GHz oraz 5 GHz.

Częstotliwość pracy ma duży wpływ na pozostałe parametry komunikacji. Wyższa częstotliwość pozwala wydzielić więcej kanałów transmisji, dzięki czemu możliwa jest obsługa większej liczby urządzeń i uzyskanie wyższej przepustowości sieci. Sygnał o niższej częstotliwości charakteryzuje się jednak lepszą propagacją, co pozwala na uzyskanie większego zasięgu transmisji.

Budowa protokołu komunikacyjnego

Rys. 2. Model ISO OSI

Protokół komunikacyjny to zbiór zasad i standardów określających m.in. format przesyłanych danych oraz sposób kontroli ich przepływu. Najbardziej popularnym modelem wykorzystywanym do opisu systemów telekomunikacyjnych jest model OSI (Open Systems Interconnection). Jest to model warstwowy, w którym rozróżnia się siedem warstw komunikacji o różnej funkcjonalności (rys. 2).

Na rysunku 3 przedstawione zostały wybrane warstwy modelu oraz odpowiadające im elementy przykładowego stosu protokołów TCP/IP. Protokoły komunikacji bezprzewodowej implementowane są zazwyczaj w warstwie 2, podczas gdy warstwa fizyczna odpowiada za rodzaj wykorzystywanej modulacji, czyli sposób reprezentacji pojedynczego bitu.

Warstwa łącza danych odpowiada za formowanie ramki, w systemach bezprzewodowych zajmuje się również transmisją radiową. Nadzoruje jakość przekazywanych informacji, zajmuje się detekcją błędów oraz zarządza dostępem do kanału radiowego. W warstwie tej wydziela się zazwyczaj dwie podwarstwy: sterowania łączem danych (LLC, Logical Link Control) oraz sterowania dostępem do nośnika (MAC, Media Acces Control). Niektóre protokoły bezprzewodowe, jak np. 802.15.4, określają jedynie wymagania podwarstwy MAC.

Warstwa sieciowa dysponuje wiedzą na temat topologii sieci, dlatego zajmuje się trasowaniem pakietów. W sieci Internet podstawowym protokołem tej warstwy jest IP. Urządzenia pracujące w warstwie sieciowej to routery.

Warstwa transportowa zapewnia połączenie pomiędzy dwoma węzłami sieci - segmentuje dane oraz tworzy z nich strumień. Popularne protokoły tej warstwy to bezpołączeniowy UDP (User Datagram Protocol) oraz połączeniowy TCP (Transmission Control Protocol). W przypadku zastosowań IoT częściej wykorzystuje się protokół TCP ze względu na gwarancję poprawnego dostarczenia pakietów.

Warstwa aplikacji zapewnia usługi sieciowe aplikacjom wykorzystywanym przez użytkownika. Jako najwyższa warstwa modelu OSI nie świadczy usług na rzecz innych warstw, tylko na rzecz aplikacji korzystających z sieci, niebędących częścią modelu OSI. Popularne protokoły tej warstwy to HTTP, FTP, TELNET czy POP3.

Warstwowa budowa sieci wprowadza dodatkową złożoność, narzut danych oraz zwiększa wymagania dotyczące rozmiaru kodu i wykorzystywanej pamięci. Każda z warstw ma swój nagłówek oraz ramki kontrolne. Zaletą takiego rozwiązania jest jednak wysoka elastyczność oraz skalowalność sieci.

Z podziału na warstwy rezygnuje się obecnie jedynie w przypadku bardzo prostych rozwiązań realizujących nieskomplikowane i bardzo ograniczone funkcje. Większość sieci bezprzewodowych ma konstrukcję zbliżoną do tej z rysunku 3.

Wady i zalety korzystania z protokołu IP

Rys. 3. Warstwy modelu OSI w przykładowym systemie komunikacji bezprzewodowej (Wi-Fi)

Podstawową cechą urządzeń IoT jest zdolność do komunikacji w Internecie. Urządzenia łączące się bezpośrednią z tą siecią muszą obsługiwać protokół IP, inaczej nie mogłyby uruchomić transmisji danych. Węzły w obrębie jednej sieci lokalnej mogą jednak komunikować się ze sobą za pomocą protokołów innych niż IP.

Tego typu urządzenia do komunikacji poza obrębem własnej sieci lokalnej muszą wykorzystywać bramki (gateway), czyli urządzenia pośredniczące w dostępie do sieci. Bramki z jednej strony komunikują się z węzłami sieci lokalnej za pomocą protokołów innych niż IP, z drugiej zaś łączą się z Internetem za pomocą standardowego stosu protokołów.

Implementacja protokołu IP w modułach IoT pozwala na korzystanie z typowych bramek warstwy IP, czyli routerów. Tego typu rozwiązanie jest bardziej elastyczne, daje większe możliwości zmiany sposobu działania urządzeń oraz rozbudowy sieci bez konieczności modyfikacji bramek sieciowych.

Korzystanie z protokołu IP w sieci lokalnej może również znacznie przyspieszyć proces projektowania systemu, przede wszystkim dzięki powszechnej dostępności narzędzi do testowania połączenia oraz gotowych implementacji protokołu komunikacyjnego.

Wadą korzystania z pełnego stosu protokołów TCP/IP w modułach IoT jest przede wszystkim duża złożoność procesu komunikacji, z którą wiąże się zwiększone zapotrzebowanie na moc obliczeniową oraz pamięć w systemie.

Konieczne jest ponadto wysyłanie i odbiór dłuższych pakietów danych, to wszystko razem przekłada się zaś na większe zużycie energii elektrycznej przez urządzenie, co może być argumentem krytycznym w przypadku modułów zasilanych bateryjnie.

Czynnikiem sprzyjającym implementacji stosu protokołów TCP/IP w urządzeniach IoT jest niewątpliwie postęp technologiczny w dziedzinie produkcji układów półprzewodnikowych. We współczesnych mikrokontrolerach wzrost mocy obliczeniowej oraz ilości dostępnej pamięci idzie w parze z poprawą parametrów energetycznych, w efekcie czego komunikacja z wykorzystaniem protokołów TCP/IP może być rozsądnym rozwiązaniem nawet w przypadków niewielkich sieci przeznaczonych do realizacji stosunkowo prostych zadań.

Podział sieci ze względu na zasięg

Rys. 4. Różne zasięgi oraz zastosowania sieci PAN, LAN, NAN oraz WAN

Jak pokazano na rysunku 4, ze względu na zasięg sieci bezprzewodowe dzieli się zazwyczaj na cztery kategorie - sieci prywatne (PAN, Personal Area Network), lokalne (LAN, Local Area Network), sąsiedzkie (NAN, Neighbourhood Area Network) oraz rozległe (WAN, Wide Area Network).

Zasięg sieci prywatnej nie przekracza zazwyczaj 10 m i obejmuje osobiste urządzenia jednego użytkownika lub wyposażenie jednego biurka. Typowym przykładem takiej sieci jest zbiór różnych akcesoriów połączonych z telefonem komórkowym za pomocą protokołu Bluetooth (np. słuchawki, urządzenia fitness, elektronika medyczna). Urządzenia wchodzące w skład takiej sieci pracują zazwyczaj z wykorzystaniem zasilania bateryjnego.

Bezprzewodowe sieci lokalne (WLAN) mają zwykle zasięg nieprzekraczający 100 m i gromadzą urządzenia sieciowe w obrębie jednego budynku lub jego części. Typowym przykładem takiej infrastruktury jest domowa sieć Wi-Fi.

Sieci sąsiedzkie, określane również jako Near-me Area Network, obejmują zazwyczaj swoim zasięgiem obszar o promieniu do kilkudziesięciu kilometrów. Przykładem takiego rozwiązania jest sieć domowych czujników zużycia energii elektrycznej bezprzewodowo przekazujących odczyty bezpośrednio do dostawcy energii. Tego typu sieci charakteryzują się zazwyczaj niezbyt dużą prędkością transmisji danych.

Sieć WAN może obejmować swoim zasięgiem kilka miast lub nawet cały kraj. Za największą sieć WAN o zasięgu globalnym uznaje się Internet.

Topologie sieci

Rys. 5. Topologia siatki (a) oraz gwiazdy (b)

Sieci teleinformatyczne podzielić można ze względu na ich topologię, czyli sposób, w jaki poszczególne węzły łączą się ze sobą. Dwie podstawowe architektury to gwiazda (star) oraz siatka (mesh), co przedstawiono na rysunku 5.

W topologii gwiazdy wszystkie węzły podłączone są do jednego urządzenia centralnego, które wykorzystywane jest zazwyczaj również jako bramka dostępowa do Internetu. Popularny przykładem takiego rozwiązania jest sieć Wi-Fi, w której wszystkie stacje podłączone są do routera/punktu dostępu (AP).

Wyróżnia się dwa rodzaje topologii siatki: pełną (full mesh) oraz częściową (partial mesh). W przypadku pełnej siatki każdy węzeł ma bezpośrednie połączenie z wszystkimi innymi węzłami w sieci. Rozwiązanie to jest bardzo trudne do realizacji w praktyce, ponieważ liczba połączeń sieci rośnie kwadratowo w stosunku do liczby węzłów.

W rzeczywistości wykorzystuje się zatem siatkę częściową, w której każdy węzeł połączony jest jedynie z pewną liczbą innych węzłów (rys. 5a) - tylko taka topologia będzie w dalszej części tekstu określana mianem siatki.

W praktycznych implementacjach topologia siatki okazuje się zazwyczaj mniej skomplikowana i prostsza w realizacji od gwiazdy. Zaletą siatki jest możliwość łatwego zwiększania zasięgu sieci, dzięki zdolności do zestawienia połączenia między oddalonymi węzłami z wykorzystaniem węzłów pośredniczących. Pozwala to zachować niski poziom mocy transmisji radiowej.

Sieć oparta na topologii siatki charakteryzuje się również wyższą niezawodnością, ponieważ zazwyczaj umożliwia kilka różnych dróg zestawienia połączenia, awaria żadnego z węzłów nie powinna spowodować wstrzymania całej komunikacji.

Konieczność przetwarzania i trasowania przez każdy węzeł wszystkich odebranych pakietów wymaga jednak nieco większej mocy obliczeniowej, co może przekładać się na wyższe zużycie energii oraz większy koszt produkcji pojedynczego modułu w porównaniu do topologii gwiazdy. W dodatku w przypadku siatki można spodziewać się większych opóźnień w transmisji danych. Popularnym przykładem sieci o topologii siatki jest ZigBee.

Ważnym parametrem standardu komunikacyjnego jest maksymalna liczba jednocześnie połączonych urządzeń. Wartość ta może się diametralnie różnić - od kilkunastu (np. w Bluetooth) do tysięcy (np. w ZigBee) jednocześnie pracujących węzłów.

Interoperacyjność standardów komunikacji bezprzewodowej

Rys. 6. Możliwe topologie sieci ZigBee

Jednym z najważniejszych wymagań stawianych układom do komunikacji bezprzewodowej jest interoperacyjność, czyli zdolność do wymiany informacji pomiędzy urządzeniami pochodzącymi od różnych producentów. Potwierdzenie takiej zdolności jest głównym celem wielu instytucji standaryzacyjnych oraz certyfikujących, które opracowują odpowiednie specyfikacje oraz procedury testujące.

Jedną z najbardziej zasłużonych dla rozwoju komunikacji sieciowej instytucji jest IEEE, czyli Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników - ogólnoświatowa organizacja nonprofit, która została założona w 1963 roku. Jedną z najpopularniejszych koncepcji tego stowarzyszenia jest rodzina standardów IEEE 802.x.

W jej skład wchodzą takie standardy, jak m.in. 802.3 (Ethernet), 802.5 (Token Ring) 802.11 (Wi-Fi), 802.15.1 (Bluetooth) czy 802.15.4 (ZigBee, HART). Podobnie mocno zaangażowane w rozwój sieci jest stowarzyszenie IETF (Internet Engineering Task Force). Jest ono autorem m.in. specyfikacji protokołów IPv4, TCP oraz HTTP.

Zarówno IEEE, jak i IETF to organizacje, które nie prowadzą certyfikacji wyrobów w celu określenia ich zgodności z opracowanymi przez siebie standardami. Taką działalnością zajmują się zazwyczaj wyspecjalizowane instytucje zainteresowane tylko jednym standardem komunikacyjnym, jak np. Wi-Fi Alliance, Bluetooth Special Interest Group (SIG) oraz ZigBee Alliance. Umieszczone na produkcie logo organizacji certyfikującej oznacza, że spełnia on wymagania techniczne danego standardu, powinien zatem bez kłopotów współpracować z certyfikowanymi urządzeniami innych producentów.

Popularne standardy komunikacji bezprzewodowej

Uprzednio omówione zostały jedynie podstawowe koncepcje komunikacji bezprzewodowej, w dalszej części tekstu przedstawione zostaną charakterystyki najbardziej popularnych standardów komunikacyjnych nadających się do zaimplementowania w produktach IoT.

Wi-Fi

Rys. 7. Sieć 6LoWPAN połączona z Internetem

Technologia Wi-Fi oparta jest na standardzie IEEE 802.11, którego pierwsza wersja opublikowana została już w 1997 roku. Od początku Wi-Fi projektowane było jako bezprzewodowy zamiennik standardu IEEE 802.3 (Ethernetu) i od dawna z ogromnym sukcesem pełni tę funkcję. Od wielu lat obecne jest we wszystkich urządzeniach mobilnych, takich jak laptopy, tablety oraz smartfony.

Choć sam standard określa jedynie specyfikację warstwy łącza danych, w przeważającej większości przypadków korzystanie z tego protokołu związane jest z implementacją pełnego stosu protokołów TCP/IP (głównie w celu dostępu do Internetu).

Sieci Wi-Fi pracują najczęściej na częstotliwości 2,4 GHz, choć standard dopuszcza również możliwość wykorzystania 5 GHz, która oferuje więcej kanałów oraz szybszą transmisję danych. Sieć Wi-Fi oparta jest na topologii gwiazdy, której centralnym elementem jest punkt dostępu/router.

Moc sygnału wystarcza zazwyczaj do pokrycia zasięgiem sieci całego mieszkania lub domu jednorodzinnego. Do pojedynczej sieci Wi-Fi można jednocześnie podłączyć ok. 250 urządzeń, choć zależy to przede wszystkim od możliwości routera/ punktu dostępowego.

Głównym argumentem przemawiającym za stosowaniem Wi-Fi w systemach IoT jest powszechność tego standardu, dzięki czemu możliwe jest wykorzystanie już istniejącej infrastruktury, np. sieci domowej użytkownika. Implementacja Wi-Fi wymaga jednak dość dużych zasobów pamięci oraz mocy obliczeniowej, ten rodzaj komunikacji wiąże się również ze znacznym zużyciem energii elektrycznej.

Obecnie na rynku znaleźć można wiele typów modułów w pełni obsługujących komunikację bezprzewodową w tym standardzie, wyposażonych w stos protokołów TCP/IP oraz wbudowaną antenę. Wykorzystanie takiego modułu w projekcie pozwala wydatnie skrócić czas projektowania oraz odciążyć główny procesor systemu.

Nowoczesne moduły mają zazwyczaj szereg rozwiązań znacząco poprawiających energooszczędność, jak zaawansowane tryby uśpienia oraz krótki czas włączania i wyłączania układu. Wprowadzenie odpowiednich zabiegów optymalizacyjnych oraz rozsądne zarządzanie transmisją radiową pozwala efektywnie korzystać z Wi-Fi nawet w przypadku systemów zasilanych bateryjnie, takich jak inteligentne zegarki.

Wi-Fi to obecnie najbardziej popularny standard bezprzewodowej komunikacji z Internetem, jego wykorzystanie w przypadku systemów IoT jest jednak ograniczone dużą złożonością oraz relatywnie wysokim zużyciem energii elektrycznej.

Bluetooth

Rys. 8. Przykładowe sieć Thread

Pierwsza wersja standardu Bluetooth opracowana została w 1994 roku przez firmę Ericsson. Rozwojem protokołu oraz opracowywaniem nowych specyfikacji technicznych zajmuje się obecnie specjalnie w tym celu powołana organizacja Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Pierwotnie opracowany Bluetooth określany jest dzisiaj jako Classic Bluetooth, w odróżnieniu od późniejszego Bluetooth Low Energy (BLE). Oba te protokoły pracują w paśmie 2,4 GHz, jednak nie są ze sobą kompatybilne. Dla systemów IoT bardziej atrakcyjny wydaje się właśnie BLE, głównie ze względu na znacznie obniżony pobór energii elektrycznej.

W BLE maksymalna prędkość transmisji danych wynosi 2 Mbps, zaś maksymalny zasięg pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem to ok. 400 m. Podobnie jak w przypadku Bluetooth Classic, BLE definiuje określone profile węzłów sieci, charakteryzujące różne typy urządzeń mających odmienne zastosowanie.

Dotychczas zdefiniowano szereg profili dotyczących m.in. urządzeń fitness, osobistej elektroniki medycznej czy czujników ogólnego przeznaczenia. Standard oferuje również m.in. funkcję beacon, czyli możliwość bezprzewodowej identyfikacji miejsc oraz przedmiotów.

Kolejne wersje standardu rozszerzają możliwości tego protokołu. W wersji 4.2 usprawniono między innymi możliwość bezpośredniej łączności z Internetem za pośrednictwem Bluetooth, wprowadzono także dodatkowe zabezpieczenie transmisji poprzez możliwość uzgadniania kluczy algorytmem opartym na krzywych eliptycznych (ECC). Najnowsza wersja, BLE 5, oferuje m.in. możliwość wyboru prędkości transmisji - od 125 kbps do 2 Mbps, przy czym wolniejsza transmisja pozwala na uzyskanie dalszego zasięgu.

Sieć Bluetooth oparta jest na topologii gwiazdy, w 2017 roku wprowadzono jednak możliwość konstruowania sieci o topologii siatki, kompatybilną ze standardami Bluetooth 4.x oraz Bluetooth 5 - funkcjonalność tę określono jako Bluetooth Mesh Networking. Pozwala to na wydłużenie maksymalnego zasięgu sieci, dzięki wykorzystaniu węzłów pośredniczących i retransmitujących ramki.

Z punktu widzenia producentów urządzeń IoT atutem standardu Bluetooth jest szeroka dostępność infrastruktury - praktycznie każdy telefon i większość laptopów oraz tabletów może pełnić funkcję centralnego węzła sieci (typu master). W oparciu o te urządzenia możliwe jest zatem tworzenie sieci typu PAN, dodatkowo wspieranej przez aplikacje mobilne.

Na rynku znaleźć można wiele bardzo energooszczędnych gotowych modułów komunikacyjnych przeznaczonych do szybkiej implementacji w konstruowanym urządzeniu. Wadą tego standardu jest niewątpliwie umiarkowany zasięg oraz ograniczona liczba urządzeń, które mogą być jednocześnie podłączone do jednej sieci.

Czynnikiem w znacznym stopniu przezwyciężającym obecne minusy będzie zapewne wprowadzona niedawno Bluetooth Mesh Networking, która pozwala na tworzenie sieci o większym zasięgu.

ZigBee

Rys. 9. Typowe węzły sieci WirelessHART - przemysłowe urządzenia pomiarowe oraz sterowniki

ZigBee jest standardem zarządzanym przez ZigBee Alliance, organizację zrzeszającą ponad 400 podmiotów z całego świata działających w branży elektronicznej oraz pokrewnych. Niższe warstwy specyfikacji ZigBee (fizyczna oraz łącza danych) oparte są na standardzie IEEE 802.15.4.

Komunikacja odbywa się zazwyczaj w paśmie 2,4 GHz. Sieć oparta jest na topologii siatki, co pozwala uzyskać bardzo duży zasięg oraz wysoką niezawodność. Maksymalny zasięg bezpośredniej komunikacji pomiędzy dwoma węzłami sieci wynosi ok. 100 m.

Zaletą ZigBee jest wysoka interoperacyjność pomiędzy modułami różnych producentów. Organizacja opiekująca się standardem od dawna publikuje na swojej stronie internetowej wykaz kompatybilnych urządzeń - lista ta liczy już prawie 2000 pozycji. ZigBee ma wbudowane zabezpieczenia, które pozwalają na detekcję i korekcję błędów transmisji, a także na ochronę przed nieuprawnionym dostępem do przesyłanych danych (128-bitowy klucz kryptograficzny).

Standard jest również dość prosty - implementacja pełnego stosu protokołów ZigBee wymaga ok. czterokrotnie mniej pamięci niż implementacja Bluetooth. Maksymalna szybkość transmisji danych wynosi 250 kbps. Teoretyczna liczba urządzeń, które można podłączyć do sieci, wynosi 65 536 (16-bitowa adresacja), w praktyce jednak nie przekracza zazwyczaj 200.

Standard ZigBee często wykorzystuje się w wielu rozwiązaniach z zakresu inteligentnego budynku, np. do gromadzenia danych z czujników lub sterowania oświetleniem oraz kontrolą dostępu. Szczególną popularnością cieszą się bezprzewodowo sterowane żarówki. Specjalnie na potrzeby inteligentnego oświetlania opracowano protokół ZigBee Light Link. Z myślą o urządzeniach zasilanych bateryjnie zaprojektowano zaś kompatybilny ze standardem protokół ZigBee Green Power, zoptymalizowany pod kątem bardzo niskiego zużycia energii, przez co bardzo atrakcyjny dla systemów IoT.

Dotychczas węzły sieci ZigBee nie miały implementacji protokołu IP, przez co nie były zdolne do bezpośredniej komunikacji z innymi urządzeniami w Internecie. Niedawno udostępniono jednak specyfikację nowej wersji standardu - ZigBee IP, która przewiduje obsługę protokołu IPv6 przez urządzenia końcowe, dzięki czemu pozwala im na bezpośrednią komunikację z urządzeniami podłączonymi do Internetu np. poprzez Wi-Fi lub Ethernet.

6LoWPAN

Rys. 10. Ogólny schemat sieci LoRaWAN

6LoWPAN (IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks) to standard przewidujący implementację protokołu IPv6 we wszystkich węzłach sieci, przeznaczony dla energooszczędnych urządzeń charakteryzujących się ograniczoną mocą obliczeniową.

Podobnie jak w przypadku ZigBee, niższe warstwy sieci oparte są na specyfikacji IEEE 802.15.4, brak instytucji sprawującej ścisły nadzór nad standardem powoduje jednak kłopoty z interoperacyjnością modułów pochodzących od różnych producentów. Brak interoperacyjności jest jedną z głównych wad tego rozwiązania, mającą istotny wpływ na ograniczenie wzrostu jego popularności.

Sieci 6LoWPAN oparte są na topologii siatki. Głównym elementem sieci pozostaje jednak bramka podłączona bezpośrednio do Internetu, zazwyczaj zapewniająca również konwersję (tunelowanie) pakietów IPv6 na IPv4.

Sieci 6LoWPAN mogą pracować zarówno na częstotliwości 2,4 GHz, jak i 868/915 MHz, z maksymalną szybkością transmisji danych do 250 kbps. Standard oferuje wszystkie zalety specyfikacji IEEE 802.15.4 (topologia siatki, energooszczędność, odporność na błędy transmisji), ponadto dzięki implementacji protokołu IP umożliwia węzłom sieci bezpośrednią komunikację z innymi urządzeniami połączonymi z Internetem. Implementacja protokołu IP w wersji IPv6 może stanowić szczególną zaletę w niedalekiej przyszłości, gdy stanie się on podstawowym protokołem obowiązującym w Internecie.

Thread

Jedną z najbardziej popularnych implementacji standardu 6LoWPAN jest protokół Thread, opracowany przez konsorcjum składające się z takich podmiotów, jak m.in. Samsung, Google, Qualcomm, Freescale oraz Silicon Labs. Głównym celem projektantów tego rozwiązania było zapewnienie wysokiej interoperacyjności modułów różnych producentów, czyli eliminacja jednej z głównych wad standardu 6LoWPAN.

Maksymalna prędkość transmisji danych wynosi 250 kbps, zaś maksymalny rozmiar sieci to 250 węzłów. Protokół zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa przesyłanych danych, oparty m.in. na procedurze autoryzacji nowych węzłów dołączanych do sieci oraz szyfrowaniu AES z wykorzystaniem 128-bitowego klucza.

Dzięki możliwości wykorzystania wielu bramek sieć charakteryzuje się wysoką odpornością na uszkodzenia - w przypadku awarii jednej z bramek wciąż możliwy jest dostęp do Internetu poprzez inne urządzenie. W sieci Th read wyróżnia się kilka typów urządzeń: wspomniane już bramki (Border Routers), routery, routery zapasowe (REED, Router-Elgible End Devices) oraz urządzenia końcowe (SED, Sleep End Devices).

Jeden z routerów odgrywa rolę lidera, czyli koordynuje pracę całej sieci. W przypadku awarii może zostać automatycznie zastąpiony przez inny router za pomocą protokołu MLE (Mesh Link Establishment) będącego częścią specyfikacji Thread. W przeciwieństwie do większości implementacji 6LoWPAN Th read ma dedykowane procedury routingu zoptymalizowane pod kątem minimalizacji opóźnień podczas wzajemnej komunikacji pomiędzy węzłami.

Zarządzająca standardem organizacja Th read Group prowadzi program certyfikacji, który pozwala zapewnić interoperacyjność pomiędzy układami różnych producentów. Specyfikacja protokołu Thread jest publicznie dostępna, Google opracowało również dostępną na licencji BSD open-source'ową implementację tego protokołu o nazwie OpenThread.

WirelessHART

WirelessHART to pracujący w paśmie 2,4 GHz standard oparty na protokole HART (Highway Addressable Remote Transducer), wykorzystywany głównie w aplikacjach przemysłowych. Główną zaletą tego rozwiązania jest wysoka odporność na interferencje elektromagnetyczne, co pozwala na niezawodną pracę nawet w bardzo zaszumionym środowisku. Centralnym elementem sieci jest bramka połączona do Internetu. Węzły końcowe sieci nie obsługują protokołu IP.

Protokół HART jest szeroko stosowany w automatyce - jego początki sięgają końca lat 80. XX wieku. Wykorzystuje się go m.in. w celu diagnostyki oraz konfiguracji układów, a także do przesyłania niedużej ilości danych pomiarowych (z powodu dość niskiej szybkości transmisji). WirelessHART jest bezprzewodową implementacją tego protokołu, całkowicie kompatybilną z wersją przewodową.

Standard ten charakteryzuje się niewielkimi czasami opóźnień transmisji, dzięki czemu umożliwia komunikację w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Maksymalny zasięg transmisji nie przekracza 100 m. Sieć może zostać skonfigurowana zarówno w topologii gwiazdy, jak i siatki.

LoRaWAN

LoRaWAN to sieć typu LPWAN (Low Power Wide Area Network) oparta na architekturze gwiazdy, której podstawowym elementem infrastruktury jest połączona z Internetem brama (stacja bazowa). Węzły końcowe sieci nie obsługują protokołu IP. LoRaWAN pracuje na częstotliwościach poniżej 1 GHz, dzięki czemu charakteryzuje się dużym zasięgiem (kosztem niższej szybkości transmisji niż w przypadku pasma 2,4 GHz).

Maksymalny zasięg stacji bazowej wynosi od 15 km w terenie niezabudowanym do ok. 2 km w terenie silnie zurbanizowanym. Jedna stacja bazowa może obsługiwać do 20 tysięcy urządzeń końcowych. Szybkość transmisji wynosi od 0,3 do 50 kbps, w zależności od dostępności medium komunikacyjnego. Bezpieczeństwo komunikacji bezprzewodowej zapewniane jest przez szyfrowanie 128-bitowym kluczem AES.

Zaletą LoRaWAN jest nie tylko duży zasięg, ale również wysoka energooszczędność związana z możliwością precyzyjnego zarządzania czasem pracy węzłów sieci - przez większość czasu mogą pozostawać nieaktywne, wybudzając się tylko na czas transmisji oraz nasłuchiwania odbioru.

Sigfox

Rys. 11. Pokrycie sieci Sigfox na początku 2018 roku. Kolorem fioletowym zaznaczono inwestycje na etapie wdrażania, kolorem niebieskim obecne pokrycie

Sigfox to prywatny operator telekomunikacyjny działający w branży IoT na zasadach zbliżonych do operatorów telefonii komórkowej. Za opłatą (w postaci abonamentu) oferuje dostęp do swojej sieci pracującej w paśmie poniżej 1 GHz (868/915 MHz) dla urządzeń IoT.

Rozwiązanie to przeznaczone jest przede wszystkim dla modułów, które wymagają przesyłania niewielkiej ilości informacji z niezbyt dużą częstotliwością. Sieć Sigfox obecnie pokrywa głównie obszar Europy Zachodniej, do 2020 roku planuje jednak objąć swoim zasięgiem ponad 60 krajów, w tym również przynajmniej częściowo Polskę.

Sieć zorganizowana jest w topologii gwiazdy, której centralnym elementem jest stacja bazowa. Maksymalny zasięg tej stacji wynosi do 30 km w terenie niezabudowanym. Tak duży zasięg wiąże się ze znacznym ograniczeniem szybkości transmisji - do 100 bps.

Wprowadzono w dodatku dzienny limit wiadomości, które mogą zostać wysłane przez pojedynczy węzeł sieci (obecnie wynosi on 140 wiadomości). Maksymalna długość pojedynczego komunikatu to 12 bajtów, zaś komunikatu zwrotnego 8 bajtów.

Z powodu bardzo restrykcyjnych ograniczeń długości transmisji sieć Sigfox przeznaczona jest przede wszystkim dla aplikacji, które komunikują się rzadko oraz bardzo niewielką ilością danych, jak np. rozproszone systemy pomiarowe do pomiaru zużycia wody lub energii elektrycznej, czujniki alarmowe czy detektory dymu. Niewątpliwą zaletą tego rozwiązania jest możliwości korzystania z gotowej infrastruktury sieciowej, co pozwala ograniczyć czas oraz koszty związane z budową oraz utrzymaniem własnych urządzeń tego typu.

Podsumowanie

Tabela 1. Podsumowanie omówionych standardów

Obecnie istnieje wiele standardów komunikacji bezprzewodowej przeznaczonych dla urządzeń IoT. Każdy z nich ma mocne i słabsze strony, niemożliwe jest zatem wskazanie jednego, który byłby najlepszy w każdej sytuacji. Wybór optymalnego standardu zależy przede wszystkim od potrzeb konkretnego urządzenia oraz lokalnych uwarunkowań.

W tabeli 1 zebrano krótkie podsumowanie omówionych technologii, w którym przedstawiono ich podstawowe cechy, m.in. maksymalny zasięg, topologię sieci czy szybkość transmisji. Należy jednak pamiętać, że podczas wyboru odpowiedniego standardu komunikacyjnego warto uwzględnić dodatkowe parametry wpływające na ocenę jego przydatności, takie jak koszt i łatwość implementacji, oferowany poziom bezpieczeństwa czy potencjalne możliwości dalszego rozwoju standardu.

Damian Tomaszewski

Zobacz również

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie